СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР СО СТУПЕНЧАТЫМ ПРОФИЛЕМ ОСТРОВКОВ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/308 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии изготовления интегральных схем, и может быть использовано для изготовления биполярных интегральных схем.

Цель изобретения повышение выхода годных за счет увеличения воспроизводимости линейных размеров островков поликристаллического кремния и уменьшения вероятности обрывов в слое межкомпонентной разводки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния, включающем формирование на полупроводниковой подложке пленки двуокиси кремния и последующее нанесение слоя поликристаллического кремния, формирование фоторезистивной маски над поверхностью будущих островков поликристаллического кремния, несквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью по отношению к фоторезистивной маске, травление фоторезистивной маски для изменения ее конфигурации, сквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью по отношению к фоторезистивной маске и пленке двуокиси кремния, удаление фоторезистивной маски, формирование пассивирующего покрытия на островках поликристаллического кремния, формирования слоя межкомпонентной разводки, травление фоторезистивной маски проводят селективно по отношению к слою поликристаллического кремния, а конфигурацию маски изменяют путем образования уступа относительно края островка поликристаллического кремния, причем ширина уступа, глубина несквозного анизотропного травления поликристаллического кремния, толщина слоя межкомпонентной разводки и толщина слоя поликристаллического кремния связаны соотношением:
h_пкк-h_разв.+h_{крит. разв.} < x < h_разв.-h_{крит. разв.} (1)
где h_пкк толщина слоя поликристаллического кремния;
x ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островка поликристаллического кремния или глубина несквозного анизотропного травления слоя поликристаллического кремния;
h_разв. толщина слоя межкомпонентной разводки;
h_{крит. разв.} минимально допустимая толщина сплошного слоя межкомпонентной разводки.

Суть предложения заключается в том, что предлагаемый способ изготовления полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния решает сразу две задачи: 1) обеспечивает воспроизводимость линейных размеров островков поликристаллического кремния и 2) формирует такой профиль островка поликристаллического кремния, который уменьшает вероятность появления обрывов в слое межкомпонентной разводки при прохождении ее через полученную структуру. Причем, если первая задача решается с использованием известных способов анизотропного травления слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью к фоторезистивной маске и пленке двуокиси кремния, то вторая задача решается таким образом, что крутизна боковой стенки островка поликристаллического кремния не оказывает существенного влияния, поскольку формируемый ступенчатый профиль островка поликристаллического кремния разбивает задачу огибания межкомпонентной разводкой полученной структуры на два этапа. Первый этап огибание межкомпонентной разводкой уступа пленка двуокиси кремния ступенька слоя поликристаллического кремния, второй этап огибание межкомпонентной разводкой уступа ступенька слоя поликристаллического кремния поверхность слоя поликристаллического кремния. Причем перепад высот между поверхностью ступеньки поликристаллического кремния и пленкой двуокиси кремния, а также верхней поверхностью слоя поликристаллического кремния и поверхностью ступеньки выбирается заведомо меньшим, чем толщина межкомпонентной разводки. Поэтому электрическое соединение между частями междукомпонентной разводки, лежащими на пленке двуокиси кремния, на поверхности ступеньки слоя поликристаллического кремния и на верхней поверхности слоя поликристаллического кремния, осуществляется не за счет части межкомпонентной разводки, идущей по вертикальной стенке поликремниевого островка, а за счет их перекрытия в горизонтальном направлении друг относительно друга.

Если толщина слоя поликристаллического кремния такова, что невозможно обеспечить высоту ступеньки меньше, чем толщина межкомпонентной разводки, можно, условно разделив слой поликристаллического кремния на несколько составляющих подслоев, для каждого подслоя сформировать свою ступеньку.

Если предположить, что при формировании слоя межкомпонентной разводки на боковых стенках островка поликристаллического кремния вообще не образуется слой межкомпонентной разводки, что не так редко встречается на практике особенно при отрицательном угле наклона стенки островка поликристаллического кремния, то формирование слоя межкомпонентной разводки без разрыва слоя на ступеньках: пленка двуокиси кремния ступенька слоя поликристаллического кремния и ступенька слоя поликристаллического кремния верхняя поверхность слоя поликристаллического кремния, возможно лишь в том случае, если толщина слоя межкомпонентной разводки превосходит величину ступеньки на величину минимально допустимой толщины сплошного слоя межкомпонентной разводки. В противном случае разрывы в слое межкомпонентной разводки весьма вероятны. Для различных материалов, используемых для межкомпонентной разводки - легированного поликристаллического кремния, многослойной металлической разводки, силицидов металлов конкретная величина минимально допустимой толщины сплошного слоя межкомпонентной разводки зависит не только от материала, но и от технологии изготовления ИС.

