Способ формирования межслойной изоляции в производстве интегральных микросхем Советский патент 1992 года по МПК H01L21/324 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии сглаживания топологического микрорельефа кремни- евых подложек в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известен способ хромирования меж- слойной изоляции, включающий химическое осаждение из газовой фазы (моносилан, фосфин, закись азота, кислород) слоя ФСС на кремниевую подложку с топологическим рельефом под активные и

пассивные элементы с углами ступенек 85- 90° и последующее его оплавление в потоке азота при лучистом нагреве подложек галогенными лампами до 1000-1200°С в течение 10-60 с 1.

Недостатком способа является большая длительность задержки оплавления (10-15 с), что вызывает истончение слоя фосфоросиликатного стекла на кромке ступеньки топологического рельефа и, как следствие, снижение пробивных напряжений межслой- ной изоляции интегральных микросхем.

ю о ю

Известен способ формирования меж- слойной изоляции, включающий химическое осаждение из паровой фазы (тетраэтоксисилан, триметилборат, триме- тилфосфат и кислород) слоя ФСС, легиро- ванного бором, на кремниевую подложку с топологическим рельефом под активные и пассивные элементы с углами ступенек 85- -90° и последующее его оплавление в потоке аргона при температуре подложек 900-950°С в течение 30 мин 2.

Недостатком способа является длительная высокотемпературная обработка кремниевых подложек со сформированными в них активными и пассивными элементами интегральных микросхем, которая может вызвать нежелательные изменения их параметров.

Известен способ формирования меж- слойной изоляции, включающий химическое осаждение из газовой фазы (моносилан, фосфин, азот и кислород) слоя ФСС с концентрацией P20s в стекле 3,0-8,5 мас.% на кремниевую подложку с топологическим рельефом, имеющим углы ступенек 85-90°, и последующее оплавление ФСС в потоке азота, насыщенного парами воды, при скорости потока через кипящую воду 4 дм /мин и лучистом нагреве подложек до 1000-1300°С в течение 1-70 с 3.

Недостатками известного способа яв- ляются сильная зависимость процесса оплавления ФСС от концентрации P20s в нем, низкие пробивные напряжения и высокие токи утечки оплавленного слоя стекла.

Целью изобретения является улучше- ние электрофизических параметров изоляции и повышение ресурса работы за счет сокращения времени задержки при оплавлении.

Сущность изобретения заключается в том, что отжиг ФСС проводят в газовой среде, содержащей ионы водорода, фтора и бора. Они внедряются в структурную сетку ФСС и способствуют образованию протяженных линейных структур каркаса ФСС. В этом случае в углах тетраэдров SiCM между ионами водорода, фтора, бора и кислорода образуются прямые ковалентные связи. Высокая электроотрицательность фтора и бора, низкая степень ковалентности связей в этих ионах, низкая валентность водорода и фтора обеспечивают протяженную линейную структуру каркасу ФСС и ослабляют химические связи, что способствует уменьшению вязкости стекла, улучшению смачи- ваемости и растекаемости его по подложке, снижению вероятности образования пор и трещин. Все это способствует улучшению электрофизических параметров ФСС и интегральных микросхем в целом. Указанные преимущества по сравнению с известным достигаются за счет оплавления ФСС в потоке водорода, который пропускают через испаритель с 15-35 мас.%-ным раствором борфтористоводородной кислоты в воде, нагретым до 100°С, поток водорода поддерживают в интервале 120-200 дм3/ч, а нагрев кремниевых подложек осуществляют световым потоком с плотностью мощности на подложке 25-45 Вт/см2.

Использование в качестве газа-носителя водорода, который пропускают через 15-35 мас.%-ный раствор борфтористоводородной кислоты в воде, нагретый до 100°С, а поток водорода поддерживают в интервале 120-200 дм3/ч, обеспечивает необходимый состав газовой среды оплавления, содержащий водород, пары воды и борфтористоводородной кислоты.

Нагрев подложек световым потоком с плотностью мощности на подложке 25-46 Вт/см2 позволяет вызвать фотохимическую реакцию диссоциации молекул борфтористоводородной кислоты на ионы фтора, бора и водорода, а также обеспечить нагрев подложек до 850-1300°С.

