СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС Российский патент 2004 года по МПК H01L21/762 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время в производстве ИМС широкое распространение получила щелевая изоляция ИМС. Зарубежная электронная техника, N10, 1987, с.3-55 /1/.

Известны способы изоляции ИМС, включающие травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке, формирование на вертикальных стенках щелей диэлектрических слоев, легирование дна щелей примесью одного типа проводимости с подложкой, заполнение щелей диэлектрическим или полупроводниковым материалом путем осаждения последних при пониженном давлении. Пат. США № 4104086, кл.148-15, опуб. 1978 121, пат. США № 4235207, кл.148-174, опуб. 1981 /3/, а.с. № 1060066, H 01 L 21/76, опуб. бюл. № 9, 1996 /4/, а.с. № 1111634, H 01 L 21/82, опуб. бюл. № 10, 1996 /5/, a.c. № l340500, H 01 L 21/76, опуб. бюл. N 11, 1996 /6/.

Недостатком вышеуказанных щелевых способов формирования изоляции элементов является: а) наличие вертикального клюва в щели, т.е. при заполнении щелей появляется микрорельеф относительно подложки, достигающий толщины осажденного слоя. Далее для удаления выросшего слоя на подложке применяется, например, ПХТ, химико-механическая или химико-динамическая полировка. При удалении слоя с подложки ПХТ или химико-динамической полировкой микрорельеф переносится на щели, что приводит к обрывам металлизированной разводки. При химико-механической полировке микрорельеф не переносится на щели, однако удлиняется процесс производства ИМС, а также неопределенность глубины травления щели в подложку приводит к ухудшению пробивных напряжений р-n переходов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ по а.с. №1060066, H 01 L 21/76, опуб. бюл. №9, 1996 г., включающий формирование в кремниевой подложке скрытых слоев первого и второго типов проводимости, эпитаксиального слоя, диэлектрических слоев, травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и в подложке, на глубину равную ширине обедненного заряда донной части р-n перехода скрытый слой - подложка, обеспечивающее вертикальность вытравленных щелей, формирование диэлектрических слоев на вертикальных стенках щелей, подлегирование дна щели примесью одного типа проводимости с подложкой, заполнение щели диэлектрическим или полупроводниковым материалом путем осаждения последних при пониженном давлении до планарности по всей поверхности подложки с последующей планаризацией осажденного слоя до планарности с изолированными областями, формирование в изолированных областях известными методами активных и пассивных элементов ИМС.

К недостаткам прототипа относится:

а) осаждение слоев при пониженном давлении до планарности по всей поверхности подложки требует большой толщины слоя. Например, при ширине щели L=1 мкм и непланарности рельефа d=200 толщина осажденного слоя составляет 6 мкм, при d=200 толщина осажденного слоя составляет 6 мкм. Так при осаждении поликремния для заполнения щели (при скорости роста 0,6 мкм/час, наибольшая скорость осаждения из всех слоев) в первом случае необходимо затратить время 11-12 час, а во втором - 110-120 час;

б) при химико-механической полировке поликремния (скорость полировки 0,1 мкм/час) время полировки по сравнению с временем осаждения слоя увеличивается в 6 раз, что становится экономически невыгодно при производстве ИМС.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение технологического цикла изготовления ИМС и повышение процента выхода годных из-за уменьшения обрывов металлизации на микрорельефа за счет осаждения оптимальной толщины слоя при пониженном давлении для формирования заданного микрорельефа по пластине.

Поставленная задача решается в способе формирования изоляции элементов включающем формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости областей первого и второго типов проводимости, эпитаксиального слоя, диэлектрических слоев, травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и в подложке, на глубину равную ширине обедненного заряда донной части р-n перехода скрытый слой-подложка, обеспечивающее вертикальность вытравленных щелей, формирование диэлектрических слоев на вертикальных стенках щелей, подлегирование дна щелей примесью одного типа проводимости с подложкой, причем для заполнения щели осаждают слой при пониженном давлении, толщина которого определяется заданным микрорельефом структуры по формуле h_c=1/2(L²/4d+d), где h_с - толщина осаждаемого слоя; L - ширина щели; d - микрорельеф структуры; а затем осуществляют планаризацию осажденного слоя химико-механической полировкой и ПХТ до планарности с изолированными областями и в полученных изолированных областях известными методами формируют активные и пассивные элементы ИМС.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является осаждение оптимальной толщины слоя от задаваемого микрорельефа структуры, что позволяет сократить цикл изготовления ИМС и увеличить выход годных ИМС за счет предотвращения обрывов металлизированной разводки. Следует отметить, что толщина осаждаемого слоя зависит и от ширины щели. Например, для получения микрорельефа 600 для щели L=1 мкм h_с=2,1 мкм, а для L=2 мкм h_с=8,2 мкм. Возникновение микрорельефа структуры при заполнении щели происходит из-за конформности осаждаемых слоев при пониженном давлении. Встречный рост слоев на вертикальных стенках при их схлопывании дает образование вертикального клюва. Микрорельеф структуры имеет максимальное значение при схлопывании осажденного слоя и равняется толщине слоя. По мере увеличения толщины слоя микрорельеф структуры уменьшается. Предложенная зависимость микрорельефа структуры от толщины слоя заранее определяет оптимальные условия изготовления ИМС.

