СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ СВЧ-МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ МИКРОСБОРОК Российский патент 1994 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов в частности к изготовлению широкополосных мощных СВЧ-транзисторных микросборок с внутренними согласующими LC-цепями.

Известен способ изготовления МДП-конденсаторов для СВЧ-мощных транзисторных микросборок, включающий создание на поверхности низкоомной полупроводниковой подложки локальной области базового окисла; формирование последовательным окислением и нанесением нитрида кремния комбинированного диэлектрического слоя; создание методами фотолитографии и ионно-химическим травлением конфигурации изолирующих слоев; формирование токопроводящих электродов верхней обкладки конденсатора и контактной площадки к кремниевой подложке.

Недостатком этого способа являются ограниченные технологические возможности его применения.

Применение известного способа для изготовления МДП-конденсаторов с многослойной металлизацией на основе золота (например PtSi-Ti-Pt-Au) невозможно ввиду низкой воспроизводимости формирования контакта к кремниевой подложке, вызванной диффузией золота в кремний и взаимодействием золота с открытой поверхностью кремния с образованием эвтектики под действием технологических термообработок (например, при вжигании золота).

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления мощных транзисторов, включающий создание на поверхности полупроводниковой подложки со сформированными транзисторными структурами диэлектрического слоя двуокиси кремния, нанесение слоя нитрида кремния, формирование методами фотолитографии и ионнохимического травления конфигурации изолирующих слоев и окон под контакты, формирование структуры многослойной металлизации, формирование топологии металлических контактов.

Однако этот способ неприемлем для изготовления МДП-конденсаторов, так как тонкие пленки осажденных слоев двуокиси кремния пористы, имеют более высокую плотность дефектов, неоднородны по толщине, их электрофизические параметры во многом зависят от толщины слоя.

Кроме того, при травлении, осаждении диэлектрических пленок и напылении тонких металлических пленок слои, осажденные на боковых стенках колодцев, тоньше слоев, осажденных на плоской поверхности.

Этот факт и возникающие в процессе термических обработок напряжения обуcлавливают тенденцию получения трещин в адгезионном слое Ti, барьерном слое Pt при создании трехслойной металлизации Ti-Pt-Au, что приводит к взаимодействию Au с Si с образованием эвтектики, т. е. к снижению воспроизводимости формирования структур.

Целью изобретения является повышение воспроизводимости формирования структуры многослойной металлизации и снижение токов утечки за счет упрочнения локального изолирующего слоя диэлектрика.

Это достигается тем, что при способе изготовления полупроводниковых компонентов СВЧ мощных транзисторных микросборок, включающем формирование на кремниевой пластине активных областей компонента с локальными изолирующими слоями диэлектрика, создание двуслойного диэлектрика двуокиси кремния и нитрида кремния, вскрытие окон под контакты в двуслойном диэлектрике, создание структуры многослойной металлизации и формирование топологии металлических электродов, слой двуокиси кремния создают термическим окислением до образования на открытых поверхностях кремния слоя толщиной 0,01-0,03 мкм, а вскрытие окон под контакты выполняют с удалением края окна от края локального изолирующего слоя диэлектрика на величину.

Δ = T+2d, где T - допуск на совмещение топологий при вскрытии окон в двуслойном диэлектрике;
d - толщина первого (адгезионного) слоя многослойной металлизации.

Для повышения воспроизводимости формирования структуры многослойной металлизации достаточно устранить возможность взаимодействия слоя золота с кремнием в области, где толщина барьерно-адгезионных слоев Ti-Pt минимальна, т. е. в области перехода вертикальной стенки диэлектрика и горизонтальной поверхности кремния.

Создание в области перехода вертикальной стенки диэлектрика к горизонтальной поверхности кремния ступеньки комбинированного диэлектрика высотой (0,01-0,03) мкм SiO₂+0,1 мкм Si₃N₄ и шириной, равной сумме допуска на совмещение топологий при вскрытии окон в двуслойном диэлектрике и удвоенной толщине первого адгезионного слоя многослойной металлизации позволяет сгладить профиль вскрытого окна, исключить возможность взаимодействия слоя золота с поверхностью кремния в случае разрыва под воздействием внутренних напряжений адгезионного и барьерного слоев в области их минимальной толщины.