Снижение процентного содержания борфтористоводородной кислоты меньше 15 мас,% в растворе не обеспечивает поток водорода тем количеством уносимой в зону реактора кислоты, диссоциация молекул которой создает достаточное количество ионов фтора, бора, водорода, чтобы сформировался протяженный линейный каркас легкоплавкого ФСС, отличающегося малой вязкостью, хорошей текучестью и хорошей смачиваемостью кремниевых подложек. По той же причине нецелесообразно уменьшение скорости потока водорода через испаритель меньше 120 дм3/ч.

Снижение плотности мощности светового потока меньше 25 Вт/см2 не обеспечивает диссоциации молекул кислоты на ионы фтора, бора и водорода, а выполняет лишь функцию нагрева подложек. В этом случае не реализуется эффект образования линейного каркаса ФСС, а следовательно, не достигается та температура вязкотекучего состояния стекла, при котором время задержки при оплавлении достигает минимального значения - 0,5 с.

Увеличение процентного содержания борфтористоводородной кислоты больше 35 мас.% в растворе так же, как и увеличение скорости потока водорода через объем испарителя свыше 200дм3/ч, приводит к избыточному количеству ионов фтора и бора в газовой среде, способному вызвать кристаллизацию ФСС и разделение фаз. Такое

явление нарушает структурное совершенство слоев ФСС, так как в них появляются кристаллические включения, поры, трещины, разнотолщинность, что отрицательно сказывается на величине напряжения электрического пробоя и токов утечки.

Увеличение плотности мощности светового потока больше 45 Вт/см2 увеличивает температуру подложек выше 1300°С, что приводит к интенсивному испарению PaOs из ФСС, увеличению плотности пор и тре- щин в оплавленном слое ФСС, а следовательно, к снижению качества и надежности интегральных микросхем.

Пример. Запущено три серии кремниевых подложек по шесть партий подло- жек в серии и по шестьдесят подложек в партии. В качестве подложек используют пластины кремния КЭФ 4,5 диаметром 100 мм с ориентацией по плоскости {100}.

Все подложки проведены по базовому технологическому маршруту изготовления микросхем К 1824, включающему операции термического окисления кремния, имплантацию ионов фосфора, мышьяка и бора, химического осаждения из паровой фазы при низком давлении пленок поликристаллического кремния, нитрида кремния и нелегированного оксида кремния, создания методом плазменного травления ступенек высотой 0,7 ± 0,1 мкм с углами 85-90°, осаждения слоя ФСС толщиной 0,8 ± 0,2 мкм с содержанием P20s: в первой серии подложек 2,0 мас.% во второй 4,0 мас.% и в третьей 6,0 мас.% методом химического осаждения из газовой фазы при низком дав- лении (40 ± 5 Па), температуре подложек 430 ± 10°С и использовании 10 об.% смесей моносилана с аргоном и фосфина с аргоном и 23 об. % смеси кислорода с аргоном.

На пяти партиях каждой серии подло- жек дальнейшей операцией является оплавление ФСС, затем создание металлизации, вскрытие контактных окон к нижнему уровню разводки и формирование верхнего уровня разводки из алюминия, а на шестой партии из каждой серии подложек - оплавление слоя ФСС по условиям известного способа в потоке азота, насыщенного парами воды, при скорости потока 4,0 дм3/мин, далее создание металлизации, вскрытие контактных окон к нижнему уровню разводки и формирование верхнего уровня разводки из алюминия.

Оплавление слоев ФСС как по предлагаемому, так и по известному способам осу- ществляют в реакторе установки лучистого нагрева типа Эпиквар 122. Нагрев осуществляется от галогенных ламп КГ-220-10003. Транспорт парогазовой смеси в зону расположения подложек осуществляют путем пропускания водорода (предлагаемый) и азота (известный) через испаритель типа тюльпан с захватом паров из объема испарителя. Емкость испарителя 2,5 дм3, площадь сечения 32 см3. Испарители термостатированы и откалиброваны при 100°С на соответствующий расход паров воды и паров раствора борфтористоводород- ной кислоты. Используют деионизованную воду с сопротивлением 20 МОм. 40 мас.%- ную борфтористоводородную кислоту, на основе которой готовят растворы в деиони- зованной воде, мас.%: 14, 15, 25, 35, 37. Захват паров кислоты осуществляют потоком водорода, дм3/ч: 118, 120, 200, 205.

