Способ изготовления компактного тренч-конденсатора Российский патент 2024 года по МПК H01L23/00 

Изобретение относится к области технологии полупроводниковой электроники и может быть использовано в качестве способа формирования (изготовления) конденсаторов вертикального типа (тренч-конденсаторов), как встроенных в кристаллы интегральных схем (ИС), так и в виде дискретных пассивных элементов.

Известно, что в области производства интегральных схем одной из основных задач является увеличение количества устройств, которые можно разместить в заданном пространстве на полупроводниковом кристалле. По мере того, как традиционные производственные процессы начинают приближаться к своим технологическим пределам, разработчики процессов и устройств все больше обращают свое внимание на ориентацию элементов устройства вертикально в направлении, нормальном к поверхности полупроводниковой пластины, а не в более традиционной горизонтальной ориентации, чтобы воспользоваться преимуществами дополнительной универсальности третьего измерения.

Одним из наиболее успешных вертикально ориентированных интегральных устройств, позволяющих существенно экономить площадь кристалла, является траншейный конденсатор (тренч-конденсатор) [1]. В кремниевой пластине формируется множество канавок (тренчей), затем на стенки и на дно канавок осаждаются диэлектрический материал и первый проводящий материал, такой как слой поликремния, не полностью перекрывающий канавку, и для закрытия оставшейся части канавки осаждается второй слой поликремния. Полупроводниковая подложка (первая обкладка конденсатора) и слой поликремния (вторая обкладка конденсатора) легированы определенными примесями, чтобы сделать их проводящими, что позволяет сформировать 3D-конденсатор. Диэлектрический слой предпочтительно состоит из одного или нескольких материалов, имеющих очень высокую диэлектрическую проницаемость и низкие токи утечки. Примеры материалов включают оксид кремния (SiO₂) и нитрид кремния (Si₃N₄). Si₃N₄ обычно предпочтительнее из-за его лучших диэлектрических свойств, чем SiO₂. Многочисленные другие диэлектрические материалы для конденсаторов разрабатывались и разрабатываются с целью удовлетворения все более строгих требований, связанных с производством конденсаторных устройств все меньшего и меньшего размера, используемых в интегральных схемах с более высокой плотностью. Однако большинство этих материалов усложняют технологический процесс или увеличивают его стоимость по сравнению с использованием обычных конденсаторных диэлектрических материалов Si₃N₄ и SiO₂. Когда интегральные схемы формируются на полупроводниковых подложках для использования в высоковольтных приложениях, компоненты интегральных схем должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокие напряжения, которые присутствуют в силовых приложениях. Например, конденсаторы интегральных схем должны выдерживать напряжения порядка 100-500 вольт.

Известен способ [2] изготовления конденсаторной структуры с глубокой канавкой, процесс и конструкция обеспечивают структуру 3D-конденсатора, которая интегрирована в биполярную схему отдельно или совместно с краевым конденсатором. Для обеспечения высоких пробивных напряжений в качестве диэлектрика применяются толстые слои SiO₂ от 1000 до 10000 Å (Å - ангстрем) и Si₃N₄ от 200 до 1300 А при совместном нанесении или по отдельности. В 3D-конденсаторах боковые стенки, дно и углы тренчей располагаются в разных кристаллографических плоскостях кремния, и из-за влияния ориентации на скорость окисления [3] пробивные напряжения конденсатора с диэлектриком из SiO₂ в тренче минимум в 1,5-2 раза ниже, чем на плоской поверхности. При использовании слоя Si₃N₄ пробивные напряжения отличаются значительно меньше.

Недостатком предложенного решения является тот факт, что слой Si₃N₄ имеет очень большие механические напряжения, и толщина его осаждения без подслоя окисла ограничена 80-100 нм, позволяя изготавливать конденсаторы только с низким пробивным напряжением (не более 60-80 вольт), кроме того диэлектрическая проницаемость оксида кремния по сравнению с нитридом кремния имеет низкие значения 3,9 против 7,0 [4] и, учитывая, что в тренч-конденсаторах будут использоваться толстые слои оксида кремния, то значения удельной емкости будут низкие.

