Основные сведении of) элементах структур полупроводниковых ис и бис

Элементы структуры	ТИП прово ли мос­ти	Основные технологичес­кие материалы	Толщина элементов. мкм, и ее обозначение	Удельное по­верхностное со­противление. ОмУ:]	Способ формирования
Подложка из моно­кристал­лического кремния	/)	Очищенный монокристал­лический Si, легир\'юшая примесь - бор	Hi = 525±25		Из слитка марки КДБ 10, который получают направ­ленной кристаллизацией на затравку из объема расплава основных технологических материалов
Скрытый слой	п'	Сурьма кри­сталлическая	Н: = 3.5=b0.2	25±5	Диффузия

Продолжение табл. 3

Элементы структуры	Тип прово­димос­ти	Основные технологичес­кие материалы	Толщина элементов. мкм. и ее обозначение	Удельное по­верхностное со­противление. Ом/:	Способ формирования
Эпитакси-альныи слои	п	SiCl^и Н:	Н, =7.9±0.2	2500±5	Осаждение из газовой фазы (хлоридный метод)
Разлели-тельная область	р	ВВгз	Н^ 10±0.2	90±8	Диффузия (для ИС). сочета­ние ионного легирования и диффузии (для БИС)
Базовая область	р.. р	ВВгз	Н,=1.65±0.1	180±10 IKHIO"	Диффузия (для ИС), сочета­ние ионного легирования и диффузии (для БИС с ин-жекционными элементами)
Эм штор­ная область	п	РОС1,	Н.= 1.2±0.1	2±0.5	Диффузия
Слой метал­лизации		Сплав AH1.2%Si	Н7^ 0.6±OJ 1.0±0.1""		Нанесение в вакул^ме. напри­мер- методом ионно-плазменного распыления
Изолиру­ющий слои SiO		сухой 0:-пары волы -сухой Oz	Н^0.8±0,05^ 0.6±0.05"		Термическое окисление пла­стин кремния

* ДляИС.

** Для БИС.

*** Для второго слоя металлизации

Окончание табл. 3

Элементы структуры	Тип прово­димос­ти	Основные технологичес­кие материалы	Толщина элементов. мкм. и ее обозначение	Удельное по­верхностное со­противление, Ом/С	Способ формирования
Пассиви-руюший слой ФСС		SiKi. РН	Н9=0.7±0.05		Осаждение из газовой фазы (пиролиз)
Верти­кальный слой	п	РОС1з	Ню==6.8±0.2	45±5	Диффузия
SiO: меж-слойной изоля­ции		Si(OC:H5)4.0:	Нц- 1,0=Ь0.1		Плазмохимическое осажде­ние

чае состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании плоской двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности пластины. Скорость образования центров кристал­лизации зависит от концентрации газообразного кремния и свободной энергии их формирования.

Однако более предпочтительны непрямые (косвенные) методы по­лучения эпитаксиальных слоев, так как они проще реализуются и лучше контролируются. В косвенных методах атомы кремния осаждаются на подложку путем разложения соединений кремния на нагретой поверхно­сти подложки (1100 - 1250^С). К таким методам относятся методы, ос­нованные на восстановлении в водороде хлоридов кремния, пиролити-ческое разложение силана или других органических соединений кремния.

Хлоридный метод получения эпитаксиальных пленок распростра­нен наиболее широко, так как обеспечивает необходимую чистоту про­цесса. Кроме того, SiCUлегко поддается очистке, нетоксичен и недорог. Перед эпитаксией пластины подвергают газовому травлению в смеси Н; +НС1 в течение одной -двух минут для получения технологически чистой поверхности, затем в реактор подают смесь SiCb +Н? и требуе­мый диффузант. В реакционной камере при температуре 1200 - 1250 X происходит реакция восстановления тетрахлорида кремния водородом

SiCU+2H^ ->Si^+4HCL которая осуществляется в два этапа:

SiCl4 +Н2 -> SiHCh +НС1;

SiHCl, +Н: -> Si +ЗНС1.

Первый этап реакции идет в газовой среде, а второй -на поверхности пластины. Скорость роста пленки при этом 0.5мкм/мин Легирование пленки осуществляется либо добавлением к жидкому SiCl4летучей при­меси (РС1з, SbCIs),либо добавлением к водороду газообразных РН^.

AsHs.ВзНб.

Недостатками хлоридного метода являются довольно высокие ра­бочие температуры и невозможность получения резких р - ппереходов из-за ^диффузионного размытия" границы пленка -подложка во время эпитаксии.

