СТРУКТУРА КРЕМНИЙ-НА-ИЗОЛЯТОРЕ ДЛЯ СБИС Российский патент 2004 года по МПК H01L27/06 

Областью применения изобретения является производство СБИС, у которых на одном кристалле формируются как полевые, так и биполярные транзисторы (БиКМОП СБИС).

В соответствии с национальным Путеводителем по технологии полупроводниковых приборов США [1] структура кремний на изоляторе (КНИ) стала магистральным направлением развития микроэлектроники в третьем тысячелетии.

Традиционно структуры КНИ используются для создания КМОП СБИС. Вместе с тем БиКМОП СБИС по-прежнему прочно занимают свой сектор рынка благодаря высоким параметрам и функциональным возможностям. Поэтому создание БиКМОП структур на КНИ является перспективным направлением микроэлектроники [2].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является структура-кремний-на-изоляторе для СБИС [3], содержащая области кремния, изолированные первым слоем диэлектрика друг от друга и вторым слоем диэлектрика от кремниевой подложки, для размещения в них полевых и биполярных транзисторов, включающая над вторым слоем диэлектрика слои первого металлида, возникающего в процессе сращивания пластин (силицида металла), и второго металлида, обладающего свойствами барьера для первого металлида (силицида металла) и кремния, используемых в качестве скрытых низкоомных слоев в подложке полевого и в коллекторе биполярного транзисторов.

Однако структура, описанная в прототипе [3], имеет недостатки.

В прототипе не предусмотрен барьерный слой, обладающий свойствами барьера не только для слоев первого металлида (силицида металла) и кремния, но и для элементов, ухудшающих свойства приборных областей кремния и параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них.

Потенциально примеси, негативно влияющие на свойства транзисторов, могут изначально быть введены в слои первого металлида, второго слоя диэлектрика и первого слоя кремния из предшественников слоев (кремниевой подложки) и в процессах формирования структуры из исходных химических соединений, газов, мишеней и т.д.

Далее в процессах формирования БиКМОП-структур, создания металлической разводки, сборки в корпуса, а также в процессе эксплуатации эти виды примесей могут диффундировать через барьерный слой, предназначенный только для предотвращения диффузии через него атомов первого металлида и кремния, в области приборного кремниевого слоя и по известным механизмам приводить к деградации пороговых напряжений и утечкам р-n-переходов полевых и биполярных транзисторов.

Наиболее критичными примесями являются Сu, Ni, Co, Fe, Na, К.

Это приводит к деградации параметров транзисторов и в результате к снижению надежности и процента выхода СБИС.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в том, что структура содержит эффективный барьер между слоем первого металлида и приборным кремниевым слоем как для атомов первого металлида и кремния, так и для примесей, ухудшающих свойства кремниевого слоя и параметры транзисторов в приборном слое.

Для достижения названного технического результата в структуре кремний-на-изоляторе для СБИС, содержащей области кремния, изолированные первым слоем диэлектрика друг от друга и вторым слоем диэлектрика от кремниевой подложки, для размещения в них полевых и биполярных транзисторов, включающей над вторым слоем диэлектрика слои первого металлида, возникающего в процессе сращивания пластин, и второго металлида, используемых в качестве скрытых низкоомных слоев в подложке полевого и в коллекторе биполярного транзисторов, слой второго металлида обладает свойствами барьера не только для атомов слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, ухудшающих свойства областей кремния и параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что слой второго металлида обладает свойствами барьера не только для атомов первого металлида, возникающего в процессе сращивания пластин, и кремния, но и для элементов, ухудшающих свойства областей кремния и параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них.

На фиг.1 приведен поперечный разрез предлагаемой структуры.

Структура содержит кремниевую подложку (1), первый диэлектрик (2), разделяющий области кремния (1) и (5), слой первого металлида (3) и второго металлида (4), биполярный (6) и полевой (7) транзисторы, изолированные канавками с диэлектриком на стенках (8), заполненными поликремнием (9).

Очевидны два основных взаимосвязанных фактора, предопределяющих изменение свойств материала как барьерного слоя.

Это: 1) термодинамический фактор, определяющий стремление компонентов системы к смешению или химическому взаимодействию;

2) кинетический фактор, определяющий степень воздействия термодинамического фактора в данных условиях.

Другими словами, кинетический фактор определяет возможность реализации того взаимодействия, к которому стремятся компоненты системы.

Воздействие термодинамического фактора существует при любой температуре, отличной от 0 К, и для твердофазной системы величина этого воздействия слабо меняется с изменением температуры.