Известен способ [5] (далее - прототип) изготовления тренч-конденсатора с уменьшенным короблением пластин. В процессе изготовления конденсаторных структур с множеством глубоких канавок может возникать коробление пластин, как из-за процесса глубокого травления канавки, так и из-за процесса заполнения канавки поликремнием и диэлектрическим слоями, которые изменяют распределение напряжения в пластине. В прототипе показано, что даже для низковольтных тренч-конденсаторов высокой плотности необходимо проводить выбор и оптимизацию используемых слоев и их комбинаций с целью минимизации суммарных напряжений. В прототипе предложен способ минимизации механических напряжений в тренч-конденсаторах за счет осаждения двухслойного поликремния с разными механическими напряжениями, однако при таком способе необходимо гарантировано иметь границу между двумя поликремниями без следов оксида кремния, которые могут привести к ухудшению контакта к первому слою поликремния. Наличие тонких слоев оксида кремния трудно контролировать и далеко не все оборудование для осаждения пленок поликремния может гарантировать отсутствие следов оксида кремния на границе раздела между двумя поликремниями. Очень тонкий слой оксида кремния, образовавшийся между двумя слоями поликремния, имеет еще и не сплошную пленку (пористую) и при выполнении операции плазмохимического травления (ПХТ) верхнего слоя поликремния с селективностью к слою оксида кремния происходит неконтролируемый затрав в слой первого поликремния через поры в слое оксида кремния, что может приводить к ухудшению первого слоя поликремния, а то и к браку. Кроме того, для повышения пробивных напряжений тренч-конденсатора предлагается в качестве диэлектрического слоя вместо слоя S₃N₄, имеющего механические напряжения, использовать слой нестехиометрического нитрида кремния (Si_xN_y) - нестандартный материал для микроэлектроники, но стандартный для микромеханических систем (МЭМС) материал, имеющий механические напряжения на порядок меньше [6].

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа формирования 3D-тренч-конденсаторов с уменьшенными механическими напряжениями за счет осаждения 2 слоев поликремния с механическими напряжениями растяжения, выращивания разделительного слоя оксида кремния между слоями поликремния с механическими напряжениями сжатия и использование в качестве диэлектрика слоя Si_xN_y с меньшими механическими напряжениями растяжения, чем у слоя Si₃N₄.

Техническим результатом предлагаемого способа является:

- снижение механических напряжений в кремниевой пластине с формируемыми 3D-тренч-конденсаторами за счет осаждения двух слоев поликремния с механическими напряжениями растяжения, выращивания разделительного слоя оксида кремния между слоями поликремния с механическими напряжениями сжатия и использование в качестве диэлектрика слоя нитридов кремния Si₃N₄ без подслоя оксида кремния, что позволит изготавливать 3D-тренч-конденсаторы с высокой удельной емкостью;

- увеличение пробивного напряжения 3D-тренч-конденсаторов, без усложнения технологии его формирования за счет осаждения слоя нестехиометрического нитрида кремния Si_xN_y большой толщины (от 1000 до 5000 Å) с уменьшенными механическими напряжениями растяжения;

- возможность формирования контакта к первой обкладке конденсатора как с верхней, так и с нижней стороны подложки.

Заявленный способ изготовления компактного тренч-конденсатора включает последовательность технологических операций. Подробное описание предпочтительных вариантов его воплощения приведено ниже и поясняется на чертежах (фиг. 1-10).

На фиг. 1-10 показаны этапы процесса предпочтительного варианта изготовления тренч-конденсатора по настоящему изобретению. На первом этапе слой оксида кремния (фиг. 1, поз. 1) выращивают на лицевой стороне подложки (фиг. 1, поз. 2) из легированного полупроводника N-типа (например, кремния (Si) марки КЭМ ориентации <100> с удельным сопротивлением 0,004 Ом⋅м, обозначим в заявке, как (КЭМ 0,004)), затем осаждают слой нитрида кремния (фиг. 1, поз. 3), формируют маску фоторезиста (фиг. 1, поз. 4) активных областей под тренч-конденсаторы и проводят операцию плазмохимического травления (ПХТ) слоя нитрида кремния (фиг. 1, поз. 3) селективно к слою оксида кремния (фиг. 1, поз. 1).

После того, как слой нитрида кремния сформирован, подложку (фиг. 2, поз. 2) помещают в печь для окисления, и между областями слоя нитрида кремния (фиг. 2, поз. 3) выращивают толстые оксидные области (фиг. 2, поз. 5) с использованием процесса локального окисления кремния (LOCal Oxidation of Silicon (LOCOS)). В дальнейшем оксидные области (фиг. 2, поз. 5) обеспечивают изоляцию между тренч-конденсаторами, сформированными в подложке (фиг.2, поз. 2). Оксидные области (фиг. 2, поз. 5) выращивают толщиной 7000 Å. После этого нитридный слой (фиг. 2, поз. 3) удаляют с помощью горячей фосфорной кислоты, имеющей высокую селективность к оксиду кремния.