28

Пиролиз силана (при температуре 1200°С) либо дихлорсилана(1100"С) проводят в газообразных средах с добавлением Аг в первом случае и Аг + I-Lили N^ +Н^ -во втором случае.

Скорость роста пленки для описанных методов (» 0,3мкм/мин) сильно зависит от концентрации основного рабочего газа и слабее -от температуры подложки. При пиролизе силана эпитаксиальные пленки имеют большую плотность дефектов, чем в других случаях, кроме того, силан и дихлорсилан по сравнению с тетрахлоридом силана более дорого­стоящи. Следует отметить, что силан является пирофорным материалом.

Металлизацияпластин кремния осуществляется для создания ком­мутационных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов ИС (БИС) (с минимальным переходным сопротивлением) и контактных площадок для монтажа ИС (БИС) в корпусах либо на ком­мутационных платах Для получения стабильного омического контакта металл -полупроводник используют сплав алюминия с кремнием (1.2 % Si),который наносят на пленку SiO^методами вакуумного осаждения (ионно-плазменным либо магнетронным распылением). Характеристи­ки слоев металлизации представлены в табл. 3.а условия их формиро­вания -в табл. П1 и П2. Использование сплава А1 - Siвместо А1 объяс­няется недостатками последнего, усугубляемыми многоуровневой разводкой. Так, проявление ряда эффектов в условиях повышенных температур на границах А1 - Si, A1 - Si02. SiO: - Al - Si(например, рас­творение в твердом состоянии Siв A1.взаимодиффузия Siи A1,рекри­сталлизация A1,химическое взаимодействие Ale SiO^и др., особенно в токопроводящей системе при повышенной плотности тока, вызывающей электромиграцию A1и Si)приводит к деградации мелкозалегающихр - ппереходов в кремнии, а также контактов A1 - Si.Например, из-за генерации дефектов в Siпри диффузии в него A1возрастает контактное сопротивление, снижается механическая прочность контактов и т.д. Рекристаллизация A1приводит к повышению остаточных напряжений в токопроводящей системе, разрастанию зерен (в пленках A1)нитевидной формы, прорастающих обычно сквозь дефекты верхнего слоя диэлек­трика, вызывая тем самым отказы БИС (например, за счет закорачива­ния нижнего и верхнего уровней разводки) Химическое взаимодействиеAiс SiO:приводит к обрывам электрических цепей в местах межуров-нсвой коммутации многоуровневой разводки БИС (например, вследст­вие окисления A1в системе A1 - SiO:)Ограничение или устранение от-

29

рицательного влияния этих эффектов на качество ИС и БИС осуществ­ляется не только путем использования для металлизации сплавов А1 с Si,но и другими методами, в частности, применением в токопроводя-щей системе барьерных слоев (типа Cr. Ti, Mo. Niи др.). а также ис­пользованием новых то ко про водящих систем, включающих более тер­мостойкие. чем А1. материалы, такие как тугоплавкие металлы, их сплавы, силициды переходных металлов и др. Перспективными мате­риалами для получения невыпрямляющих контактов считаются металлы платиновой группы (Pt, Pd, lr. Rh, Os. Ru).способные образовывать в контакте с кремнием переходные слои высокостабильных силицидов (например Pd2Si),обеспечивающие низкие значения удельного переход­ного сопротивления контакта в широком интервале концентраций при­месейп-и /^-областей Si.Введение в такую систему небольшого коли­чества тугоплавкого металла (типа Vили W)позволяетулучшить структуру и свойства токопроводящей системы Вместе с тем для обес печения высокого качества и надежности многоуровневой разводки БИС важен поиск и освоение перспективных способов формирования как са­мой разводки. так и межуровневого диэлектрика, включая разработку новых материалов и технологий.

Нанесение диэлектрических покрытийхимическим осаждением из газовой фазы (пиролитическим осаждением) либо плазмохимическим осаждением используется для получения толстых слоев SiO:при темпе­ратурах менее 500"С, когда термическое окисление неприемлемо из- за существенного изменения параметров ранее полученных элементов структуры микросхем. Пиролитическое осаждение обеспечивает боль­шую производительность, высокую равномерность слоев, качественное покрытие ступенек металлизации и позволяет создавать изолирующие и пассивирующие слои не только на поверхности кремния, но и на по­верхностях других полупроводниковых материалов. Кроме пленок SiO:

пиролитически можно осаждать пленки SiC. ShNLфосфорно-силикатного стекла (ФСС) и поликристаллического кремния.