Если обозначить толщину слоя поликристаллического кремния через h_пкк., толщину слоя межкомпонентной разводки через h_разв., минимально допустимую толщину слоя межкомпонентной разводки через h_{крит. разв.}, глубину несквозного травления слоя поликристаллического кремния через h_тр., то требование отсутствия обрывов слоя межкомпонентной разводки на уступе ступенька слоя поликристаллического кремния верхняя поверхность слоя поликристаллического кремния:
h_разв.-h_тр. > h_{крит. разв.} (2)
Толщина остатка слоя поликристаллического кремния, который травится при сквозном анизотропном травлении, будет определяться выражением:
h_пкк.-h_тр. h'_пкк. (3)
Очевидно, что h_пкк. это высота уступа ступеньки пленка двуокиси кремния ступенька слоя поликристаллического кремния. Поэтому для второго уступа имеем соотношение, аналогичное (2):
h_разв.-(h_пкк.-h_тр.) > h_{крит. разв.} (4)
Из (2) имеем:
h_тр. < h_разв.-h_{крит. разв.} (5)
Из (4) имеем:
h_тр. > h_пкк.-h_разв.+h_{крит. разв.} (6)
Объединяя (5) и (6), получаем выражение, аналогичное (1):
h_пкк.-h_разв.+h_{крит. разв.}≅h_тр.≅ h_разв.-h_{крит. разв.} (7)
С другой стороны, наличие надежного контакта между слоями межкомпонентной разводки, лежащими на пленке двуокиси кремния и на верхней поверхности островков поликристаллического кремния, возможно лишь в том случае, когда на ступеньке островка поликристаллического кремния образуется сплошной слой межкомпонентной разводки. Сплошной слой межкомпонентной разводки на ступеньке островка поликристаллического кремния образуется в том случае, когда ширина ступеньки не меньше, чем минимально допустимая толщина сплошного слоя межкомпонентной разводки.

Если ширина ступеньки островка поликремния меньше, чем размер минимальной частицы, образующей сплошную пленку разводки, то сплошной слой межкомпонентной разводки на ступеньке образовываться не будет. Например, если ширина ступеньки меньше величины зерна в слое поликремниевой разводки, или критической величины зародыша образования сплошной металлической пленки, то на ступеньке поликремния возможны образования пустот, трещин в слое межкомпонентной разводки, ведущих к появлению обрывов. Следовательно, для уменьшения вероятности обрывов в слое межкомпонентной разводки необходимо наложить ограничения на ширину уступа фоторезистивной маски относительно края островков поликристаллического кремния снизу. Из вышеуказанного логично установить следующее ограничение на ширину уступа:
h_уст.≥h_{крит. разв.}, (8)
где h_уст. ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островков поликристаллического кремния.

Добавив в правую часть соотношения (8) величину (h_пкк.-h_разв.), которая всегда больше нуля, ибо в противном случае проблем с обрывами межкомпонентной разводки на островках поликристаллического кремния не возникало бы, мы еще более уменьшим вероятность появления несплошной пленки межкомпонентной разводки на ступеньке:
h_уст.≥h_{крит. разв.} + (h_пкк.-h_разв.), (9)
Перепишем (9) следующим образом:
h_пкк.-h_разв. + h_{крит. разв.}≅h_уст. (10)
Сравнивая (10) и левую часть (7), получаем, что глубина несквозного травления слоя поликристаллического кремния и ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островков поликристаллического кремния имеют одинаковое ограничение на минимальную величину.

Для увеличения воспроизводимости линейных размеров островков поликристаллического кремния необходимо наложить ограничения на ширину уступа фоторезистивной маски относительно края островков поликристаллического кремния сверху. Для учета особенностей техпроцесса в каждом частном случае наложим следующее ограничения на ширину уступа фоторезистивной маски:
h_уст.≅h_разв.-h_{крит. разв.} (11)
Объединяя (10) и (11), получим выражение, аналогичное (4).

Заменив в соотношении (7) h_тр. на Х, где под Х подразумеваем и глубину несквозного травления поликристаллического кремния, и ширину уступа фоторезистивной маски относительно края островков поликристаллического кремния, получим соотношение, аналогичное (1):
h_пкк.-h_разв.+h_{крит. разв.}≅ x ≅ h_разв.-h_{крит. разв.} (12)
Выражение (1) позволяет оценивать возможность и целесообразность применения данного способа изготовления полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния.