Однако скорость любого процесса (v), вызываемого воздействием термодинамического фактора, очень сильно зависит от температуры Т, о чем свидетельствует уравнение Аррениуса:

где Е_a - энергия активации процесса (эта величина является одной из количественных мер термодинамического фактора), k - постоянная Больцмана.

Отсюда следует, что в неравновесных условиях состояние системы контактирующих твердых фаз определяется только временем при соответствующей температуре. Это наглядно можно пояснить, рассмотрев температурную зависимость времени протекания процессов деградации барьерного слоя (фиг.2). Температурный диапазон до температуры T₁ характеризует область, в которой кинетический фактор практически блокирует воздействие термодинамического фактора.

Температурный диапазон свыше Т₂ характеризует область, где кинетических ограничений не существует, и воздействие термодинамического фактора реализуется максимально быстро.

Заштрихованная часть - есть температурно-временная область стабильности барьерного слоя.

Зависимость подобного вида свойственна любому материалу, что позволяет говорить о его диффузионно-барьерных свойствах, которые ограничены температурной областью, в которой на взаимодействие накладываются ограничения, вызванные воздействием кинетического фактора.

Наилучшими диффузионно-барьерными свойствами обладает тот материал, который обеспечивает:

- возникновение максимальных ограничений, вызванных воздействием кинетического фактора;

- минимальное воздействие термодинамического фактора.

С целью минимизации воздействия термодинамического фактора первым критерием выбора материала барьерного слоя может быть энергия (или теплота) образования этого материала. Очевидно, чем более отрицательна эта величина, тем менее выгодно взаимодействие этого материала с каким-либо другим и, следовательно, до более высокой температуры надо нагреть систему, чтобы это взаимодействие осуществилось.

Граница раздела двух контактирующих твердых фаз играет важную роль в процессах взаимодействия этих фаз, так как она обладает избыточной свободной энергией. Избыток энергии границы, с одной стороны, обуславливает легкость накопления на ней свободных атомов. С другой стороны, он создает энергетический барьер для проникновения свободных атомов одной фазы в глубь другой [4].

В условиях, когда системе не сообщена энергия, достаточная для преодоления атомами этого барьера, химическое взаимодействие между контактирующими твердыми фазами ограничено только взаимодействием между свободными атомами данных фаз, накопившимися на межфазной границе. Таким образом, энергетический барьер межфазной границы является источником кинетических ограничений.

В этой связи возможность зарождения и роста новой фазы на границе определяется достаточностью количеств реагирующих атомов обеих исходно контактирующих фаз для химического взаимодействия. Для уменьшения вероятности взаимодействия достаточно создать условие недостатка одного из компонентов взаимодействующих фаз. Таким образом, с целью увеличения степени воздействия кинетического фактора вторым критерием выбора материала является поверхностная инактивность его компонентов или, другими словами, отсутствие энергетической выгодности выхода атомов материала барьерного слоя на существующие межфазные границы между ним и другими материалами.

Оценка поверхностной активности или инактивности компонентов в системе может быть проведена путем сравнения либо давления собственных паров над поверхностью компонентов второго металлида (барьерного слоя) с давлением кремния и компонентов первого металлида, либо их теплот сублимации. Теплота сублимации имеет прямую связь с поверхностным натяжением [5], откуда следует, что компонент системы с наибольшей энергией сублимации будет поверхностно-инактивным и его накопление на межфазной границе наименее вероятно. Таблица показывает наличие взаимосвязи между теплотами сублимации элементов и давлениями собственных паров над поверхностью. Данная взаимосвязь описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса и является очевидной, поскольку чем больше энергии необходимо сообщить материалу для перевода его из твердого состояния в газообразное, тем меньше способность атомов покидать поверхность этого твердого тела. В этой связи вторым критерием выбора барьерного слоя является использование материалов с высокой теплотой сублимации или низким давлением собственных паров.

Поскольку термодинамический и кинетический факторы взаимосвязаны, для выбора материала барьерного слоя необходимо комплексное применение обоих критериев.

В соответствии с выше сказанным, в предлагаемой структуре в состав второго металлида, обладающего свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, входят элементы, в качестве основы второго металлида, обладающие более высокой теплотой сублимации или более низким давлением собственных паров, чем кремний и элементы, образующие первый металлид, а также примеси элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, а сам второй металлид обладает отрицательной энергией образования.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в структуре в состав второго металлида, обладающего свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, входят элементы, в качестве основы второго металлида, обладающие более высокой теплотой сублимации или более низким давлением собственных паров, чем кремний и элементы, образующие первый металлид, а также примеси элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, а сам второй металлид обладает отрицательной энергией образования.