Слой SiO₂ толщиной 0,01 мкм уже достаточен для снижения напряжений при нанесении слоя Si₃N₄, а эффективность комбини- рованного диэлектрика SiO₂+Si₃N₄ в качестве изолирующего покрытия очевидна.

Электрофизические характеристики структур Si-SiO₂, сформированных с помощью различных методов осаждения окисла кремния на кремниевую подложку значительно уступают аналогичным характеристикам структур Si-SiO₂, полученных термическим окислением кремния.

При термическом окислении скорость роста пленки SiO₂ на предварительно окисленной и открытой поверхности кремния разная, так как ионы кислорода диффундируют к поверхности Si через слой SiO₂, заполняя кислородные вакансии. На первых стадиях процесса происходит уплотнение уже имеющегося слоя SiO₂, стабилизация его электрофизических параметров и только затем дальнейший его рост.

Способ осуществляют следующим образом.

При изготовлении МДП-конденсаторов для СВЧ-мощных транзисторных микросборок кремниевую подложку p-типа с удельным сопротивлением ρ =0,005 Ом˙см отмывают последовательно в HF, кипящей смеси КАРО, кипящей перекисно-аммиачной смеси ПАС и после сушки окисляют в диффузионной печи СДОМ-3/100 при температуре Т=(1100±1)^оС в атмосфере сухого кислорода, в парах кипящей воды и сухого кислорода при расходе кислорода (220±20) л/ч до толщины (0,353±0,01) мкм, определяемой конструкцией МДП-конденсатора.

На лазерном эллипсометре ЛЭФ-3М с точностью ±10 производят замер толщины полученного слоя SiO₂. На поверхность слоя SiO₂ наносят слой фоторезиста толщиной ≈ 0,7 мкм, сушат при температуре 80±5^оС в течение 3 мин. Методами контактной фотолитографии переносят на подложку рисунок диэлектрического слоя и окна под контактную площадку к подложке, проявляют и задубливают фоторезист в установке ЛФ-6 при температуре 150±5^оС в течение 8 мин. Травление слоя SiO₂ осуществляют в смеси 40%-ного водного раствора фтористого аммония и плавиковой кислоты при соотношении 7:1 в течение 8±2 мин.

Подложку со сформированными локальными областями SiO₂ отмывают и окисляют при температуре (1100±1)^оС в среде сухого кислорода (расход 220 л/ч) в течение 3-4 мин до образования на открытой поверхности Si слоя SiO₂ толщиной 0,01-0,02 мкм. На окисленную поверхность методом аммонолиза моносилана наносят слой нитрида кремния толщиной 0,1±0,01 мкм. Контроль полученной толщины нитрида кремния производят по контрольной пластине на эллипсометре ЛЭФ-3М.

Пластину со сформированными диэлектрическими слоями отмывают и магнетронным методом напыляют слой титана толщиной (0,15±0,05) мкм, на поверхность которого наносят фоторезист PH-7. После сушки фоторезиста методом контактной фотолитографии на подложку переносят изображение топологии диэлектрических слоев и контактного окна под контактную площадку к подложке.

Травление слоя титана осуществляют в смеси HF:HNO₃:CH₃COOH=1:9:26 в течение 1 мин.

Вскрытие окна в двуслойном диэлектрике производят ионно-химическим травлением на установке "08ПХО-100Т-005" при следующем режиме; рабочее давление 4-8 Па, время травления в смеси CHF₃-N₂=3:1 5 мин.

Вскрытие окон под контактные площадки осуществляют с удалением края окна от края локального изолирующего слоя диэлектрика на величину Т+2 d, где d - толщина адгезионного слоя титана, T - расчетный допуск на совмещение топологии.

Так для МДП-конденсаторов с линейными размерами кристалла 8,5х1,5 мм величина Т допуска на совмещение топологии равна 3,5-8 мкм, толщина адгезионного слоя титана d=0,2±0,05 мкм, величина Δ =T+2d=3,9-8,4 мкм.

