СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП-КОНДЕНСАТОРОВ Советский патент 1995 года по МПК H01L21/44 H01L21/18 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления тонкопленочных конденсаторов.

Известен способ изготовления тонкопленочного конденсатора, включающий формирование диэлектрического слоя на поверхности электрода-держателя, служащего нижней обкладкой, формирование верхней обкладки определенной конфигурации, индивидуальную подгонку емкости изготовленного конденсатора к заданному номиналу путем механического, лазерного воздействия или обработки электронным лучом верхней обкладки конденсатора.

Недостатком известного способа является большая трудоемкость процесса индивидуальной подгонки для получения номинала конденсаторов с высокой точностью. Кроме того, подгонка сопровождается потерей площади на кристалле, снижением электрической прочности и стабильности конденсатора.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления МДП-конденсаторов, включающий формирование на поверхности полупроводниковой пластины диэлектрических слоев двуокиси кремния и нитрида кремния и металлических слоев, например, композиции Al-Cu-Si, фотолитографическое формирование топологии верхних металлических обкладок групповым способом, причем расчетные значения толщин диэлектрических слоев и площадей обкладок соответствуют номинальной величине емкости, измерение значений емкости конденсаторов и разделение по классам точности.

Недостатком известного технического решения является низкая воспроизводимость получения изделий заданного класса точности.

Это определяется следующими факторами: погрешностью формирования диэлектрических слоев заданных толщин, уменьшением величины емкости по площади кремниевой пластины от центра к периферии, причем это уменьшение по различным направлениям неоднозначно и носит случайный характер.

Так, для конкретного МДП-конденсатора с конструктивно-технологическими параметрами номинал 320 пФ, допуск на отклонение от номинала ±10 пФ, тип структуры: металл диэлектрик полупроводник с комбинированным диэлектриком SiO₂ + Si₃N₄.

Расчетная площадь перекрытия электродов S_o 3,61 мм², расчетная толщина диэлектрических слоев d 0,33 мкм, d= 0,1 мкм, конструктивный допуск на толщины диэлектрических слоев Δ d 0,0035 мкм, Δ d ±0,01 мкм, технологический допуск на создание расчетных толщин диэлектрических слоев Δd= ±0,01 мкм, Δ d ± 0,01 мкм.

Расчеты показывают величину минимального отклонения полученного значения емкости от номинала 14,38 пФ; -19,5 пФ (то есть + 4,5% -6,1%).

Таким образом, известный способ обеспечивает воспроизводимое изготовление МДП-конденсаторов II класса точности.

Процесс изготовления МДП-конденсатора I и "0" классов точности будет носить невоспроизводимый характер, так как требует практически недостижимых технологических допусков на формирование диэлектрических слоев.

Целью изобретения является обеспечение воспроизводимости изготовления изделий заданного класса точности.

В способе изготовления МДП-конденсаторов, включающем формирование диэлектрических и металлических слоев на поверхности полупроводниковой пластины, формирование топологии верхних металлических обкладок площадью S_o групповым способом, причем толщина диэлектрических слоев и площадь обкладок соответствует требуемой величине емкости, измерение значений емкости конденсаторов и разделение по классам точности, металлические обкладки формируют группами, отличающимися по площади в группе, при этом количество n обкладок в каждой группе определяют согласно выражению:
n · , где Δd_тех1;
Δd_тех2 технологические допуски на формирование диэлектрических слоев толщинами d₁ и d₂;
Δd_к1
Δdк₂ конструктивные допуски на формируемые диэлектрические слои толщинами d₁, d₂ для конденсаторов требуемого класса точности согласно расчета.

Площади обкладок в группе формируют с дискретным отклонением каждой последующей обкладки от предыдущей, начиная с S_o, на величину
± ΔS + , где ΔС_пл усредненная величина отклонения действительных значений емкости по площади пластины от усредненных значений в центральной зоне с радиусом 1/4 радиуса пластины;
ΔС_изм среднеквадратичная погрешность измерения емкости измерительным прибором;
ε_o диэлектрическая постоянная вакуума;
ε₁ ε₂ диэлектрические постоянные диэлектрических слоев;
d₁; d₂ толщины первого и второго диэлектрических слоев, полученных согласно расчету для С_о и S_o.