Например, пусть h_{крит. разв.} 0,1 мкм;
h_разв. 0,55 мкм, а h_пкк 1,5 мкм,
Тогда, подставляя эти значения в (1), имеем
1,5-0,55 + 0,1 ≅ X ≅ 0,55-0,1; (13)
1,05 ≅ X ≅ 0,45, (14)
т. е. неравенство не выполняется. Тогда можно заключить, что данным способом сформировать ступенчатую структуру для предотвращения обрывов слоя межкомпонентной разводки, формируя лишь одну ступеньку, нельзя. В данном случае надо условно разделить слой поликристаллического кремния на несколько подслоев, а в
нашем случае на два подслоя, и для каждого сформировать свою ступеньку.

Тогда имеем
(15)
а выражения (13), (14) принимают вид:
0,75-0,55 + 0,1 ≅ X ≅ 0,55-0,1; (16)
0,3 ≅ X ≅ 0,45, (17)
т.е. неравенство выполняется.

Сущность предлагаемого способа изготовления полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния поясняется фиг. 1-5, где в поперечном сечении показана последовательность формирования структур предложенным способом.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На поверхности кремниевой подложки 1 (фиг.1) формируется пленка двуокиси кремния 2, наносится слой поликристаллического кремния 3 на пленку двуокиси кремния и формируется фоторезистивная маска 4 над поверхностью будущих островков поликристаллического кремния, проводится несквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью по отношению к фоторезистивной маске на глубину Х (фиг.2), удаляют часть фоторезистивной маски 5 (фиг. 3) по периметру островков поликристаллического кремния с образованием уступа шириной Х, проводят сквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния (фиг.4) с образованием ступеньки в слое поликристаллического кремния высотой Х относительно пленки двуокиси кремния 2, удалят фоторезистивную маску 5, формируют пассивирующее покрытие 6 (фиг.5) на островке поликристаллического кремния и слой межкомпонентной разводки 7, проходящий через полученную структуру, причем ширина уступа, глубина несквозного анизотропного травления поликристаллического кремния, толщина слоя межкомпонентной разводки и толщина слоя поликристаллического кремния связаны соотношением:
h_пкк.-h_разв. + h_{крит. разв.} ≅ x ≅ h_разв.-h_{крит. разв.},
где h_пкк. толщина слоя поликристаллического кремния;
X ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островка поликристаллического кремния или глубина несквозного анизотропного травления слоя поликристаллического кремния;
h_разв. толщина слоя межкомпонентной разводки;
h_{крит. разв.} минимально допустимая толщина сплошного слоя межкомпонентной разводки.

Способ изготовления иллюстриpуется следующим примером.

На кремниевой монокристаллической подложке p-типа проводимости, например КДБ-0,3, формируют путем окисления в атмосфере кислорода при 1000^oC пленку двуокиси кремния толщиной 0,05 мкм. Затем пиролизом силана при 625^oC в реакторе при пониженном давлении наносят слоя нелегированного поликристаллического кремния толщиной 0,6 мкм. Наносят слой позитивного фоторезиста толщиной 1 мкм, например ФП-0,51 мк, на слой поликристаллического кремния и формируют фоторезистивную маску над поверхностью будущих островков поликристаллического кремния. Затем проводят анизотропное плазмохимическое травление поликристаллического кремния в смеси элегаза (SF₆) и хладона-113 (C₂Cl₃F₆) на установке с плоскопараллельными электродами на глубину 0,3 мкм. Затем пластины помещают в раствор щелочи КОН и проводят травление фоторезистивной маски, в результате чего образуется уступ шириной 0,2 мкм между краем островков поликристаллического кремния и краем фоторезистивной маски. Далее проводится сквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния до пленки двуокиси кремния. Причем, поскольку процесс травления анизотропный и он заканчивается при стравливании слоя поликристаллического кремния вне формируемых островков поликристаллического кремния до пленки двуокиси кремния, формируется ступенька на боковой поверхности островков поликристаллического кремния высотой равна глубине анизотропного несквозного травления слоя поликристаллического кремния, т. е. 0,3 мкм, и шириной, равной ширине уступа фоторезистивной маски, т.е. 0,2 мкм. Удаляют фоторезистивную маску со структуры плазмохимическим травлением фоторезиста в кислородной плазме и травлением в смеси перекиси водорода с серной кислотой. Пассивируют островок поликристаллического кремния окислением структуры в атмосфере водяного пара при 1000^oC. В результате на структуре вырастает окисел кремния толщиной 0,25 мкм. Методом фотолитографии и травления в растворе плавиковой кислоты вскрывают контактные отверстия к элементам ИС. Методом электронно-лучевого распыления наносят на структуру слой алюминия с добавкой кремния толщиной 0,55 мкм. Методом фотолитографии и травления в растворе из смеси азотной и ортофосфорной кислоты формируют металлическую разводку, проходящую через островок поликристаллического кремния.