Затем оксидный слой (фиг. 2, поз. 1) удаляют, а другой оксидный слой (фиг.3, поз.6) выращивают в промежутках между оксидными областями (фиг. 3, поз. 5). Оксидный слой (фиг. 3, поз. 6) выращивают до толщины 500 Å.

На следующем этапе процесса формируют маску с использованием фоторезиста (фиг. 4, поз. 8) толщиной 2,4 мкм для формирования областей с множеством тренчей (фиг. 4, поз. 7). Размер тренча может быть от 1 до 4 мкм. Затем проводят операцию ПХТ SiO₂ на глубину 500 Å и ГГХТ подложки (фиг. 4, поз. 2) Si на глубину 10-50 мкм. После этого проводят операцию окисления [7] и стравливания оксида кремния в буферном травителе [8] для дополнительной очистки тренчей. При стравливании оксида кремния в тренчах удалится и слой оксида кремния (фиг. 4, поз. 6) с поверхности подложки (фиг. 4, поз. 2). Затем проводят операцию диффузии фосфора из газовой фазы при температуре 850-950°С, для формирования слоя, легированного фосфором (фиг. 4, поз. 9) на всех поверхностях множества тренчей, и на областях кремниевой подложки (фиг. 4, поз. 2), незащищенных слоем оксида кремния (фиг. 4, поз. 5). Этот слой является первой обкладкой тренч-конденсатора.

Затем слой Si_xN_y в областях кремниевой подложки (фиг. 5, поз. 10) наносят поверх слоя, легированного фосфором (фиг. 5, поз. 9) с использованием химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (англ. Low pressure chemical vapor deposition - LPCVD) при соотношении газов - дихлорсилан (SiH₂Cl₂): аммиак (NH₃) от 3:1 до 6:1 [6] и толщиной от 1000 до 5000 Å.

Затем выполняют операцию химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (LPCVD) первого слоя поликремния (фиг. 6, поз. 11) для формирования второй обкладки тренч-конденсатора поверх слоя (фиг. 6, поз. 10). Первый слой поликремния легируют легирующей примесью N-типа в процессе диффузии фосфора из жидкого источника с использованием оксихлорида фосфора (POCl₃) с последующим удалением слоя фосфоросиликатного стекла [9]. Первый слой поликремния (фиг. 6, поз. 11) должен обеспечивать частичное заполнение тренчей (фиг. 4, поз. 7). Далее проводят операцию формирования слоя оксида кремния (фиг. 6, поз. 12) на первом слое поликремния (фиг. 6, поз. 11) при температуре 850-1000°С. После частичного окисления при указанной температуре первого слоя поли кремния (фиг. 6, поз. 11) проводят операцию осаждения второго слоя поликремния (фиг. 6, поз. 13) до полного заполнения тренчей поверх слоя оксида кремния (фиг. 6, поз. 12). Результаты операций показаны на фиг. 6.

После ПХТ слоя второго поликремния (фиг. 7, поз. 13) селективно к окислу образуется множество вторых слоев поликремния (фиг. 7, поз. 13), каждый из которых заполняет соответствующий тренч из множества тренчей вплоть до верхней поверхности первого слоя поликремния (фиг. 7, поз. 11). Затем проводят операцию стравливания в буферном травителе [8] слоя оксида кремния (фиг. 7, поз. 12) с первого слоя поликремния (фиг. 7, поз. 11).

На фиг. 8 показан, результат выполнения операций по формированию второй обкладки конденсатора, а именно: операции формирования маски (фиг. 8, поз. 14), назовем эту сформированную маску «Поликремниевая обкладка», операции ПХТ слоев: первого слоя поликремния (фиг. 8, поз. 11) и слоя нитрида кремния или нестехиометрического нитрида кремния (фиг. 8, поз. 10) до слоя, легированного фосфором (фиг. 8, поз. 9) - первая обкладка конденсатора, в подложке (фиг. 8, поз. 2).

На фиг. 9 показан тренч-конденсатор, включающий контактное окно (фиг. 9, поз. 15) ко второй обкладке (первого слоя поликремния (фиг. 9, поз. 11)) тренч-конденсатора и контактное окно (фиг. 9, поз. 16) к первой обкладке (слоя, легированного фосфором (фиг. 9, поз. 9)) тренч-конденсатора с лицевой стороны подложки (фиг. 9, поз. 2). Контактные окна формируют в слое борофосфоросиликатного стекла (фиг. 9, поз. 18) (БФСС) через маску фоторезиста (на фиг. 9 не показана) в процессе ПХТ SiO₂ селективно к кремнию. Контактные окна (фиг. 9, поз. 15) и (фиг.9, поз.16) заполняют металлом и сверху осаждают слой пассивирующего покрытия (фиг. 9, поз. 19).