При пиролитичсском осаждении пленок SiO^происходит термиче­ское разложение сложных соединений кремния -алкоксисиланов (например, тстраэтоксисилана) с выделением SiC):при температурах650 - 700"С (которые неприемлемы для алюминиевой разводки, поэто­му редко используются) либо окисление моносилана в соответствии с реакцией

30

SiH4 + 20: —^4004s()>lr > SiO: ^ - 2Н:0.

что обычно и применяют в производстве ИС и БИС при осаждении ФСС за счет добавления к газовой смеси Sil-Li -+-О: фосфина РНз, раз­бавленного азотом (до 1,5%-ной концентрации РНз). Фосфин вступает в реакцию с кислородом

4РНз + 50^ -> 2P:Os +6Н:Т,

образуя P:0s,который легирует SiO:.В пленке SiO:оказывается 1 - 3 % фосфора, за счет чего повышается ее термомеханическая прочность. пластичность и снижается пористость. Это позволяет применять данные пленки для пассивации готовых структур ИС и БИС. При содержании фосфора до 8 - 9 %слои ФСС используют для планаризации поверхно­сти пластин, имеющих рельеф. Данный способ отличается от других способов осаждения диэлектрических пленок простотой и недорогой реализацией.

При плазмохимическом осаждении (ПХО) пленок процесс разло­жения кремнийсодержащих соединений активизируется высокочастот­ным (ВЧ) разрядом, образующим в газовой среде при пониженном дав­лении низкотемпературную кислородную плазму Плазма состоит из атомов, радикалов, молекул, ионов и электронов, в разной степени воз­бужденных. Плазмохимическое осаждение обычно проводят при давле­нии в реакционной камере 66 - 660Па и частоте ВЧ-разряда 13.56 - 40 МГц Температура процесса более низкая, чем при пиролитическом осаждении, благодаря чему получаемые пленки SiO:можно использо­вать в качестве межслойного диэлектрика многоуровневой разводки (взаимодействия кремния с металлизацией при этом не происходит). Механизм образования пленок при ПХО состоит из трех основных ста­дий: образования в зоне разряда радикалов и ионов, адсорбции их на поверхности пленки SiO:и перегруппировки адсорбированных атомов. Перегруппировка (миграция) адсорбированных поверхностью атомов и стабилизация их положения представляют важную стадию роста пленки

Одновременно с образованием пленки происходит десорбция про­дуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и миграции атомов сильно зависят от температуры пластины, причем при большей темпе­ратуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных про-

31

дуктов реакции, большей плотностью и более однородным составом (этим объясняется повышение температуры до 400°С при ПХО в произ­водстве БИС).

При стимулировании процесса осаждения плазмой появляются но­вые параметры, влияющие на скорость осаждения пленки, ее состав. плотность, показатель преломления, равномерность, внутренние напря­жения и скорость травления. Кроме температуры, состава газовой сме­си, ее расхода, давления и геометрии реактора на скорость окисления влияют ВЧ-мощность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстояние между ними.

В качестве рабочих газов обычно используют соединения кремния и окислителя

ЗьО(СНз)б + 802 —²³⁰-²⁵⁰^ > 2Si04+Н.О -+-6СО: +8Нз.

а также гексаметилдисилоксан

SiHi + 4N;>0 —²⁰⁽⁾-³⁵⁽ⁱ'^:c > SiO- ^ - 4N^ + 2ЬШ.

Скорость осаждения SiC>2при этом получают в пределах0,1 - 10мкм/ч. Пористость получаемых пленок S102несколько меньше, чем пиролитических, но все же выше, чем термически окисленных, хотя остаточные механические напряжения значительно меньше, чем у последних. Сведения о пиролитически и плазмохимически осажденных пленках ФСС и SiOsпредставлены в табл. 3и в приложении.

Определение толщины пленок двуокиси крелтия

Толщину диэлектрических пленок определяют цветовым, интерфе­ренционным и эллипсометрическим методами

Цветовой метод используют для экспресс-контроля толщины пле­нок SiO^от 0,05до 1,5мкм. Он основан на том, что прозрачные пленки разной толщины имеют разные цвета за счет интерференции в них од­ной из составляющих монохроматического света, длина волны которой кратна толщине пленки. Из табл. 4видно, что через некоторый диапазон толщин, например 0,27 - 0,46мкм. цвета повторяются. Порядковый но­мер каждого диапазона соответствует порядку отражения. Если номи­нальное значение толщины пленки неизвестно, то ее травят "на клин'и

32

Таблица 4