Структуру со сформированными окнами отмывают и на установке типа "Магма - 2М", напыляют слой пластины толщиной 0,05±0,01 мкм. Путем импульсного вжигания на установке "УОЛП-1" при температуре 620-650^оС в окнах на открытой поверхности кремния формируют силицид платины.

После стравливания слоев P в "царской" водке (HCl:HNO₃=3:1) при 70^оС в течение 3-4 мин и Ti в смеси перекиси водорода с аммиаком в соотношении 7:1 в течение 2 мин пластину со сформированными структурами отмывают и на установке "Оратория - 5" в одном технологическом цикле магнетронным методом напыляют адгезионный слой титана толщиной 0,2±0,05 мкм и барьерный слой платины толщиной 0,15±0,05 мкм.

После электрохимического осаждения золота толщиной 1,5±0,1 мкм пластины отмывают и напыляют пленку титана толщиной 0,3 мкм, которая служит маской в процессе проведения последующей фотолитографии для формирования верхней обкладки МДП конденсатора и контактной площадки к кремниевой подложке.

Травление слоев Au и Pt осуществляют ионно-лучевым травлением на установке УВН-71П-3, оснащенной ионным источником "Радикал".

Травление слоев титана осуществляют в смеси перекиси водорода с аммиаком в соотношении 7;1 в течение 2-3 мин. Затем пластины отмывают и проводят термообработку металлизации Ti-Pt-Au при температуре 470^оС в среде N₂ в течение 10±2 мин, после чего пластины со сформированными структурами МДП-конденсаторов передают на измерение параметров.

При изготовлении транзисторных структур для СВЧ-мощных транзисторных микросборок кремниевую эпитаксиальную пластину n-типа с удельным сопротивлением верхнего эпитаксиального слоя ρ=2,0 Ом˙см отмывают последовательно в HF кипящей смеси КАРО, кипящей перекисно-аммиачной смеси ПАС и после сушки окисляют в диффузионной печи СДОМ-3/100 при температуре =1100±1^оС в атмосфере сухого кислорода 10 мин, в парах кипящей воды 60 мин и сухого кислорода 20 мин при расходе кислорода (220±20) л/ч до толщины d=(0,85±0,05) мкм.

После термического окисления пластины передают на фотолитографию "активная база", где методом контактной фотолитографии и последующего травления SiO₂ создают базовую область. Далее следует снятие фоторезиста и химическая отмывка, после которой формирование активной базовой области осуществляют по следующей технологии: ионное легирование бором: Е=30 кэВ, D-40 мкКл/см²; химическая обработка пластин в кипящей смеси КАРО; разгонка базовой области при 1025^оС в течение 60 мин, X_jэ=0,63±0,05 мкм, R_Sпов.= 350±50 Ом/□ .

Далее пластины со сформированной базовой областью передают на фотолитографию "эмиттер", где после нанесения фоторезиста методом контактной фотолитографии создают рисунок эмиттера в пиролитической SiO₂.

После химической обработки пластины поступают на операции создания эмиттерной области: ионное легирование фосфором: Е=90 кэВ с защитой фотолитографии D-1000 мкКл/см²; снятие фоторезиста и химическая обработка пластин в кипящей смеси КАРО; разгонка эмиттерной области при 950^оС в течение 15 мин, X_jэ=0,45±0,03 мкм, W_s=0,32 ±0,03 мкм, R_sэ=20±5 См/□ .

Пластины со сформированными областями эмиттера и базы подвергают термическому окислению в среде водяного пара под давлением в режимах: температура (750±2)^оС, давление 10 атм, время 6-18 мин, до образования на открытой поверхности кремния слоя двуокиси кремния толщиной (0,01-0,03) мкм.

Контроль толщины осуществляют на эллипсометре ЛЭФ-3М по контрольной пластине.

На окисленную поверхность методом аммонолиза моносилана наносят слой нитрида кремния толщиной d=0,1±0,01 мкм.

Далее пластину со сформированными диэлектрическими слоями, напыленным слоем титана отмывают и после нанесения фоторезиста, методом контактной фотолитографии создают в ней контактные окна к диффузионным областям эмиттера и базы.

