СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ НА ИЗОЛЯТОРЕ СТРУКТУР Российский патент 1996 года по МПК H01L21/84 

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к технологии получения кремний-структур (КНИ) и может быть использовано при изготовлении дискретных приборов и интегральных схем (ИС).

Известен способ изготовления КНИ-структур окислением пористого кремния (Зарубежная электронная техника, 1978, N 15, с. 42, патент Японии N 51 - 23433). В этом способе на поверхности исходной пластины формируют слой пористого кремния, на котором выращивают эпитаксиальный слой (эпислой). С помощью маски из нитрида кремния в эпислое формируют локальные области пористого кремния, проходящие до нижележащего слоя пористого кремния. После удаления нитрида кремния проводят окисление пористого кремния, в результате чего образуются участки монокристаллического кремния (монокремния), полностью изолированные друг от друга и от подложки окислом кремния.

Недостатками данного способа являются использование непроизводительного процесса электрохимического анодирования, плохое воспроизведение технологии и как результат отсутствие коммерческого освоения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является эпик-процесс. В эпик-процессе (Гаряинов С. А. Диэлектрическая изоляция элементов интегральных схем.-М. Советское радио, 1975, с. 39 42) на одной из сторон исходной пластины выращивают эпислой для создания областей высокой проводимости под элементами ИС. Затем выращивают слой термического окисла кремния, на основе которого фотолитографией создают маску для глубинного травления. Травлением через эту маску формируют рельеф, определяющий конфигурацию будущих участков поверхности с КНИ-структурой, так называемых карманов. После этого выращивают слой окисла кремния толщиной 1,0.1,5 мкм по всей поверхности сформированного рельефа. Этот слой собственно и является изолирующим. Поверх слоя окисла кремния осаждают слой поликристаллического кремния (поликремния) толщиной 300.600 мкм, выполняющий роль несущей подложки будущей ИС. Затем поликремний шлифуют и полируют с таким расчетом, чтобы получить поверхность, строго параллельную поверхности исходной пластины. После этого шлифуют и полируют монокремний исходной пластины почти до слоя окисла кремния. Оставшийся перед слоем окисла кремния монокремний снимают в полирующем травителе. В результате получают подложку для изготовления ИС с изоляцией элементов слоем окисла кремния. В ней роль несущей подложки выполняет поликремний, в который утоплены карманы монокремния, отделенные от несущей подложки слоем окисла кремния.

Недостатками эпик-процесса являются (Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М. Радио и связь, 1987, с. 361) потребность в специальном оборудовании для точной шлифовки, критичность проводимых процессов к воздействию различных технологических факторов, трудность изготовления подложек с глубиной кармана меньше 3 мкм (Гаряинов С. А. Диэлектрическая изоляция элементов интегральных схем.- М.Советское радио, 1975, с. 57), большой расход сверхчистых реагентов при осаждении поликремния, наличие продолжительных и трудоемких операций особо точной шлифовки и полировки пластин на большую глубину.

Критичность проводимых процессов во многом определяется тем, что часто после нанесения поликремния структура значительно прогибается из-за возникших в ней механических напряжений. Искривление структуры не позволяет равномерно вскрыть все карманы и изготовить подложки с глубиной кармана меньше 3 мкм. Все это не позволяет получать эпик-методом ИС с высокой плотностью упаковки элементов.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков. Он реализуется на распространенном оборудовании стандартными операциями технологии микроэлектроники. Предлагаемый способ позволяет получать слои монокремния толщиной около 0,5 мкм на изоляторе, а также формировать на основе этих слоев ИС с высокой плотностью упаковки элементов и высоким быстродействием. Причем предлагаемый способ позволяет повысить выход ИС за счет повышения плотности упаковки элементов.

Технической задачей изобретения является упрощение и повышение производительности процесса изготовления КНИ-структур.

Поставленная задача достигается тем, что в способ изготовления КНИ-структур, включающий выращивание на кремниевой пластине эпислоя, его локальное удаление и окисление структуры, внесены следующие изменения: перед выращиванием эпислоя на поверхности кремниевой пластины создают столбы кремния путем формирования нелитографическими методами маскирующих участков субмикронных размеров (МУСР), отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, и травления через маскирующие участки кремниевой пластины, причем выращивание эпислоя проводят на столбах кремния, а локальное его удаление осуществляют до поверхности столбов кремния.

