СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ СТРУКТУР Российский патент 1997 года по МПК H01L21/84 

Изобретение относится к технологии получения кремний на изоляторе (КНИ) структур и может быть использовано при изготовлении радиационностойких интегральных схем (ИС) высокой степени интеграции и высокого быстродействия.

Известен способ изготовления КНИ структур окислением пористого кремния [1] В этом способе на поверхности кремниевой пластины формируют слой пористого кремния, на котором выращивают эпитаксиальный слой (эпислой). С помощью маски в эпислое формируют локальные области пористого кремния. После удаления маски проводят окисление пористого кремния и в результате получают участки монокристаллического кремния (монокремения), полностью изолированные друг от друга и от подложки окислом кремния.

Недостатками данного способа являются использование непроизводительного процесса электрохимического анодирования и плохое воспроизведение технологии.

Известен также способ изготовления КНИ структур сращиванием кремниевых пластин с последующим почти полным удалением одной из них шлифовкой [2] В этом способе опорная кремниевая пластина, несущая механическую нагрузку, соединяется с рабочей (приборной) пластиной через слой диэлектрика. Затем рабочая пластина утоняется до пленки заданной толщины с помощью прецизионной механической обработки и химического травления.

Недостатками данного способа являются исключительно высокое требование к качеству сращиваемых поверхностей кремниевых пластин, большой расход монокремния, наличие продолжительных и трудоемких операций особой точной шлифовки и полировки пластин на большую глубину.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является эпик-процесс. В эпик-процессе [3] на одной из сторон кремниевой пластины выращивают эпислой для создания областей высокой проводимости под элементами ИС. Фотолитографией создают маску, травлением через которую формируют участки поверхности, имеющие в дальнейшем КНИ -структуру. После этого выращивают изолирующий окисел кремния толщиной 1,0.1,5 мкм по всей поверхности сформированного рельефа. Поверх 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 кремниевой пластине. После этого шлифуют и полируют пластину почти до окисла кремния. Оставшийся перед окислом кремния монокремний удаляют в полирующем травителе. В результате получают поликремниевую подложку, в которой утоплены участки с КНИ - структурой.

Недостатками эпик-процесса являются критичность проводимых процессов к воздействию различных технологических факторов, трудность изготовления подложек с толщиной кремния на изоляторе меньше 3 мкм, большой расход сверхчистых реагентов при осаждении поликремния, наличие продолжительных и трудоемких операций особо точной шлифовки и полировки пластин на большую глубину, нерациональное использование монокремния.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков.

Целью изобретения является повышение производительности процесса изготовления КНИ структур.

Поставленная цель достигается тем, что в способ изготовления КНИ структур, включающий формирование маски, травление через эту маску кремниевой пластины, выращивание на ней эпислоя и окисление структуры, внесены следующие изменения: формирование маски осуществляют нелитографическими методами, рисунком маски является совокупность отверстий размером менее микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии, не превышающем микрона, после травления кремниевой пластины маскируют боковую поверхность полученного этим травлением рельефа слоем нитрида кремния, а окисление проводят перед выращиванием эпислоя.

Формирование маски нелитографическими методами, использование в качестве рисунка маски совокупности отверстий размером менее микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии, не превышающем микрона, травление через маску с таким рисунком кремниевой пластины, маскирование боковой поверхности полученного этим травлением рельефа слоем нитрида кремния и окисление структуры перед выращиванием эпислоя приводят при реализации заявляемого изобретения к 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.

При поиске в патентной и научно-технической литературе формирование нелитографическими методами колодцев в кремнии размером менее микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии, не превышающем микрона, маскирование их стенок нитридом кремния, окисление кремния на дне колодцев до полного смыкания окисла кремния в сплошной изолирующий слой и выращивание эпислоя на слое монокремния с отверстиями, лежащем на изолирующем слое, не обнаружены.

