Способ изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем

 

Способ изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий создание контактных окон в диэлектрике с помощью фотогравировки, очистку поверхности сильнолегированного кремния в окнах травлением в травителях, содержащих плавиковую кислоту, и создание контактно-металлизационной системы, отличающийся тем, что, с целью улучшения воспроизводимости электрических параметров приборов и повышения выхода годных структур, перед очисткой поверхность кремния в окнах дополнительно окисляют в атмосфере увлажненного кислорода при температуре 873 - 973К течение 10 - 30 мин и очистку травлением поверхности кремния в окнах проводят при освещенности 1 - 10 лк.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем. Известен способ изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем, использующий создание контактных окон в диэлектрике с помощью фотогравировки и последующее напыление контактного металла [1] Однако по этому способу не всегда удается получить малую величину контактного сопротивления, особенно в случае применения тугоплавкого контактного металла. Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий создание контактных окон в диэлектрике с помощью фотогравировки, очистку поверхности сильнолегированного кремния в окнах травлением в травителях, содержащих плавиковую кислоту, создание контактно-металлизационной системы [2] Этот способ также не обеспечивает воспроизведение получения малой величины контактного сопротивления и, следовательно, электрических параметров приборов. Это обусловлено тем, что различные химические методы очистки поверхности кремния предназначаются либо для удаления органических загрязнений, либо для удаления остатков двуокиси кремния. Между тем, как в процессе фотогравировки диэлектрика для создания контактных окон, так и при последующей очистке поверхности сильнолегированного кремния в контактных окнах с использованием травителей, содержащих плавиковую кислоту (например, смеси NF-NN₄F-H₂O и HF-H₂O), на поверхности кремния образуются труднорастворимые соединения кремния, содержащие фтор, удалить эти фторсодержащие соединения с помощью какой-либо химической обработки практически невозможно. Образование фторсодержащих соединений более интенсивно протекает при прямом освещении, однако и при красном свете (обычно применяемом для фотолитографических обработок) этот процесс замедляется очень незначительно. В итоге на поверхности сильнолегированного кремния имеется тонкая пленка загрязнений, ухудшающая воспроизводимость контактного сопротивления и электрических параметров приборов. Целью предлагаемого изобретения является улучшение воспроизводимости электрических параметров приборов и повышение выхода годных структур. Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающем создание контактных окон в диэлектрике с помощью фотогравировки, очистку поверхности сильнолегированного кремния в окнах травлением в травителях, содержащих плавиковую кислоту, и создание контактно-металлизационной системы, перед очисткой поверхность кремния в конах дополнительно окисляют в атмосфере увлажненного кислорода при температуре 873-973^oC в течение 10-30 мин и очистку травлением поверхности кремния в окнах проводят при освещенности 1-10 лк. Дополнительное термическое окисление обеспечивает превращение фторсодержащих соединений, образовавшихся в процессе фотогравировки контактных окон, в смесь окислов кремния и примесей. Относительно низкая температура окисления при хорошо контролируемом содержании окисляющих агентов обеспечивает воспроизводимость условий окисления на поверхности сильнолегированного кремния в контактных окнах. При этих условиях максимальная толщина образующейся пленки SiO₂ на поверхности кремния очень мала и хорошо воспроизводится. В результате появляется возможность очистки контактных окон от SiO₂ и окислов примесей травлением без визуального контроля (т.е. при пониженной освещенности), поскольку при травлении с запасом по времени, обеспечивающем полное удаление окислов, изменение геометрии окон (растравливание) будет несущественным. Травление при пониженной освещенности практически исключает образование труднорастворимых фторсодержащих соединений на поверхности сильнолегированного кремния в процессе окончательной очистки контактных окон. В результате достигается улучшение воспроизводимости величины контактного сопротивления между контактно-металлизационной системой и активными областями, что ведет к повышению воспроизводимости электрических параметров и выхода годных структур. В качестве окислительной среды в способе окисления взят увлажненный кислород по следующим причинам. Окисление в сухом кислороде происходит со значительно меньшей скоростью. Для получения слоя окисла толщиной 30 нм при 973^oC требуется время 30 ч, что нецелесообразно технологически. При 1173^oC окисление можно провести за 50 мин, однако такой режим совершенно неприемлем, так как это время превышает продолжительность диффузии для создания эмиттера в структуре транзистора и в результате будет значительно перемещение p-n-перехода. Применение иного газа-носителя вместо кислорода принципиально возможно, однако экономически необоснованно применение, например, аргона, а азот взаимодействует с кремнием. Выбор указанного интервала температур, продолжительность окисления и освещенности поверхности кремния в контактных окнах обусловлен следующими факторами. Для обеспечения очистки поверхности кремния в контактных окнах необходимо окисление до получения толщины пленки SiO₂ 10-30 нм. При повышении температуры на 100К относительно верхней границы интервала время окисления до толщины 30 нм уменьшается примерно на порядок величины, т.