Указанное выше формирование верхних металлических обкладок МДП-конденсаторов достигается применением разработанного и изготовленного согласно указанным выше выражениям фотошаблона "металл". Фотошаблон представляет собой совокупность матриц, каждая из которых включает n обкладок, площади которых отличны друг от друга на величину дискретного отклонения ΔS каждой последующей от предыдущей, начиная с S_o.

Применение предлагаемого технического решения позволяет в существующих технологических допусках компенсировать вероятностный характер изготовления МДП-конденсаторов "0" и I класса точности.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В соответствии с предлагаемым техническим решением при конструктивно-технологических параметрах МДП-конденсатора как у прототипа, а именно: номинал 320 пФ; допуск на отклонение от номинала ±10 пФ, тип структуры: металл диэлектрик полупроводник с комбинированным диэлектриком SiO₂ + Si₃N₄, расчетная площадь перекрытия электродов S3,61 мм², расчетная толщина диэлектрических слоев d= 0,33 мкм, d 0,01 мкм, конструктивный допуск на толщины диэлектрических слоев Δ d 0,0035 мкм, Δ d 0,01 мкм, технологические допуски на получение расчетных толщин диэлектрических слоев Δ d ±0,01 мкм, Δ d=±0,01 мкм.

Число верхних обкладок составит
n · · 3
Усредненная величина отклонения действительных значений емкости от усредненного значения емкости в центре пластины для МДП-конденсаторов с толщинами слоев SiO₂ 0,33 мкм и Si₃N₄ 0,1 мкм равна 5,12 пФ. Среднеквадратичная погрешность измерений действительных значений емкости 320 пФ на измерителе Е4-11 равна 0,3 пФ. Следовательно, величина дискретного отклонения от расчетного значения площади равна
+ +
Таким образом, в каждой группе необходимо выполнить три обкладки со следующими площадями:
S_o 3,61 (мм²);
S₁ 3,61 + 0,06 3,67 (мм²);
S₂ 3,61 0,06 3,55 (мм²).

По результатам расчетов проектируют и изготавливают фотошаблон "металл" для фотолитографического формирования верхних металлических обкладок МДП-конденсатора. Фотошаблон представляет собой совокупность матриц, каждая из которых включает три обкладки с площадями S_o 3,61 мм², S₁ 3,67 мм² и S₂ 3,55 мм².

Фотолитографическое формирование верхних металлических обкладок МДП-конденсаторов с использованием фотошаблона согласно изобретению позволяет при любых соотношениях параметров диэлектрических слоев SiO₂ и Si₃N₄, лежащих в пределах технологических допусков на их формирование, получать с пластины 2/3 всех конденсаторов, величины емкости которых соответствуют требуемым (320 ± 10) пФ.

В самом деле, при параметрах слоев: d= 0,335 мкм и d 0,095 мкм, С_о 318, 33 пФ; С₁ 323,62 пФ, С₂ 309,51 пФ; при параметрах слоев: d 0,323 мкм и d 0,103 мкм С_о 325,05 пФ, С₁ 330,45 пФ, С₂ 319,65 пФ.

Даже в случае получения предельно допустимых толщин диэлектрических слоев 1/3 всех конденсаторов будем иметь действительные значения емкости, соответствующие требуемым: d 0,32 мкм и d 0,09 мкм, С_о 333,597 пФ, С₁ 339,142 пФ, С₂ 328,053 пФ.

После этого кремниевую подложку р-типа с удельным сопротивлением ρ= 0,005 Ом х см отмывают последовательно в перекисно-аммиачной смеси, промывают в деионизованной воде, сушат и окисляют при температуре 1100 ±1^оС в диффузионной печи в среде сухого (15 мин) влажного (30± 5 мин) и сухого (20 мин) кислорода при расходе 220 л/ч до толщины слоя SiO₂0,330± 0,01 мкм. Контроль толщины диэлектрического слоя SiO₂ производят по контрольной пластине на эллипсометре ЛЭФ-3M с записью значения в сопроводительном листе.

