МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 1, с. 14-20
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382.002.2
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКИСЛЕНИЯ КАНАВОК В МОНОКРЕМНИИ
© 2010 г. Ю. П. Снитовский, М. Г. Красиков
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
E-mail: Mkras@tut.by Поступила в редакцию 30.12.2008 г.
Рассмотрено формирование диэлектрической изоляции элементов приборов микроэлектроники с использованием окисления канавок в монокремнии. Новый технологический процесс позволяет сократить технологический цикл изготовления приборов, повысить надежность и улучшить их параметры. Показано, что такой результат достигается значительным сокращением времени окисления монокремния, уменьшением величины неровности типа "птичий клюв" и снижением МОП-емкости за счет травления канавок в нитриде кремния шириной 0.5...1.5 мкм с отношением ширины канавки к расстоянию между ними равным 0.56 : 0.44 и глубиной большей, чем их ширина. Результаты двухмерного физического моделирования подтвердили преимущества новой технологии по сравнению со стандартной. Моделирование проводилось с использованием программы SSUPREM4 программного комплекса компании Silvaco.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время и на видимую перспективу кремний является не только важнейшим полупроводниковым материалом, но и модельным материалом для изучения фундаментальных физических, физико-химических и материаловедческих проблем твердого кристаллического тела.
Ни один неорганический материал не исследован так детально и не производится в таких количествах в виде монокристаллов, как кремний: мировое производство монокристаллов кремния приближается к 20 тыс. т/год [1—3]. Широкое использование легированных монокристаллов кремния в различных областях микро- и наноэлектро-ники, силовой электроники, СВЧ-электроники, солнечной энергетике, оптоэлектроники, изделиях микросистемной техники, в том числе и специального назначения, выдвигает ряд материаловед-ческих и технологических проблем, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Создание диэлектрической изоляции элементов приборов микроэлектроники является важной и необходимой операцией, которая широко используется как в традиционных, так и в современных технологиях формирования приборов [4, 5].
Известно, что диэлектрическая изоляция имеет значительные преимущества перед изоляцией ^-«-переходом: меньше токи утечки, емкость элемента изоляции примерно в 6 раз меньше и не зависит от приложенного напряжения, улучшаются вольтамперные характеристики (меньше искажений) и повышаются рабочие частоты высокоскоростных микросхем [6].
В качестве материала для создания диэлектрической изоляции элементов приборов микроэлектроники наиболее широко используется неорганические диэлектрики (в основном пленки на основе диоксида кремния, полученные различными методами, нитрид кремния и др.), имеющие хорошую совместимость с соседними слоями: высокую адгезию, селективность травления и т.д. [7].
Применение диэлектрической изоляции элементов приборов широко распространено. Это связано, прежде всего, с необходимостью создания быстродействующих запоминающих устройств с высокой плотностью упаковки, повышением требований к эксплуатационной надежности изделий в целом, обусловленных микроминиатюризацией изделий электроники.
Для мощных кремниевых биполярных СВЧ-транзисторов [8] одним из условий повышения максимальной частоты генерации (/^ах) является снижение емкости МОП-конденсатора под контактными площадками, поскольку в некоторых приборах 50...75% общей емкости приходится на емкость МОП-конденсатора. В работе [8] показа-
но, что снизить емкость МОП-конденсатора можно, используя различные методы осаждения толстого диэлектрика толщиной 3...5 мкм (диоксида кремния или нитрида кремния): плазменное осаждение, осаждение из газовой фазы, анодированный пористый диоксид кремния.
Снижение f^, обусловленное высокой величиной МОП-емкости, может оказаться особенно существенным и для приборов терагерцевого диапазона [9—11]. Поэтому очень существенным фактором является создание диэлектрической изоляции для снижения МОП-емкости под контактными площадками.
В транзисторах микросхем [12], изготовленных по IMPACT-технологии, эмиттерная область со всех сторон окружена диэлектрической изоляцией (стенками из диоксида кремния), что исключает образование в боковых ее участках обедненных областей ^-«-переходов. В результате этого уменьшается емкость перехода эмиттер-база и увеличивается быстродействие микросхем (fp).
Один из способов создания диэлектрической изоляции элементов, как интегральных микросхем (ИМС), так и дискретных биполярных транзисторов — локальное окисление монокремния (LOCOS-процесс) [13—14]. Новый процесс, получивший название изопланарного, и разработанный для изготовления биполярных ИМС, позволяет сэкономить до 40% площади на кремниевых пластинах. Метод использует в качестве маски слой нитрида кремния. В этом методе слой диоксида кремния толщиной 1.2 мкм выращивался в парах воды за 2.16 ч. При этом сначала проводили неглубокое травление монокремния, а затем однократное окисление. Основной недостаток LOCOS-процесса: образование структуры "птичьего клюва", как следствие высоких механических напряжений вблизи края этой структуры, возникновение высоких электрических полей при подлегиро-вании канала МОП-транзистора, необходимость формирования все более тонкого подзатворного диэлектрика, при масштабировании размеров МОП-транзистора, высокая трудоемкость и др.