е. до 1 мин, превышению температуры на 50К соответствует время окисления около 3 мин. Между тем, время нагрева кварцевой лодочки с кремниевой пластиной составляет 2-3 мин и для получения воспроизводимых результатов продолжительность окисления должна быть в 3-5 раз больше времени нагрева, следовательно, воспроизводимость окисления обеспечивается при верхней границе интервала около 973^oC. При снижении температуры на 100 К относительно нижней границы интервала время окисления до толщины 10 нм увеличивается более чем на порядок, т.е. превышает 5 ч; снижению температуры на 50К соответствует время окисления 1,5-2 ч. Такое увеличение продолжительности операции попросту нетехнологично и ведет к ухудшению показателей по производительности оборудования. Таким образом, по соображениям воспроизводимости толщины пленки и технологичности операции необходимо выполнять окисление в атмосфере увлажненного кислорода при температуре 873-973К в течение 10-30 мин. В процессе очистки травлением поверхности кремния в контактных окнах необходимо предупредить повторное образование фторсодержащих соединений на поверхности сильнолегированного кремния, связанное с образованием носителей заряда под действием света (с участием механизма внутреннего фотоэффекта). Нормально в технологических помещениях освещенность рабочих мест для химической обработки пластин составляет 150-200 лк. Уменьшение освещенности кремниевой пластины в процессе травления SiO₂ примерно до 10 лк пропорционально уменьшает фотоэффект и приводит его к уровню темнового тока, в результате дальнейшее уменьшение освещенности уже не влияет на концентрацию свободных носителей заряда и ход электрохимической реакции на поверхности сильнолегированного кремния. Нижний же предел освещенности 1 лк обусловлен тем, что используемые для изготовления травильных ванночек кислостойкие пластмассы не обладают абсолютной непрозрачностью и при стандартной толщине стенок и крышки ванночки полное затемнение пластины невозможно. В соответствии с изобретением изготовления кремниевого транзистора выполняли следующим образом. 1. После стандартных процессов создания сильнолегированных областей базы и эмиттера в пленке диэлектрика вытравливали с применением фотолитографии контактные окна и проводили окисление поверхности кремния в контактных окнах при температуре 923К в течение 15 мин в атмосфере кислорода, увлаженного пропусканием через воду при температуре 363-373^oC. 2. Проводили очистку контактных окон от SiO₂ и окислов примесей с использованием смеси HF-H₂O (1: 10) при уровне освещенности 5-6 лк в течение 40-80 с, смывали травитель водой и высушивали подложки на центрифуге, указанный уровень освещенности достигается в травильной ванночке с крышкой, изготовленных из фторопласта толщиной 4-6 мм, в травильном шкафу с освещенностью 80-100 лк. 3. На подготовленных таким образом подложках с помощью вакуумного напыления и фотогравировки создавали контактно-металлизационную систему. Сравнение трех вариантов изготовления кремниевого транзистора по данному способу, а также данные по результатам согласно способу, служащему прототипом, приведено в таблице. Из таблицы видно, что данный способ обеспечивает существенно лучшую очистку поверхности сильнолегированного кремния в контактных окнах от SiO₂ и фторсодержащих соединений, уменьшение абсолютной величины и разброса значений контактного сопротивления базы и эмиттера транзистора. В итоге достигается улучшение воспроизводимости электрических параметров приборов и повышение выхода годных структур. Техническое преимущество, создаваемое изобретение, заключается в улучшении воспроизводимости электрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем за счет лучшей очистки поверхности кремния в контактных окнах, уменьшения абсолютной величины и разброса значений контактного сопротивления. Экономическое преимущество, создаваемое изобретение, заключается в повышении выхода годных структур полупроводниковых приборов и интегральных схем в результате снижения брака по величине контактного сопротивления. Экономия из-за снижения этого вида брака составит ориентировочно 40% от себестоимости годного кристалла мощного СВЧ-генераторного транзистора.

Формула изобретения

Способ изготовления кремниевых полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий создание контактных окон в диэлектрике с помощью фотогравировки, очистку поверхности сильнолегированного кремния в окнах травлением в травителях, содержащих плавиковую кислоту, и создание контактно-металлизационной системы, отличающийся тем, что, с целью улучшения воспроизводимости электрических параметров приборов и повышения выхода годных структур, перед очисткой поверхность кремния в окнах дополнительно окисляют в атмосфере увлажненного кислорода при температуре 873 973К в течение 10 30 мин и очистку травлением поверхности кремния в окнах проводят при освещенности 1 10 лк.

РИСУНКИ

Рисунок 1