Такое расположение контактов тренч-конденсатора является лишь одним из по меньшей мере двух возможных вариантов расположения контактов. Во втором варианте расположения контактов тренч-конденсатора контактное окно (фиг. 10, поз. 15) ко второй обкладке выполняют с лицевой стороны подложки, а в качестве второго контактного окна используют обратную строну подложки (фиг. 10, поз. 20). Контакт к первой обкладке конденсатора включает утонение путем шлифовки обратной стороны подложки, а затем выполняют напыление металлов на обратную сторону подложки (фиг. 10, поз. 20).

Пример реализации

В рамках научно-исследовательских работ по предлагаемому изобретению были разработаны и испытаны 3D-тренч-конденсаторы емкостью 70 пФ с пробивными напряжениями 80-90 В, интегрированные в интерпозер.

В рамках опытно-конструкторских работ по предлагаемому способу были разработаны и испытаны семь типономиналов (22 пФ, 100 пФ, 330 пФ, 470 пФ, 680 пФ, 1000 пФ и 10000 пФ с максимальным значением рабочего напряжения 50 В) 3D-тренч-конденсаторов.

В процессе реализации предложенного способа было изготовлено более 100 пластин диаметром 150 мм. Ни на одной пластине прогиб пластин не превысил норму, таким образом предложенный способ заполнения 3D-тренч-конденсатора двумя слоями поликремния с механическими напряжениями растяжения, разделенных слоем оксида кремния с механическими напряжения сжатия обеспечивает уравновешивание механических напряжений.

Предложенный способ заполнения 3D-тренч-конденсатора с двумя слоями поликремния, разделенных слоем оксида кремния (толщиной 100 нм), причем первый слой поликремния (толщиной 390 нм) частично заполняет тренчи и легируется в процессе диффузии фосфора из газовой фазы, а второй слой поликремния (толщиной 1000 нм) не легируется, позволяет осуществить реализацию 3D-изделий (тренч-конденсаторов, тренч IGBT, тренч MOSFET, тренч диодов Шоттки и т.д.) с глубокими тренчами на любом типе оборудования для химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении (LPCVD) без применения процесса легирования поликремния в процессе его роста.

Разделительный слой оксида кремния между двумя слоями поликремния, позволяет использование известного процесса ПХТ второго слоя поликремния селективно к слою оксида кремния с контролем окончания процесса по датчику, а не по времени как у прототипа, что обеспечивает контролируемое вытравливания второго слоя поликремния без затравливания в первый слой поликремния.

Суммарные механические напряжения предложенного способа заполнения тренчей позволяют использовать в качестве диэлектрика слой нитрида кремния толщиной до 120 нм без подслоя оксида кремния, что значительно увеличивает удельную емкость 3D-тренч-конденсатора и его стойкость к перенапряжению. На изготовленных 3D-тренч-конденсаторах с толщиной 120 нм были получены пробивные напряжения 80-90 В (при токе 1 мкА), удельная емкость составила 4,5-5 нФ/мм² при глубине тренча 13 мкм. Применение вместо слоя нитрида кремния нестихиометрического нитрида кремния Si_xN_y позволило без усложнения технологии значительно увеличить пробивные напряжения 3D-тренч-конденсатора. Так при осаждении слоя Si_xN_y толщиной 250 нм при соотношении газов дихлорсилан (SiH₂Cl₂): аммиак (NH₃) 5:1 и температуре осаждения 790°С механические напряжения растяжения составили 800 МПа, что в 1,4 раза ниже, чем для пленки Si₃N₄ толщиной 120 нм. На изготовленных 3D-тренч-конденсаторах с толщиной пленки Si_xN_y 250 нм были получены пробивные напряжения 170-190 В (при токе 1 мкА).

Использование низкоомной подложки 2 (КЭМ 0,004), высоколегированного слоя первого поликремния и в качестве диэлектрика слоев Si₃N₄, Si_xN_y, позволило получить 3D-тренч-конденсаторы с низкими значениями эквивалентного последовательного сопротивления (англ. Equivalent Series Resistance - ESR) и низкими значениями температурного коэффициента емкости (ТКЕ). Значение ESR для 3D-тренч-конденсатора типономинала 100 пФ составило 0,95 Ом, воспроизводимость (англ. reproducibility - близость друг к другу отдельных значений в серии результатов повторных (параллельных) измерений) ТКЕ конденсатора типономинала 100 пФ составила - 0,6-1,1% при изменении температуры от -60 до +125°С. График зависимости емкости С от температуры Т в градусах Цельсия типономинала 100 пФ представлен на фиг. 11.

