Способ изготовления кремний на изоляторе структур

 

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к технологии интегральных микросхем, формируемых на основе кремний на изоляторе (КНИ) структур. Сущность: нелитографическими методами на поверхности исходной подложки создается маска. Рисунком маски является совокупность отверстий произвольной формы и субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния. Травлением через полученную маску в кремниевой пластине формируют колодцы. Стенки колодцев маскируют нитридом кремния. Затем структуру окисляют. Окисел кремния растет со дна колодцев и смыкается в сплошной слой, отделяющий монокристаллическую пленку кремния с отверстиями от кремниевой пластины. На боковой поверхности отверстий в монокристаллической пленке кремния проводят эпитаксию до зарастания этих отверстий монокристаллическим кремнием. И получают таким образом КНИ структуру. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к технологии получения кремний на изоляторе (КНИ) структур, и может быть использовано при изготовлении радиационностойких интегральных схем высокой степени интеграции и высокого быстродействия.

Известен способ изготовления КНИ структур сращиванием кремниевых пластин с последующим почти полным удалением одной из них шлифовкой (см. Микроэлектроника т 23, вып. 6, 1994, с. 55). В этом способе опорная кремниевая пластина, несущая механическую нагрузку, соединяется с рабочей (приборной) пластиной через слой диэлектрика. Затем рабочая пластина утоняется до пленки заданной толщиной с помощью прецизионной механической обработки. Утонение может осуществляться также избирательным электрохимическим иди химическим травлением. Кремниевые пластины сращиваются либо через активированную специальной обработкой тонкую пленку окисла кремния, либо с использованием многокомпонентных стекловидных диэлектриков в качестве клеящего материала. В случае избирательного электрохимического травления используются сильнолегированные монокристаллические пластины типа КЭС-0,01 с высокоомным эпитаксиальным слоем типа КЭФ-1,0.

Недостатками данного способа являются: исключительно высокое требование к качеству сращиваемых поверхностей кремниевых пластин, труднодостижимое при использовании стандартного оборудования в серийном производстве, трудность получения однородных по составу пленок многокомпонентных стекловидных диэлектриков, большой расход монокристаллического кремния, наличие продолжительных и трудоемких операций особо точной шлифовки и полировки пластин на большую глубину.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления КНИ структур (см. Заявка на изобретение N 92002178/25, положительное решение о выдаче патента от 28.09.95 г.), в котором на поверхности кремниевой пластины создают столбы кремния путем формирования нелитографическими методами маскирующих участков субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, и анизотропного травления через маскирующие участки кремниевой пластины. На вершинах столбов кремния выращивают эпитаксиальный слой (эпислой). Для открытия непосредственного доступа окислителя к столбам кремния эпислой локально удаляют до поверхности столбов. Столбы кремния, связывающие эпислой с пластиной, образуют систему каналов. При окислении структуры окислитель поступает в каналы и изолирующий слой окисла кремния под эпислоем формируется за счет окисления кремния столбов и прилегающего к нему кремния пластины и эпислоя.

Недостатком этого способа является невозможность получения сплошных слоев кремния на изоляторе, что привязывает процесс изготовления КНИ структур получения изолирующего окисла кремния, поскольку транспорт окислителя по слою столбов кремния под эпислоем затруднен.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков. Он позволяет формировать сплошные слои кремния на изоляторе.

Целью изобретения является повышение производительности процесса изготовления КНИ структур.

Поставленная цель достигается тем, что в способ изготовления КНИ структур, включающий формирование маски нелитографическими методами, травление через эту маску кремниевой пластины, эпитаксию на получение этим травлением рельефе и окисление структуры, внесены следующие изменения: рисунком маски является совокупность отверстий субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, после травления кремниевой пластины маскируют боковую поверхность ее рельефа слоем нитрида кремния, а окисление проводят перед эпитаксией в углублениях рельефа, длящейся до заращивания отверстий в слое монокристаллического кремния.