Поскольку толщина слоя алюминия с добавкой кремния имеет толщину 0,55 мкм, толщина слоя поликристаллического кремния 0,6 мкм, глубина несквозного анизотропного травления слоя поликристаллического кремния 0,3 мкм, а за минимально допустимую толщину сплошного слоя алюминия примем 0,1 мкм, т.е. величину, характерную для образования сплошных металлических пленок. Тогда для глубины несквозного травления слоя поликристаллического кремния соотношение (1) примет вид:
0,15 ≅ 0,3 ≅ 0,45.

т. е. неравенство выполняется, а для ширины уступа фоторезистивной маски соотношение (1) примет вид:
0,15 ≅ 0,2 ≅ 0,45,
т.е. также выполняется.

Линейные размеры островков поликристаллического кремния обеспечиваются безуходовым анизотропным травлением слоя поликристаллического кремния и контролируемой шириной уступа фоторезистивной маски относительно краев островков поликристаллического кремния.

Обрывов алюминиевой разводки при прохождении шины металла через островок поликристаллического кремния не наблюдается, поскольку электрическое соединение между частями шины алюминиевой разводки, лежащими на пленке двуокиси кремния, ступеньке островка поликристаллического кремния и верхней поверхности островка поликристаллического кремния осуществляется в горизонтальном направлении за счет их перекрытия друг относительно друга не меньше, чем на величину минимально допустимой толщины сплошного слоя межкомпонентной разводки.

Использование: микроэлектроника, технология изготовления БИС и СБИС. Сущность изобретения: при формировании полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния травление фоторезистивной маски проводят селективно по отношению к слою поликристаллического кремния, а конфигурацию маски изменяют путем образования уступа относительно края островка поликристаллического кремния, причем ширина уступа, глубина несквозного анизотропного травления поликристаллического кремния, толщина слоя межкомпонентной разводки и толщина слоя поликристаллического кремния связаны соотношением: h_пкк.-h_разв.+h<Mv>конт.разв.<D> < x < h_раз.-h<Mv>крит. разв. <D>, где h_пкк. - толщина слоя поликристаллического кремния; х - ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островка поликристаллического кремния или глубина несквозного анизотропного травления слоя поликристаллического кремния; h_разв. - толщина слоя межкомпонентной разводки; h<Mv>крит. разв.<D> - минимально допустимая толщина сплошного слоя межкомпонентной разводки. Способ позволяет увеличить воспроизводимость линейных размеров островков поликристаллического кремния и уменьшить вероятность обрывов слоя между компонентной разводки. 5 ил.

Способ изготовления полупроводниковых структур со ступенчатым профилем островков поликристаллического кремния, включающий формирование на полупроводниковой подложке пленки двуокиси кремния и последующее нанесение слоя поликристаллического кремния, формирование фоторезистивной маски над поверхностью будущих островков поликристаллического кремния, несквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью по отношению к фоторезистивной маске, травление фоторезистивной маски для изменения ее конфигурации, сквозное анизотропное травление слоя поликристаллического кремния с высокой селективностью по отношению к фоторезистивной маске и пленке двуокиси кремния, удаление фоторезистивной маски, формирование пассивирующего покрытия на островках поликристаллического кремния, формирование слоя межкомпонентной разводки, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных за счет увеличения воспроизводимости линейных размеров островков поликристаллического кремния и уменьшения вероятности обрывов в слое межкомпонентной разводки, травление фоторезистивной маски проводят селективно по отношению к слою поликристаллического кремния, а конфигурацию маски изменяют путем образования уступа относительно края островка поликристаллического кремния, причем ширина уступа, глубина несквозного анизотропного травления поликристаллического кремния, толщина слоя межкомпонентной разводки и толщина слоя поликристаллического кремния связаны соотношением: h_пкк h_разв + h<Mv>крит.разв.<D> ≅ X ≅ h_разв h_{крит.разв}. где h_пкк толщина слоя поликристаллического кремния; X- ширина уступа фоторезистивной маски относительно края островка поликристаллического кремния или глубина несквозного анизотропного травления слоя поликристаллического кремния; h_разв толщина слоя межкомпонентной разводки; h<Mv>крит.разв.<D> минимально допустимая толщина сплошного слоя межкомпонентной разводки.