Изобретение поясняется фиг.1-2. На фиг.1: 1 - диэлектрический слой; 2, 3, 4, 5, 6, 7 - последовательно осажденные слои; AB=L/2, при h_c=AB=L/2 микрорельеф над щелью равняется: d=L/2. AC=h_c2+h_с3+h_c4+h_c5 - толщина осажденного слоя, при котором микрорельеф над щелью равняется d₁. AD=h_c2+h_с3+h_c4+h_c5+h_с6 - толщина осажденного слоя, при котором микрорельеф над щелью равняется d₂. Из фиг.1, на которой представлена эволюция микрорельефа структуры щели при осаждении слоев при пониженном давлении, выведена предложенная формула. Из треугольника ABF: AF=AF₁=h_c; над центром щели; AF₁-BF=d, h_c-BF=d, с другой стороны , откуда ; , h_c=l/2(L²/4d+d). Ha фиг.2 представлена номограмма, по которой определяется толщины слоев для заполнения щелей линейных размеров L=1 мкм, L=2 мкм, L=3 мкм при заданном микрорельефе над щелью, рассчитанной по предложенной формуле:

h_c=1/2(L²/4d+d)

Пример.

В монокристаллической кремниевой подложке р-типа проводимости формировали сплошной скрытый слой n⁺ типа проводимости с R_s=(25-35 ) Oм/кв. и глубиной (2-3) мкм. Наращивали эпитаксиальный слой кремния n типа R_v=(0,8-1,5) Ом· см, толщиной (2-3) мкм. На эпитаксиальном слое формировали диоксид кремния (0,5-0,6) мкм и методом фотохемографии в последнем вскрывали окна линейных размеров 1 мкм и с помощью ПХТ в парогазовой смеси SF₆+СF₃ при давлении (5-7) мм рт.ст. формировали щель в эпитаксиальном, скрытом слоях и частично в подложке на глубину (1-1,5) мкм. На щели формировали диоксид кремния из ТХЭ+О₂ 0,05 мкм и нитрид кремния 0,12 мкм из ДХС+NН₃ при давлении (15-20) Па. РИТ удаляли со дна щелей диэлектрик и формировали противоканальные области р типа имплантацией ионов бора с Е=50 кэВ и Д=10 мкКул/см². Щель заполняли поликристаллическим кремнием при Т=620° С пиролизом моносилана при давлении 40 Па. Задавались микрорельефом над щелью 400 , а толщину слоя определяли по формуле h_c=1/2(L²/4d+d)=3,145 мкм. При скорости роста поликремния 0.6 мкм/час время осаждения составило 5,3 часа. Далее химико-механической полировкой удаляли слой поликремния толщиной 600 в течение 40 мин, потом ПХТ травили оставшийся слой в парогазовой смеси SF₆+О₂ при давлении (2-3) Па в течение 12,5 мин. Вне щелей удаляли диоксид кремния, формировали на всей подложке диоксид кремния и в изолированных областях известными методами формировали коллекторную, базовую и эмиттерную области с последующей их металлизацией.

Использование: в микроэлектронике. Сущность изобретения: способ включает следующие операции: формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости областей первого и второго типов проводимости, эпитаксиального слоя, диэлектрических слоев, травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и в подложке на глубину, равную ширине обедненного заряда донной части р-n перехода скрытый слой - подложка, обеспечивающее вертикальность вытравленных щелей, формирование диэлектрических слоев на вертикальных стенках щелей, легирование дна щели примесью одного типа проводимости с подложкой, заполнение щели слоем при пониженном давлении, толщина которого определяется заданным микрорельефом структуры по формуле h_c=1/2(L²/4d+d), где h_c - толщина осаждаемого слоя; L - ширина щели; d - микрорельеф структуры; осуществляют планаризацию осажденного слоя химико-механической полировкой и плазмохимическим травлением до планарности со щелью и в изолированных областях известными методами формируют активные и пассивные элементы ИМС. Техническим результатом изобретения является уменьшение технологического цикла изготовления ИМС и повышение процента выхода годных из-за уменьшения обрывов металлизации на микрорельефе за счет осаждения оптимальной толщины слоя при пониженном давлении для формирования заданного микрорельефа по пластине. 2 ил.

1. Способ формирования изоляции элементов ИМС, включающий формирование в кремниевой подложке первого типа проводимости областей первого и второго типов проводимости, эпитаксиального слоя, диэлектрических слоев, травление щелей в эпитаксиальном, скрытом слоях и в подложке на глубину, равную ширине обедненного заряда донной части р-n перехода скрытый слой - подложка, обеспечивающее вертикальность вытравленных щелей, формирование диэлектрических слоев на вертикальных стенках щелей, легирование дна щели примесью одного типа проводимости с подложкой, заполнение щелей, планаризацию, отличающийся тем, что для заполнения щели осаждают слой при пониженном давлении, толщина которого определяется заданным микрорельефом структуры по формуле

h_c=1/2(L²/4d+d),

где h_c - толщина осаждаемого слоя;

L - ширина щели;

d - микрорельеф структуры,

а планаризацию осуществляют в два этапа путем химико-механической полировки осажденного слоя на толщину заданного микрорельефа, а затем ПХ травлением удаляют оставшийся осажденный слой до планарности с щелью и в изолированных областях известными методами формируют активные и пассивные элементы ИМС.