На фиг. 1 представлен слой с отверстиями, вид сверху, где 1 материал слоя, 2 отверстие. На фиг. 2 показана структура, содержащая слой с отверстиями, где 3 кремниевая пластина, 4 окисел кремния. На фиг. 3 изображена структура с колодцами в кремниевой пластине, где 5 колодец, 6 - буферный окисел кремния, 7 маскирующий нитрид кремния, 8 защитный окисел кремния. На фиг. 4 показана структура после стравливания слоев со дна колодцев. На фиг. 5 представлена окисленная структура, где 9 монокремний, 10 изолирующий окисел кремния. На фиг. 6 изображена структура с подтравленными стенами колодцев.

Предлагаемое изобретение построено на том факте, что для формирования слоя с требуемыми параметрами зачастую незачем заботится о форме и размерах каждого из входящих в его состав элементов, а достаточно получать лишь среднестатистические их значения. В заявляемом изобретении нелитографическими методами формируется маска, рисунок которой представляет собой совокупность отверстий размером мене микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии, не превышающем микрона. Для реализации заявляемого изобретения не имеет значения форма отверстий маски. Имеют значение только средние их размеры и расстояния между ними. Примером технологического процесса, приводящего к формированию такой самоорганизующейся маски, является конденсация на поверхности паров металла или полупроводника.

Маску с отверстиями используют для анизотропного травления кремниевой пластины с целью получения колодцев в кремнии. Поэтому верхняя граница средних расстояний между отверстиями в маске определяется возможностью окисления кремния насквозь в промежутках между колодцами. Исходя из этого верхняя граница расстояний между отверстиями в маске не превышает микрона. Верхняя граница размеров отверстий определяется необходимостью получения гладкой поверхности эпислоя. Такая поверхность гарантированно формируется при размере отверстий в маске менее микрона. Минимальная глубина колодцев в кремниевой пластине должна обеспечивать получение слоя монокремния с отверстиями на поверхности изолирующего слоя. Максимальная глубина колодцев определяется толщиной формируемого изолирующего слоя.

Колодцы служат для транспорта окисления к формируемому изолирующему слою. Изолирующий слой формируется окислением кремниевой пластины. Окисел кремния выращивают в глубине колодцев, для чего их стенки в верхней части маскируются нитридом кремния. Стенки колодцев могут быть полностью маскированы и тогда окисел кремния выращивают со дна колодцев. Нитрид кремния наносят равномерно на рельеф структуры после формирования колодцев. Пленка нитрида кремния при этом повторяет рельеф пластины. Для открытия доступа окислителя к кремниевой пластине нитрид кремния со дна колодцев удаляется. В дальнейшем глубина колодцев может быть увеличена травлением на величину, определяющую толщину формируемого изолирующего слоя. При этом возможен боковой подтрав кремния в немаскированных нитридом кремния областях колодцев с целью уменьшения толщины окисляемого кремния при формировании изолирующего слоя.

После маскирования рельефа структуры окисляют. Окислитель по колодцам достигает открытых областей кремния, где и происходит рост окисла. Растущий изо всех колодцев окисел смыкается и образует сплошной слой. Поскольку стенки колодцев частично маскированы нитридом кремния окисления кремния под нитридом не происходит и после удаления маски получается структура: слой монокремния с отверстиями на слое окисла кремния. Величина отверстий в слое монокремния менее микрона делает возможным эпитаксиальное их заращивание и получение гладкой поверхности. В результате эпитаксии формируется КНИ структура, готовая для создания на ее основе микросхем.

Пример 1. Маршрут изготовления КНИ структуры.

На поверхности (100) кремниевой пластины формируются слой окисла кремния толщиной 0,5 мкм и слой поликремния толщиной 0,5 мкм. Затем поликремний обрабатывается в травителе, содержащем 45% фтористо-водородную 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 в слое поликремния образуются отверстия произвольной формы. Величина отверстий и расстояние между ними определяются режимами формирования слоя поликремния и обработки его в травителе и в среднем составляют 0,5 мкм. Вид сверху полученного слоя с отверстиями представлен на фиг. 1, а вид сбоку - на фиг.2.