Из представленных в таблице справочных данных теплот сублимации и давлений собственных паров следует, что для достижения результата в качестве основы металлида целесообразно использовать тугоплавкие металлы W, Та, Nb, Mo, Ti, Ru, Hf, Os, V, Zr, Rh, Re, Ir.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что в качестве основы металлида используют тугоплавкие металлы W, Та, Nb, Mo, Ti, Ru, Hf, Os, V, Zr, Rh, Re, Ir.

В качестве варианта второго металлида целесообразно использовать сплав W-Ta, поскольку, с одной стороны, его компоненты имеют наиболее высокие теплоты сублимации, а с другой стороны, он обладает большей теплотой образования по сравнению с другими двухкомпонентными сплавами. Это видно из фиг.3, где представлены зависимости теплоты образования ряда сплавов от состава, рассчитанные по методу Миедемы [6]. Проведенное в работе [7] исследование барьерных свойств сплавов, указанных на фиг.4, по отношению к диффузии меди подтвердило предположение, что чем выше теплота образования сплава, тем выше эффективность его диффузионно-барьерных свойств.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в качестве металлида используют W-Ta.

Для достижения результата в состав второго металлида вводится аморфизирующие металлид элементы. В настоящее время известно, что диффузия вдоль границ зерен в поликристаллических материалах имеет наименьшую энергию активации и протекает в десятки раз быстрее, чем объемная решеточная диффузия. В связи с этим именно возникновение диффузии по границам зерен является причиной низкотемпературной деградации барьерного слоя. Одним из способов предотвращения межзеренной диффузии - это использование в качестве материала барьерного слоя аморфных пленок, которые не имеют зерен.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что металлид содержит аморфизирующие металлид элементы.

Для достижения результата в качестве аморфизирующих металлид элементов преимущественно используют Si, Ge, С, N, Р. Из металлургии известно, что аморфизирующими сплавы добавками являются такие элементы, как Si, Ge, С, N, Р и др. [8].

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в качестве аморфизирующих металлид элементов преимущественно используют Si, Ge, С, N, Р.

Для достижения результата в качестве аморфизирующей металлид W-Ta добавки целесообразно использовать кремний, т.к. в этом случае не привносится нежелательная примесь в рабочий слой КНИ-структуры. На фиг.4 представлены полученные авторами результаты экспериментального исследования эффективности барьерных свойств сплавов W-Ta и W-Ta-Si против диффузии алюминия. Как можно видеть, введение в состав сплава аморфизирующей добавки кремния повышает температурную стабильность барьера. Для сплава W-Ta температура деградации составляет примерно 530°С, а для W-Ta-Si - 550°С.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в качестве металлида используют W-Ta-Si.

Для достижения результата в качестве металлида целесообразно использовать сплав W-Ta-Si-N. На фиг.5 представлены полученные авторами температурные зависимости относительного изменения поверхностного сопротивления структур Al/W-Ta-Si-N/Si, в которых сплав W-Ta-Si-N содержит различное количество азота. Из сопоставления данных кривых нетрудно видеть, что температура деградации ДБС из пленки сплава W-Ta-Si-N повышается с увеличением содержания азота в пленке. Этот факт является логичным с точки зрения критерия теплоты образования. С увеличением концентрации азота в сплаве W-Ta-Si-N формируется материал, обладающий более отрицательной теплотой образования, поскольку и W и Та и Si образуют нитриды W₂N, TaN, Si₃N₄ с теплотами образования -5,7, -29,5 и -25,6 ккал/(г·ат) соответственно против -2,7 ккал/(г·ат) в точке минимума зависимости теплоты образования от состава двухкомпонентного сплава W-Ta.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в качестве металлида используют W-Ta-Si-N.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемой структуры. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемой структуры.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

Указанное выполнение предлагаемой структуры приводит к тому, что в структуре кремний-на-изоляторе для СБИС появляется возможность создания как полевых, так и биполярных транзисторов, использующих слои металлидов в качестве скрытого низкоомного слоя в области коллектора, с одновременной защитой от вредных примесей, влияющих на качество и процент выхода годных структур СБИС.

Такая совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки структуры кремний-на-изоляторе для СБИС, приведенной в прототипе.