Создание на поверхности кремниевой пластины столбов кремния путем формирования нелитографическими методами МУСР, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, и травления через маскирующие участки кремниевой пластины, а также выращивание эпислоя на столбах кремния и локальное его удаление до поверхности столбов кремния, приводит при реализации заявляемого изобретения к упрощению и повышению производительности процесса изготовления КНИ-структур.

Это обусловлено тем, что в заявляемом способе не используются шлифовка и полировка, а также осаждение слоя поликремния большой толщины. Вместо этих процессов предлагается использовать набор стандартных технологических операций микроэлектроники, в том числе и для создания на поверхности кремниевой пластины столбов кремния, а также для выращивания на них эпислоя.

При поиске в патентной и научно-технической литературе формирование нелитографическими методами столбов кремния с субмикронными размерами, выращивание на этих столбах эпислоя, локальное удаление эпислоя и окисление столбов кремния для получения КНИ структур не обнаружено.

На фиг. 1 изображены МУСР, вид сверху;на фиг. 2 столбы кремния на поверхности кремниевой пластины, вид сбоку;на фиг. 3 эпислой кремния; на фиг. 4 -структура, содержащая участок эпислоя кремния, который в дальнейшем будет КНИ-структурой; на фиг.5 КНИ-структура;на фиг. 6 молекулярный поток кремния на столбы кремния;на фиг. 7 формирование КНИ-структуры с использованием локальной эпитаксии, где а) структура, содержащая эпислой, б) готовая структура.

Кремний-структура имеет столб кремния 1, кремниевую пластину 2, эпислой кремния 3, маскирующий нитрид кремния 4, буферный окисел кремния 5, изолирующий окисел кремния 6, молекулярный поток 7.

Предлагаемое изобретение построено на том факте, что для формирования слоя с требуемыми параметрами зачастую незачем заботиться о форме и размерах каждого из входящих в его состав элементов, а достаточно получать лишь среднестатистические их значения. Такой подход наблюдается при использовании слоев поликремния в микроэлектронике, когда контролируется лишь средний размер зерна. Такой же подход наблюдается и в заявляемом изобретении, где нелитографическими методами на поверхности исходной подложки создаются МУСР, удаленные друг от друга на субмикронное расстояние и имеющие произвольную форму в пределах некоторого характерного малого размера. Здесь равномерность маски достигается хаотичностью процессов, которая в свою очередь подчиняется статистическим закономерностям, поскольку в основе этих процессов лежит диффузионный механизм и термодинамика газов. Поэтому уже на очень малых площадях поверхности отношение занятой МУСР площади к свободной от МУСР площади оказывается величиной неизменной при увеличении исследуемой площади. Для реализации заявляемого изобретения не имеет значения конфигурация получаемых МУСР. Имеют значение только средние размеры МУСР и расстояния между ними. Примером технологического процесса, приводящего к формированию такой самоорганизующейся маски,является конденсация на поверхности паров металла, когда МУСР формируются в виде островков. Могут МУСР формироваться осаждением из газовой фазы, например кремния в высокотемпературном хлоридном процессе. Наряду с непосредственным формированием из паровой или газовой фазы МУСР могут быть получены осаждением поликристаллического слоя и последующим селективным стравливанием зерен определенной кристаллографической ориентации. Селективное стравливание можно получить при использовании травителя для выявления дефектов кристаллической структуры. Причем такой двухстадийный процесс позволяет надежнее воспроизводить параметры формируемой маски. МУСР могут состоять из металла или полупроводника, в том числе из алюминия или кремния. Существуют разнообразные способы получения МУСР.