Инициирование фотохимической реакции диссоциации молекул борфтористово- дородной кислоты до ионов фтора, бора и водорода и нагрев подложек до 840, 850, 1000, 1300, 1320°С осуществляют лучистым нагревом световым потоком с плотностью мощности на подложке 24,5, 25, 30, 45, 46 Вт/см соответственно.

После отжига слоя ФСС отключают лучистый нагрев и подача газов через испаритель, реактор продувает азотом, а затем разгружается. Далее выбираются подложки-спутники для определения плотности пор, трещин, толщины слоя, угла оплавления, а остальные подложки с активными и пассивными элементами направляются на формирование металлизации, после чего опять выбираются подложки-спутники, на которых оценивают разрывы-алюминиевой металлизации. Остальные подложки передают на последующие операции в соответствии с маршрутом изготовления микросхем К 1824.

После сборки в корпус микросхемы проверяются на ресурс наработки на отказ, для чего они помещаются в термобаровлагока- меру при влажности 100%, температуре 100°С и давлении 2,2 ати. После заданной выдержки на них оцениваются величина пробивного напряжения, токи утечки и длительность наработки на отказ.

Толщина слоев ФСС, угол оплавления кромок ступенек и обрыв металлизации оцениваются по специальным сколам и косым шлифам, выполненным под углом 1° с использованием растровой электронной микроскопии. Наличие пор и трещин в слоях ФСС устанавливается медно-желатиновым методом. Время задержки при оплавлении слоев ФСС оценивается с помощью дерива- тометрии с шагом подъема температуры оплавления 2,5 С

помощью

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к технологии оплавления фосфоросиликатного стекла в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Целью изобретения . является улучшение Электрофизических параметров фосфоросиликатного стекла и повышение наработки микросхем на отказ за счет сокращения времени задержки при оплавлении. Указанная цель достигается тем, что после осаждения из газовой фазы фосфоросиликатного стекла на кремниевые подложки с топологическим рельефом подложки нагревают световым потоком с плотностью мощности на подложке 25-45 Вт/см2 в газовой среде, содержащей водород, пары воды и пары борфтористой кислоты. Газовую среду формируют пропусканием водорода через испаритель с 15-35 мас.%-ным раствором борфтористоводородной кислоты в воде, нагретым до 100°С, а поток водорода поддерживают в интервале 120-200 дм /ч. (Л С

поверхностного профилометра. Пробивное

напряжение слоев ФСС после оплавления и микросхем после выдержки в термобаров- лагокамере и токи утечки оценивается на установке ИППЛ-2-56.

Экспериментальные данные свидетель- ствуют о том, что по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет существенно улучшить электрофизические параметры межслойной изоляции, снизить на порядок плотность пор и трещин, вдвое уве- личить пробивные напряжения, существенно уменьшить количество обрывов металлизации и увеличить наработку микросхем на отказ на 1800-3500 ч. Указанные преимущества реализуются за счет сокра- щения времени задержки при оплавлении с 2-3 с (известный) до 0,4-0,5 с (предлагаемый).

Благодаря повышению структурных качеств оплавленного слоя ФСС и сокраще- нию времени задержки при оплавлении ФСС появляется возможность уменьшения геометрических размеров элементов тонкопленочных интегральных микросхем, что актуально для повышения степени интеграции и стойкости СБИС к спецвоздействиям. Дополнительным преимуществом изобретения является повышение стойкости интегральных микросхем к воздействию влаги.

Формула изобретения Способ формирования межслойной изоляции в производстве интегральных микросхем, включающий осаждение слоя фосфоросиликатного стекла с содержанием PaOs до 8,5 мас.% из газовой фазы на кремниевые подложки с топологическим рельефом, нагрев подложек световым потоком и оплавление фосфоросиликатного стекла в потоке газа-носителя и паров воды в течение 1-70 с, отличающийся тем, что, с целью улучшения электрофизических параметров изоляции и повышения ресурса работы за счет сокращения времени задержки при оплавлении, нагрев подложек осуществляют световым потоком с плотностью мощности на подложке 25-45 Вт/см, в качестве газа-носителя используют водород, который пропускают через 15-35 мас.%-ный раствор борфтористоводородной кислоты в воде, нагретой до 100°С, а величину потока водорода поддерживают в интервале 120- 200дм3/ч.