3D-тренч-конденсаторы, изготовленные по предлагаемому способу за счет использования высокотехнологичных процессов фотолитографии, ПХТ, осаждения слоев, диффузии, напыления имеют высокую точность и повторяемость параметров. На изготовленных пластинах воспроизводимость номинала емкости по пластине составила +-8%, по партии +-12%, по пакету (4 пластины) +-15%, при норме +-20%.

Источники информации

1. https://www.murata.com/-/media/webrenewal/products/capacitor/siliconcapacitors/technical/technology/integ rated_passive_devices _and_tsv.ashx?la=en.

2. Патент США US8269265 (В2) Trench capacitor for high voltage processes and method of manufacturing the same.

3. O.B. Александров, А.И. Дусь. Эффект ориентации поверхности кремния в модели объемного термического окисления. Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып.10.

4. В.А. Гриценко. Электронная структура нитрида кремния. Успехи физических наук. Том 182 №5, май 2012 г.

5. Патент США N US 10559650 В2, Feb. 11, 2020. Trench capacitor with warpage reduction.

6. И.И. Рубцевич, H.C. Ковальчук «Оптимизированная конструкция датчика газового анализатора с уменьшенным энергопотреблением». Доклады БГУИР 2009 №4 (42), с. 65-70.

7. Патент США US5863827 (A). Oxide deglaze before sidewall oxidation of mesa or trench.

8. C.O. Ранчин, И.В. Кирюшина. Свойства буферного травителя оксида кремния и особенности его использования в технологии интегральных схем. Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника, Выпуск I (165) 2017, стр. 38-43.

9. М.Н. Вильдяева, Э.А. Макарова, Е.А. Климанов, А.В. Ляликов, В.А. Малыгин. Влияние режимов диффузии фосфора на формирование дефектов в окисле Прикладная физика, 2021, №5.

Использование: изобретение относится к области технологии полупроводниковой электроники и может быть использовано в качестве способа формирования (изготовления) конденсаторов вертикального типа (тренч-конденсаторов) как встроенных в кристаллы интегральных схем (ИС), так и в виде дискретных пассивных элементов. Сущность: способ изготовления компактного тренч-конденсатора включает формирование области оксидного слоя на поверхности кремниевой подложки, формирование на поверхности кремниевой подложки области контакта к первой обкладке конденсатора, формирование множества глубоких тренчей в оксидном слое и в кремниевой подложке, легирование внутренней поверхности глубоких тренчей канавки, которая выполняет роль первой обкладки тренч-конденсатора, формирование диэлектрического слоя из нестехиометрического нитрида кремния на внутренней поверхности глубоких тренчей и на части поверхности подложки, прилегающей к глубокой канавке, формирование первого слоя поликремния, легированного диффузией фосфора из жидкого источника с использованием оксихлорида фосфора для формирования второй обкладки тренч-конденсатора, формирование слоя оксида кремния на первом слое поликремния его частичным окислением и осаждение второго слоя поликремния для заполнения множества тренчей. Технический результат: снижение механических напряжений в кремниевой пластине, увеличение пробивного напряжения 3D-тренч-конденсаторов, без усложнения технологии его формирования, возможность формирования контакта к первой обкладке конденсатора как с верхней, так и с нижней стороны подложки. 11 ил.

Способ изготовления компактного тренч-конденсатора, включающий операции: формируют множество тренчей в поверхностном слое легированной полупроводниковой подложки; формируют диэлектрический слой, покрывающий поверхность множества тренчей; осаждают первый нелегированный слой поликремния на диэлектрический слой; осаждают второй нелегированный слой поликремния для заполнения множества тренчей; проводят травление поликремния на верхней стороне подложки с использованием маски фоторезиста для травления поликремния в областях, расположенных сбоку от множества канавок, отличающийся тем, что после формирования множества тренчей и до формирования диэлектрического слоя проводят операцию диффузии фосфора из газовой фазы для формирования слоя, легированного фосфором на всех поверхностях множества тренчей, и на областях кремниевой подложки для формирования первой обкладки тренч-конденсатора, формируют диэлектрический слой из нестехиометрического нитрида кремния, после осаждения первого слоя поликремния его легируют диффузией фосфора из жидкого источника с использованием оксихлорида фосфора для формирования второй обкладки тренч-конденсатора, затем формируют слой оксида кремния на первом слое поликремния его частичным окислением и только после этого осаждают второй слой поликремния для заполнения множества тренчей, при этом первый и второй слои поликремния имеют механические напряжения растяжения, а оксид кремния механические напряжения сжатия.