МУСР используют для анизотропного травления кремниевой пластины с целью получения столбов кремния. Поэтому верхняя граница средних размеров МУСР определяется возможностью окисления столбов кремния. В технологии микроэлектроники окисление кремниевой поверхности на глубину 0,5 мкм является обычным, но довольно продолжительным процессом. Дальнейшее увеличение глубины окисляемого кремния связано с дальнейшим увеличением продолжительности процесса окисления. Поэтому верхняя граница средних размеров маскирующих участков равна 1 мкм,т.е. формируются МУСР. Нижняя граница средних размеров МУСР и расстояний между ними определяется технологией травления кремниевой пластины и в настоящее время может достигать 0,01 мкм (Плазменная технология в производстве СБИС. М. Мир, 1987, с. 309, 447 448).

После формирования столбов кремния МУСР удаляют и на столбах кремния проводят выращивание эпислоя. Верхняя граница средних расстояний между столбами кремния и соответственно между МУСР определяется необходимостью получения идеально гладкой поверхности эпислоя, выращиваемого на вершинах кремниевых столбов. Известно (J. Mater. Res. Vol. 6, No. 4, Apr. 1991, p. 784 ) получение такой идеально гладкой поверхности эпислоя высокого кристаллического совершенства над участками кремния, удаленными друг от друга на 1,5 мкм. При выращивании эпислоя над участками кремния, удаленными друг от друга на расстояние, превосходящие 1,5 мкм, такой идеально гладкой поверхности не наблюдается. В этом случае на поверхности происходит фасетирование, т. е. образование граней, кристаллографическая ориентация которых не соответствует ориентации кремниевой пластины. Исходя их этого верхняя граница средних расстояний между островками в заявляемом изобретении равна 1 мкм, т. е. формируются маскирующие участки, отстоящие друг от друга на субмикронные расстояния.

Глубина травления кремниевой пластины определяется размером МУСР и характером последующей эпитаксии. Она выбирается с таким расчетом, чтобы высота столбов, соединяющих кремниевую пластину с эпислоем, была достаточной для транспорта окислителя и для формирования слоя изолирующего окисла требуемой толщины. Глубина травления кремниевой пластины при формировании столбов может быть уменьшена в случае использования молекулярно-лучевой эпитаксии или локальной эпитаксии, когда растущий эпислой незначительно уменьшает высоту столбов кремния.

Созданные на поверхности кремниевой пластины столбы (фиг. 2) представляют собой систему каналов, охватывающих столбы кремния субмикронной толщины. После выращивания на столбах кремния эпислоя (фиг. 3) и локального удаления кремния для для открытия непосредственного доступа окислителя к столбам кремния (фиг. 4) каналы для движения окислителя под эпислоем кремния оказываются напрямую связаны с окисляющей средой. При окислении структуры окислитель проникает по каналам под эпислой кремния и окисление его происходит одновременно по всей поверхности со стороны кремниевой пластины.При этом внешнюю поверхность кремниевого слоя может защищать от окисления нитридная маска (слои 4 и 5 фиг. 4). После полного окисления столбов кремния получают КНИ-структуры. Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Маршрут изготовления КНИ-структуры. На поверхности (100) кремниевой пластины выращивается слой окисла кремния толщиной 0,05 мкм. Пиролизом моносилана осаждается слой поликремния толщиной 0,5 мкм. Затем поликремний обрабатывается в травителе, содержащем 45% фтористоводородную кислоту в количестве 100 мл, воду 100 мл и дихромат калия 2,2 г. Этот травитель селективно вытравливает зерна поликремния определенной ориентации, в результате чего на поверхности остаются зерна кремния другой ориентации, скорость травления которых достаточно мала. Размер зерен и расстояние между ними определяется режимами формирования слоя поликремния и обработки его в селективном травителе и составляет примерно 0,5 мкм. Зерна кремния на поверхности окисла кремния являются МУСР. Общий вид их представлен на фиг. 1. Реактивным ионным травлением формируются столбы кремния высотой 3 мкм, показанные на фиг. 2. Эпитаксия проводится при атмосферном давлении и температуре 1000^oС с использованием моносилана. Скорость эпитаксиального роста составляет 0,7 мкм/мин, продолжительность процесса 1 мин. При 1000^oС скорость эпитаксиального наращивания определяется процессом диффузии реагента к поверхности из газовой фазы. Большая высота столбов и малое расстояние между ними препятствует нормальной циркуляции газового потока по высоте столбов в процессе эпитаксии, в результате чего эпитаксиальный рост происходит в основном на вершинах столбов, которые срастаются, образуя сплошной слой. Полученная структура имеет вид, представленный на фиг. 3. На поверхности этой структуры выращивается окисел кремния толщиной 0,5 мкм и осаждается слой нитрида кремния толщиной 0,1 мкм. В процессе фотолитографии маскируются участки, которые в дальнейшем будут являться КНИ структурами. Ширина этих участков может быть порядка 50 мкм. С открытых участков стравливаются слои нитрида кремния, окисла кремния и эпитаксиального кремния (фиг. 4). После фотолитографии осуществляется полное окисление столбов кремния в парах воды. Окисление проводится при температуре 950^oС и давлении 10 атм в течение 60 мин. После удаления нитридной маски КНИ-структура имеет вид, показанный на фиг. 5.