Использование в качестве рисунка маски совокупности отверстий субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, травление через маску с таким рисунком кремниевой пластины, маскирование боковой поверхности полученного рельефа нитридом кремния и последующее окисление структуры, проводимое перед эпитаксией в углублениях рельефа, которая длится до заращивания отверстий в слое монокристаллического кремния, приводит при реализации заявляемого изобретения к повышению производительности процесса изготовления КНИ структур.

Это обусловлено тем, что в заявляемом способе не используется транспорт окислителя под эпислоем вдоль поверхности пластины по каналам, образованным столбами кремния. Вместо окисления под эпислоем предлагается использовать окисление в глубине колодцев, когда транспорт окислителя происходит перпендикулярно к поверхности на небольшую глубину. В этом случае окислитель не испытывает затруднений на своем пути и процесс окисления по продолжительности сравним с процессом окисления планарной поверхности кремния.

При поиске в патентной и научно-технической литературе формирование нелитографическими методами колодцев в кремнии с субмикронными размерами, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, маскирование из стенок нитридом кремния, окисление кремния на дне колодцев до полного смыкания окисла кремния в сплошной изолирующий слой и эпитаксия на боковой поверхности отверстий в монокристаллической пленке кремния, лежащей на изолирующем слое, до зарастания этих отверстий монокристаллическим кремнием не обнаружено.

На фиг. 1 представлен слой с отверстиями, вид сверху, где 1 материал слоя, 2 отверстие. На фиг. 2 показана структура, содержащая слой с отверстиями, где 3 кремниевая пластина, 4 окисел кремния. На фиг. 3 изображена структура с колодцами в кремниевой пластине, где 5 колодец, 6 - буферный окисел кремния, 7 маскирующий нитрид кремния, 8 защитный окисел кремния. На фиг. 4 представлена окислительная структура, где 9 - монокристаллический кремний, 10- изолирующий окисле кремния. На фиг. 6 изображена структура с подтравленными стенами колодцев.

Предлагаемое изобретение, как и его прототип, построено на том факте, что для формирования слоя с требуемыми параметрами зачастую незачем заботиться о форме и размерах каждого из выходящих в его состав элементов, а достаточно получать лишь среднестатистических их значения. В заявляемом изобретении нелитографическими методами формируется маска, рисунок которой представляет собой совокупность отверстий субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния. Для реализации заявляемого изобретения не имеет значения форма отверстий маски. Имеют значение только средние их размеры и расстояния между ними. Необходимая маска с отверстиями может быть получена из маски, формируемой в прототипе, путем осаждения поверх нее тонкого слоя металла и взрыва участков этого слоя, расположенных на маскирующих участках субмикронных размеров. В результате взрыва маскирующие участки субмикронных размеров маски прототипа удаляются вместе с наплавленным на них металлом и на поверхности создается маска из металла, имеющая рисунок, обратный рисунку маски прототипа, то есть маска с отверстиями. Помимо использования взрыва маска с отверстиями может быть получена осаждением поликристаллического слоя, например кремния, и последующим селективным стравлением зерен определенной кристаллографической ориентации. Селективное стравливание можно получить при использовании травителя для выявления дефектов кристаллической структуры. Травление прекращается после появления свободных от зерен поликристаллического слоя участков.

Маску с отверстиями используют для анизотропного травления кремниевой пластины с целью получения колодцев в кремнии. Поэтому верхняя граница средних расстояний между отверстиями в маске определяется возможностью окисления кремния насквозь в промежутках между колодцами. Исходя из этого, верхняя граница средних расстояний между отверстиями в маске не превышает микрометра, то есть формируются отверстия, отстоящие друг от друга на субмикронные расстояния. Верхняя граница средних размеров отверстий определяется необходимостью эпитаксиального заращивания отверстий в монокристаллическом слое кремния. Такое заращивание происходит при среднем размере отверстий в маске менее микрометра, то есть формируются отверстия субмикронных размеров. Минимальная глубина колодцев в кремниевой пластине должна обеспечить получение слоя монокристаллического кремния с отверстиями на поверхности изолирующего слоя. Максимальная глубина колодцев определяется толщиной формируемого изолирующего слоя.