Пример 1. Структура КНИ содержит пластину кремния КЭФ-4,5 ориентации (100) толщиной 500 мкм, слой термического оксида кремния толщиной 1 мкм, слой дисилицида кобальта толщиной 300 нм с удельным сопротивлением 20 мкОм·см, барьерный слой сплава Ta₃₅W₃₅Si₅N₂₅ толщиной 100 нм с удельным сопротивлением 270 мкОм·см, рабочий слой кремния КЭФ-4,5 ориентации (100) толщиной 2 мкм, в котором сформированы полевые и биполярные транзисторы, изолированные друг от друга заполненными поликремнием углублениями с окисленными стенками.

Литература

[1] International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), Edition 2000.

[2] Электроника НТБ, №2 1999, с.28

[3] Патент РФ №2149482.

[4] Фольмер М. Кинетика образования новой фазы. Пер. с нем. / Под ред. К.М.Горбуновой и А.А.Чернова. - М.: Наука, 1986. - 208 с.

[5] Шебзухов А.А. Поверхностная сегрегация в разбавленных металлических растворах // Поверхность. Физика, химия, механика, 1983, №8, с.13-22.

[6] Miedema A. R., Boom R., De Boer F. R. On the heat of formation of solid alloys // J. Less-Common Metals, 1975, p.283-298.

[7] Громов Д.Г., Евдокимов В.Л., Личманов И.О. Мочалов А.И., Рыжов П.А., Сулимин А.Д. Критерии выбора материалов для диффузионно-барьерных слоев металлизации кремниевых СБИС // Сб. тр. 111-й НТК АООТ “НИИМЭ и завод “Микрон”, 2000. т.1, с.86-95.

[8] Физический энциклопедический словарь. Под ред. А.М.Прохорова // М.: Советская энциклопедия, 1984, - 944 с. (с.408).

Использование: при производстве СБИС, у которых на одном кристалле формируются как полевые, так и биполярные транзисторы. Сущность изобретения: структура кремний-на-изоляторе для СБИС содержит области кремния, изолированные первым слоем диэлектрика друг от друга и вторым слоем диэлектрика от кремниевой подложки, для размещения в них полевых и биполярных транзисторов. Над вторым слоем диэлектрика структура содержит слои первого металлида, возникающего в процессе сращивания пластин, и второго металлида, обладающего свойствами барьера для первого металлида и кремния, используемых в качестве скрытых низкоомных слоев в подложке полевого и в коллекторе биполярного транзисторов. Слой второго металлида обладает свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, ухудшающих свойства областей кремния и параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них. Техническим результатом изобретения является наличие в структуре эффективного барьера между слоем первого металлида и приборным кремниевым слоем как для атомов первого металлида и кремния, так и для примесей, ухудшающих свойства кремниевого слоя и параметры транзисторов в приборном слое. 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Структура кремний-на-изоляторе для СБИС, содержащая области кремния, изолированные первым слоем диэлектрика друг от друга и вторым слоем диэлектрика от кремниевой подложки, для размещения в них полевых и биполярных транзисторов, включающая над вторым слоем диэлектрика слои первого металлида, возникающего в процессе сращивания пластин, и второго металлида, используемых в качестве скрытых низкоомных слоев в подложке полевого и в коллекторе биполярного транзисторов, отличающаяся тем, что слой второго металлида обладает свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, ухудшающих свойства областей кремния и параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них.2. Структура по п.1, в которой в состав второго металлида, обладающего свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, входят элементы в качестве основы второго металлида, обладающие более высокой теплотой сублимации или более низким давлением собственных паров, чем кремний и элементы, образующие первый металлид, а также примеси элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, а сам второй металлид обладает отрицательной энергией образования.3. Структура по п.2, в которой в качестве основы второго металлида используют тугоплавкие металлы W, Та, Nb, Mo, Ti, Ru, Hf, Os, V, Zr, Rh, Re, Ir.4. Структура по пп.2 и 3, в которой в качестве второго металлида используют W-Ta.5. Структура по п.1, в которой второй металлид, обладающий свойствами барьера не только для слоев первого металлида и кремния, но и для элементов, влияющих на свойства областей кремния и определяющих параметры полевых и биполярных транзисторов, изготавливаемых в них, содержит аморфизирующие второй металлид элементы.6. Структура по п.5, в которой в качестве аморфизирующих второй металлид элементов используют Si, Ge, С, N, Р.7. Структура по пп.5 и 6, в которой в качестве второго металлида используют W-Ta-Si.8. Структура по пп.5 и 6, в которой в качестве второго металлида используют W-Ta-Si-N.