Альтернативным LOCOS-процессу является метод формирования канавок под щелевую изоляцию (STI — shallow trench isolation) [15], который позволяет изготавливать как КМОП, так и биполярные ИМС, и дискретные транзисторы, отличающиеся повышенной степенью интеграции. При этом ужесточаются требования к локальному травлению монокремния с целью получения мелкозалегающих канавок: углы канавок должны быть слегка закруглены, а сами канавки должны иметь слегка наклонные стенки. Эти условия необходимы для устранения полостей внутри диоксида кремния, которым будут в дальнейшем заполняться канавки.
В [16] приведена экспериментальная оценка влияния аспектного отношения (Aspect Ratio (AR) = h/w) канавочной структуры, т.е. отношения глубины
(высоты) к к ширине м> структуры на скорость и профиль ее травления. Показано, что с ростом аспектного отношения, скорость травления канавоч-ных структур уменьшается и одновременно наблюдается увеличение угла наклона профиля структуры от 86 до 90°. Кроме того, с увеличением глубины травления монокремния наблюдается небольшое увеличение шероховатости поверхности дна канавок.
Важность получения структур с высоким аспект-ным отношением, т.е. большим отношением высоты к ширине, например, формирование узкой и глубокой канавки в монокремнии, была подчеркнута в работе [17].
К сожалению, методу создания диэлектрической изоляции элементов приборов, позволяющему значительно сократить время выращивания толстых слоев диоксида кремния, не уделялось должного внимания (если вообще такие практические работы проводились!), чем методам диэлектрической изоляции с использованием осаждения диоксида кремния, поликристаллического кремния и др.
В настоящей работе приведены результаты экспериментального и физического моделирования формирования толстых (3 и 5 мкм) слоев диоксида кремния локальным высокотемпературным термическим окислением канавок в монокремнии в парах воды с использованием в качестве маски нитрида кремния в зависимости от отношения ширины канавки к расстоянию между ними и глубиной канавки большей, чем ширина.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследования проводились на образцах двух типов. Первые представляли собой подложки монокремния я-типа проводимости, легированные сурьмой до удельного сопротивления р < 0.010 Ом см и выращенным эпитаксиальным слоем с удельным сопротивлением р = 0.5.1.0 Ом см, толщиной 3.6 мкм, легированные фосфором. Вторые, в отличие от первых, имели эпитаксиальный слой с удельным сопротивлением р < 3.5 Ом см, толщиной 10.15 мкм, также легированные фосфором.
На поверхности эпитаксиального слоя образцов двух типов выращивали термический диоксид кремния толщиной 30.60 нм с последующим осаждением пленки нитрида кремния толщиной 150.200 нм. Наличие подслоя диоксида кремния, как и в работе [18], благодаря вязкотекучим свойствам последнего снижает воздействие нитрида кремния на монокремний. Затем в маскирующем слое (термический диоксид кремния + нитрид кремния) вытравливали окна в виде узких полос шириной w = 0.5.1.5 мкм с отношением ширины полосы (канавки) к расстоянию I между ними равным 0.56 : 44 (м>/1), причем травление монокремния в канавках проводили на глубину к большую, чем их ширина w (к > рис. 1.
Рис. 1. Основные этапы формирования диэлектрической изоляции элементов приборов микроэлектроники с использованием высокотемпературного окисления канавок в монокремнии.
1 — подложка, 2 — эпитаксиальный слой, 3 — слой 8Ю2, 4 — слой 5 — окно для травления, 6 — канавка,
7 — выращенный слой 8Ю2.
В результате чего происходит "заращивание" канавок диоксидом кремния за счет окисления боковых стенок канавки. Поскольку отношение ширины канавки к расстоянию между ними выбрано таким же, как отношение части толщины диоксида кремния, выросшего относительно первоначального уровня поверхности монокремния, к толщине монокремния, превращенного в диоксид кремния, то одновременно с зарастанием канавок диоксидом кремния происходит полное прокисле-ние островков монокремния между ними. После термического окисления на всей протравленной области образуется сплошной слой диоксида кремния, толщина которого Н1 > к.
Таким образом, обеспечивается значительное сокращение времени проведения термического окисления монокремния в парах воды для получения больших толщин диоксида кремния (вплоть до 15 мкм [19]), уменьшение величины "птичьего клюва", образующегося при локальном окислении с использованием нитридной маски, то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.