Колодцы служат для транспорта окислителя к формируемому изолирующему слою. Изолирующий слой формируется окислением кремниевой пластины. Окислы кремния выращивают в глубине колодцев, для чего их стенки в верхней части маскируются нитридом кремния. Стенки колодцев могут быть полностью маскированы и тогда окисел кремния выращивают со дна колодцев. Нитрид кремния наносят равномерно на рельеф структуры после формирования колодцев. Пленка нитрида кремния при этом повторяет рельеф пластины. Для открытия доступа окислителя кремниевой пластине нитрид кремния со дна колодцев удаляется. В дальнейшем глубина колодцев может быть увеличена травлением на величину, определяющую толщину формируемого изолирующего слоя. При этом возможен боковой подтрав кремния в немаскированных нитридом кремния областях колодцев с целью уменьшения толщины окисляемого кремния при формировании изолирующего слоя.

После маскирования рельефа структуру окисляют. Окислитель по колодцам достигает открытых участков кремния, где и происходит рост окисла. Растущий изо всех колодцев окисел смыкается и образует сплошной слой. Поскольку стенки колодцев частично маскированы нитридом кремния окисления кремния под нитридом не происходит и получается структура: монокристаллический слой кремния с отверстиями на слое окисла кремния. При этом вся поверхность слоя кремния маскирована: в отверстиях нитридной маской, а сверху маской с отверстиями, использовавшейся для получения колодцев в кремниевой пластине. Маска с отверстиями может состоять из окисла кремния, нитрида кремния, стекла, композиции нескольких слоев и так далее.

Покрытие со стен отверстия в слое кремния удаляют и на открывшейся поверхности кремния проводят эпитаксию. В результате эпитаксии отверстия в слое кремния заращивают и получают сплошной монокристаллический слой кремния на изоляторе. В данном случае проводят селективный эпитаксиальный рост кремния на расстояние не более 0,5 мкм. Селективная эпитаксия на столь малое расстояние легко реализуется, как при проведении эпитаксии из газовой фазы, так и при твердофазной эпитаксии.

Пример 1. Маршрут изготовления КНИ структуры.

На поверхности (100) кремниевой пластины вращается слой термического окисла кремния толщиной 1,0 мкм. Пиролизом моносилана осаждается слой поликремния толщиной 0,5 мкм. Затем поликремний обрабатывается в травителе, содержащем 45% фтористоводородную кислоту в количестве 100 мл, воду 100 мл и дихромат калия 2,2 г, до появления отверстий произвольной формы и субмикронного размера, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния. Средний размер отверстий и среднее расстояние между ними равно примерно 0,5 мкм. Вид сверху полученного слоя с отверстиями показан на фиг. 1, а вид сбоку на фиг. 2.

Реактивным ионным травлением протравливают слой окисла 4 и формируют колодцы 5 в кремниевой пластине 3 глубиной 1,0 мкм. Равномерно по рельефу структуры выращивают слой термического окисла кремния 6 толщиной 0,03 мкм. Затем так же равномерно по рельефу структуры осаждают маскирующий слой нитрида кремния 7 толщиной 0,06 мкм и защитный слой оксида кремния 8 толщиной 0,05 мкм. Защитный слой окисла кремния 8 и маскирующий слой нитрида кремния 7 стравливают со дна колодцев 5 (см. фиг. 3). Структуру окисляют при температуре 950^oC и давлении 10 атмосфер в течение 60 мин. Затем нитридную маску удаляют и структура имеет вид, показанный на фиг. 4. На полученной структуре проводят локальную эпитаксию кремния из газовой фазы (см. J. Mater. Res. Vol. 6, No 4, Apr. 1991, p. 784). В результате эпитаксии отверстия в монокристаллическом слое кремния 9, лежащем поверх слоя окисла кремния 10, заращивают и получают сплошной слой монокристаллического кремния на изоляторе КНИ структуру. Окисел кремния 4 может в дальнейшем стравливаться с поверхности КНИ структуры, а может использоваться в последующем технологическом процессе.

Пример 2. Маршрут изготовления КНИ структуры.