Реактивным ионным травлением формируют колодцы /5/ в кремниевой пластине /3/ глубиной 1 мкм (см. фиг.3). Равномерно по рельефу структуры выращивают слой термического окисла /6/ толщиной 0,03 мкм. Затем также равномерно по рельефу структуры осаждаются маскирующий слой нитрида кремния /7/ толщиной 0,06 мкм и защитный слой окисла кремния /8/ толщиной 0,1 мкм. Защитный слой окисла кремния /8/ служит для защиты слоя нитрида кремния /7/ от травления при последующем стравливании этих слоев /7/ и /8/ со дна колодцев /5/. Рельеф до стравливания слоев со дна колодцев показан на фиг. 3, после стравливания на фиг.4. После стравливания защитного слоя окисла кремния и маскирующего слоя нитрида кремния со дна колодцев структура окисляется в парах воды. Окисление проводится при температуре 950^oC и давлении 10 атмосфер в течение 60 мин. Затем нитридная маска удаляется и структура принимает вид, показанный на фиг.5. На слое монокремния с отверстиями, лежащем поверх слоя окисла кремния /10/ проводят эпитаксию. В результате получают КНИ структуру, пригодную для изготовления на ее основе микросхем.

Пример 2. Формирование маски с отверстиями.

Отличается от аналогичного процесса из предыдущего примера тем, что используется более продолжительная обработка в селективном травителе. В результате на поверхности остаются зерна кремния, скорость травления которых достаточно мала. Размер зерен и расстояние между ними не превышают 1 мкм. На поверхность структуры электронно-лучевым испарением наносится слой алюминия толщиной 0,1 мкм. Алюминий на зернах кремния взрывают при стравливании зерен кремния и получают алюминиевую маску с отверстиями. Такой маршрут получения маски с отверстиями отличается хорошей воспроизводимостью параметров маски, поскольку при обработке в селективном травителе скорость вытравливания зерен кремния из слоя поликремния с увеличением времени замедляется.

Пример 3. Использование бокового подтрава кремния при увеличении глубины колодцев.

Маршрут формирования КНИ структуры в основном повторяет маршрут из примера 1, за исключением следующего. После стравливания защитного слоя окисла кремния /8/, маскирующего слоя нитрида кремния /7/ и тонкого буферного слоя окисла кремния /6/ со дна колодцев плазменным травлением углубляют колодцы на 0,5 мкм с боковым подтравом кремния до 0,3 мкм, как это показано на фиг.6. После этого проводят окисление в парах воды при температуре 950^oC и давлении 10 атмосфер в течение 20 мин. В данном примере более эффективно, по сравнению с окислением в примере 1, формируется слой изолирующего окисла кремния /10/ толщиной около 0,6 мкм.

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

Использование: в технологии интегральных микросхем, формируемых на основе кремний на изоляторе (КНИ) структур. Сущность изобретения: нелитографическими методами на поверхности кремниевой пластины создается маска. Рисунком маски является совокупность отверстий произвольной формы с размером менее микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии не превышающем микрона. Травлением через маску с таким рисунком в кремниевой пластине формируют колодцы. Стенки колодцев маскируют нитридом кремния. Затем окисляют кремний пластины. Окисел кремния растет со дна колодцев и смыкается в сплошной слой, отделяющий монокристаллическую пленку кремния с отверстиями от кремниевой пластины. На монокристаллической пленке кремния с отверстиями осуществляют эпитаксию кремния и в результате получают КНИ структуру с гладкой поверхностью кремниевого слоя. Способ позволяет повысить производительность процесса изготовления КНИ - структур. 6 ил.

Способ изготовления кремний на изоляторе структуры, включающий формирование маски, травление через эту маску кремниевой пластины, выращивание на ней эпитаксиального слоя и окисление структуры, отличающийся тем, что формирование маски осуществляют нелитографическими методами, рисунком маски является совокупность отверстий размером менее микрона, отстоящих друг от друга на расстоянии, не превышающем микрона, после травления кремниевой пластины маскируют боковую поверхность полученного этим травлением рельефа слоем нитрида кремния, а окисление проводят перед выращиванием эпитаксиального слоя.