Подложку обрабатывают в перекисноаммиачной смеси, промывают в воде, сушат и на поверхность диэлектрического слоя SiO₂ наносят слой нитрида кремния толщиной 0,1 ±0,01 мкм методом аммонолиза моносилана при температуре 730-750^оС, рабочем давлении 660 мбар на установке "Лада-Н". Контроль толщины диэлектрического слоя производят по контрольной пластине на эллипсометре ЛЭФ-3М.

Уплотнение слоя Si₃N₄ проводят в печи АДС-6-100 при температуре 1025^оС в среде сухого (5 мин) влажного (20 мин) и сухого (5 мин) кислорода.

После отмывки и сушки пластины на поверхность комбинированного диэлектрика методом вакуумного напыления наносят пленку Al толщиной ≈ 0,5 мкм.

На поверхность металлической пленки наносят первый слой фоторезиста, сушат, формируют 1 рисунок изоляционного слоя, дубят фоторезист, наносят второй слой фоторезиста и осуществляют аналогичные операции но с использованием второго, подобного первому, фотошаблона. Пластину передают на операции химического травления пленки Al и ионно-химическое травление двойного слоя SiO₂ Si₃N₄, маскированного двойным слоем фоторезиста и металлической пленки.

После снятия фоторезиста и отмывки пластины в перекисно-аммиачной смеси и деионизованной воде, сушки, на поверхности пластины напыляют вторую проводящую пленку толщиной 1,7±0,15 мкм состава алюминий никель.

Методом фотолитографии с использованием фотошаблона, представляющего совокупность матриц с площадями S_o, S₁, S₂, формируют конфигурацию верхнего электрода и контактной площадки к низкоомной кремниевой подложке. Затем предварительно отмытую подложку со сформированными структурами подвергают термообработке в течение 15 мин при температуре 530 ±1^оС в потоке сухого кислорода.

Далее пластины передают на замер действительных значений емкости изготовленных МДП-конденсаторов и разделение по классу точности.

Применение предложенного способа позволит получать на 20-30% больше МДП-конденсаторов номинала емкости высокого класса точности за счет компенсации разброса толщин при формировании диэлектрических слоев изменением площади перекрытия обкладок по определенной закономерности.

Способ изготовления МДП-конденсаторов. Использование: приборостроение, микроэлектроника. Сущность изобретения: МДП-конденсаторы с многослойным диэлектриком. На полупроводниковую пластину наносят диэлектрические и металлические слои. Формируют группами верхние металлические обкладки. Число обкладок в группе определяют с учетом технологических и конструктивных допусков. Площади обкладок в группе формируют отличающимися по площади на величину ± ΔS Величина ΔS рассчитывается по формуле с учетом параметров, характеризующих диэлектрические слои, погрешности измерения емкостей и величины отклонения значений емкостей по площади пластины.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП-КОНДЕНСАТОРОВ, включающий формирование диэлектрических и металлических слоев на поверхности полупроводниковой пластины, формирование топологии верхних металлических обкладок с площадью обкладки S₀ групповым способом, причем толщины диэлектрических слоев и площади обкладок выбирают из условия соответствия их требуемой величине C₀ емкости конденсаторов, измерение значений емкостей конденсаторов и разделение по классам точности, отличающийся тем, что, с целью воспроизводимости получения конденсаторов заданного класса точности, металлические обкладки формируют группами, отличающимися по площади в группе, при этом число n обкладок в каждой группе определяют согласно выражению

где минимальное технологические допуски на формирование диэлектрических слоев с толщинами d₁ и d₂;
Δd₁ и Δd₂ конструктивные допуски на формируемые диэлектрические слои с толщинами d₁ и d₂ для конденсаторов требуемого класса точности согласно расчету,
а площади обкладок в группе формируют с дискретным отклонением каждой последующей обкладки от предыдущей, начиная с S₀, на величину

где ΔC_пл -усредненная величина отклонения действительных значений емкости по площади пластины от усредненных значений в центральной зоне пластины с радиусом, равным 0,25 от радиуса пластины;
ΔC_изм средняя квадратная погрешность измерения емкостей измерительным прибором;
ε_o диэлектрическая постоянная вакуума;
ε₁ и ε₂ диэлектрические постоянные диэлектрических слоев;
d₁ и d₂ толщины первого и второго диэлектрических слоев, полученных согласно расчету для C₀ и S₀.