Отличается от маршрута из предыдущего примера тем, что используется твердофазная эпитаксия кремния. Используется структура, отличающаяся от показанной на фиг. 4 тем, что колодцы 5 формируются в кремниевой пластине анизотропным травлением без подтравливания под окисную маску 4. Подготовку поверхности и осаждение аморфного кремния проводят в соответствии с работой Dan T. Ishiwara H. Furukawa S (см. Appl. Phys. Lett, 1988, V. 53, p. 2626). При этом природный окисел с поверхности кремния в отверстиях монокристаллического слоя 9 удаляют испарением при термообработке в сверхвысоком вакууме, а аморфный кремний 11 толщиной 0,5 мкм осаждают электронно-лучевым испарением на горизонтальные участки поверхности структуры (см. фиг. 5). Твердофазную эпитаксию проводят в отверстиях слоя 9 при температуре 600^oC в течение 90 мин. Для освобождения поверхности полученной КНИ структуры окисел кремния 4 стравливают. При этом удаляют взрывом расположенный на поверхности окисла 4 неэпитаксиальный кремний.

Пример 3. Маршрут изготовления КНИ структуры.

Отличается от маршрута из примера 2 тем, что используется стимулированная облучением твердофазная эпитаксия кремния. Структуру, показанную на фигуре 5, при температуре 500^oC равномерно облучают ионами кремния с энергией 140 кэВ и плотностью тока 3·10¹⁵ ион/см²/с в течение 15 с. Использование стимулированной облучением твердофазной эпитаксии позволяет снизить требования на чистоту поверхности кремния в отверстиях монокристаллического слоя 9 на границе с аморфным кремнием (см. Микроэлектроника, т. 23, вып. 6, 1994, с. 85).

Пример 4. Формирование маски с отверстиями.

Отличается от аналогичного процесса из примера 1 тем, что используется более продолжительная обработка в селективном травителе. В результате на поверхности остаются зерна кремния, скорость травления которых достаточно мала. Размер зерен и расстояние между ними составляют примерно 0,5 мкм. На поверхность структуры электронно-лучевым испарением наносится слой алюминия толщиной 0,1 мкм. Алюминий на зернах кремния взрывают при стравлении зерен кремния и получают алюминиевую маску с отверстиями. Такой маршрут получения маски с отверстиями отличается хорошей воспроизводимостью параметров маски, поскольку при обработке в селективном травителе скорость вытравливания зерен кремния из слоя поликремния с увеличением времени замедляется.

Пример 5. Использование бокового подтрава кремния при увеличении глубины колодцев.

Маршрут формирования КНИ структуры в основном повторяет маршрут из примера 1, за исключением следующего. После травления защитного слоя окисла кремния 8, маскирующего слоя нитрида кремния 7 и тонкого буферного слоя окисла кремния 6 со дна колодцев плазменным травлением углубляют колодцы на 0,5 мкм с боковым подтравом кремния до 0,3 мкм, как это показано на фиг. 6. После чего проводят окисление в парах воды при температуре 950^oC и давлении 10 атмосфер в течение 20 мин. В данном примере более эффективно, по сравнению с окислением в примере 1, формируется слой изолирующего окисла кремния 10 толщиной около 0,6 мкм.

Выполнение способа согласно описываемому изобретению обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение производительности процесса изготовления КНИ структур. Предлагаемый способ реализуется при распределенном оборудовании с использованием известных материалов, широко применяемых в микроэлектронике.

Формула изобретения

1. Способ изготовления кремний на изоляторе структур, включающий формирование маски нелитографическими методами, травление через эту маску кремниевой пластины, эпитаксию кремния на полученном этим травлением рельефе и окисление структуры, отличающийся тем, что рисунком маски является совокупность отверстий субмикронных размеров, отстоящих друг от друга на субмикронные расстояния, после травления кремниевой пластины маскируют боковую поверхность ее рельефа нитридом кремния, а окисление проводят перед эпитаксией в углублениях рельефа, длящейся до заращивания отверстий в слое монокристаллического кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эпитаксию проводят из газовой фазы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят твердофазную эпитаксию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6