Вскрытие окон под контакты к областям эмиттера (n⁺), пассивной базы (p⁺) осуществляют с удалением края окна до края локального изолирующего диэлектрика на величину Δ Т+2d, где d - толщина адгезионного слоя титана; T - величина расчетного допуска на совмещение топологий.

Для реальных СВЧ-транзисторных структур T ≃ 0,5 мкм, d=(0,15±0,05) мкм, реальная величина Δ ≃ 0,8 мкм.

После снятия фоторезиста, химической обработки и освежения области контактных окон ионно-химическим травлением пластины передают на напыление слоя пластины толщиной 0,05-0,1 мкм и импульсное вжигание платины на установке УОЛП-1 для получения силицида платины.

Пройдя термообработку при 500^оС в течение 20 мин в атмосфере сухого азота, пластины поступают на стравливание платины в "царской" водке (HCl:HNO₃) и после химической обработки производится напыление пленок (Ti+Pt) магнетронным способом на установке "Оратория - 5" толщиной 0,2±0,05 мкм и 0,15±0,05 мкм соответственно.

Далее следует электроосаждение пленки золота толщиной 1,0±0,1 мкм. После отмывки в ПАС и нанесения титановой маски толщиной 0,3 ±0,03 мкм пластины передают на фотолитографию "металлизация", которая включает следующие процессы: создание рисунка металлизации в слое фоторезиста, травление титана при 25^оС в течение 15-20 мин, ионно-лучевое травление золота и платины, снятие фоторезиста, удаление титановой маски.

После электрообработки проводят вжигание золотой металлизации при 470^оС в течение 10 мин в атмосфере азота и контроль электропараметров.

В таблице приведены сравнительные данные прироста толщины слоя SiO при термическом окислении (температура 1100± 2^оС, расход кислорода 220 л/ч, время окисления 5 мин) и нанесении SiO₂ разложением ТЭОС (температура осаждения 700±5^оС, рабочее давление 70 Па, скорость осаждения 100 А/мин), а также влияния прироста толщины на удельную емкость МДП-конденсатора с комбинированным диэлектриком SiO₂+Si₃N₄(d=0,102 мкм) и его электрофизические параметры.

Использование: в полупроводниковых приборах, в частности в способах изготовления полупроводниковых компонентов СВЧ-широкополосных мощных транзисторных микросборок с согласующими LC-цепями. Сущность изобретения: способ включает формирование на кремневой пластинке активных областей компонента с локальными изолирующими слоями диэлектрика, создание двуслойного диэлектрика двуокиси кремния и нитрида кремния, вскрытие окон под контакты в двуслойном диэлектрике, создание структуры многослойной металлизации и формирование топологии металлических электродов. При этом слой двуокиси кремния создают термическим окислением до образования на открытых поверхностях кремния слоя толщиной 0,01 - 0,03 мкм, а вскрытие окон под контакты выполняют с удалением края окна от края локального изолирующего слоя диэлектрика на суммарную величину допуска на совмещение топологии и двойной толщины первого слоя многослойной металлизации. 1 табл.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОМПОНЕНТОВ СВЧ-МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ МИКРОСБОРОК, включающий формирование на кремниевой пластине активных областей и локальных изолирующих слоев диэлектрика, создание двухслойного диэлектрика двуокиси кремния и нитрида кремния, вскрытие окон под контакты в двухслойном диэлектрике, создание структуры многослойной металлизации и формирование топологии металлических электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения воспроизводимости формирования структуры многослойной металлизации и снижения токов утечки за счет упрочнения локального изолирующего слоя диэлектрика, слой двуокиси кремния создают термическим окислением до образования на открытых поверхностях кремния слоя толщиной 0,01-0,03 мкм, а вскрытие окон под контакты выполняют с удалением края окна от края локального изолирующего слоя диэлектрика на величину
Δ = T+2d ,
где T - допуск на совмещение топологий при вскрытии окон в двухслойном диэлектрике, мкм;
d - толщина первого слоя многослойной металлизации, мкм.