Пример 2. Формирование МУСР. На окисленную поверхность кремниевой пластины в магнетронной системе со скоростью 15 нм/с осаждается слой алюминия толщиной 0,4 мкм. Температура пластины при осаждении составляет 120^oС, а средний размер зерен алюминия в полученном слое составляет 0,3 мкм, МУСР формируются обработкой слоя алюминия в травителе, содержащем 9 см³HCl, 3 см³HNO₃, 2 см³HF и 10 см³H₂O.

Пример 3. Использование молекулярно-лучевой эпитаксии. Молекулярный поток кремния падает на столбы кремния под углом 45^o к поверхности (фиг. 6), поэтому сращивание столбов кремния происходит на глубину, примерно равную по величине среднему расстоянию между столбами.

Пример 4. Использование локальной эпитаксии. В этом случае формируются столбы, боковая поверхность которых окислена и покрыта нитридом кремния (фиг. 7а). При локальной эпитаксии кремний растет только на торцах столбов и сращивание происходит на глубину, равную половине среднего расстояния между столбами. При формировании изолирующего слоя столбы кремния не окисляются, так как маскируются слоем нитрида кремния. Это позволяет окислителю беспрепятственно проникать по порам и окислять эпислой на значительных его площадях (фиг. 7б).

Выполнение способа согласно описываемому изобретению обеспечивает по сравнению с существующими способами упрощение и повышение производительности процесса изготовления КНИ-структур. Предлагаемый способ реализуется на распространенном оборудовании, с использованием известных материалов, широко применяемых в микроэлектронике.

(57) Использование: изобретение может быть использовано при изготовлении дискретных приборов и интегральных схем. Сущность: на поверхности кремниевой подложки нелитографическими методами создаются маскирующие участки субмикронного размера, удаленные друг от друга на субмикронное расстояние и имеющие произвольную форму; эта маска используется для анизотропного травления кремниевой пластины на определенную глубину. После удаления маски на поверхности, образуемой вершинами полученных анизотропным травлением кремниевых столбов, осуществляется эпитаксия, в результате чего эпитаксиальный слой и кремниевая пластина оказываются соединенными множеством столбов. Затем выращенный эпитаксиальный слой кремния локально стравливают, что дает доступ окислителя к слою кремниевых столбов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ изготовления кремния на изоляторе структур, включающий выращивание на кремниевой пластине эпитаксиального слоя, его локальное удаление и окисление структуры, отличающийся тем, что перед выращиванием эпитаксиального слоя на поверхности кремниевой пластины создают столбы кремния путем формирования нелитографическими методами маскирующих участков субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, и травления через маскирующие участки кремниевой пластины, выращивание эпитаксиального слоя проводят на столбах кремния, а локальное его удаление осуществляют до поверхности столбов кремния. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что маскирующие участки формируют в виде островков. 3. Способ по п. 2 отличающийся тем, что островки выполнены из металла или полупроводника. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что островки формируют осаждением поликристаллического слоя и последующим селективным стравливанием зерен определенной кристаллографической ориентации. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что островки формируют непосредственно из паровой или газовой фазы.