Спосіб формування структур кремнію на діелектрику

Корисна модель відноситься до мікроелектроніки, зокрема - технології виготовлення напівпровідникових приладів та інтегральних схем. Відомий спосіб виготовлення кремнієвих мікроструктур на діелектрику [А. с. СССР №І26І524, HO1L 2l/76, 1988], що включає анізотропне травлення рівців під ізоляцією, окислення рельєфної поверхні підкладки, осадження на неї шару полікристалічного кремнію, полірування та виготовлення кремнієвих стр уктур з діелектричною ізоляцією, які складаються із карманів з монокристалічним кремнієм з ізоляцією діелектричною плівкою оксиду кремнію /SiO2/ та полікристалічного кремнію підкладки, осадження епітаксійної плівки. Недоліком цього способу є складність виготовлення кремнієвих стр уктур на діелектрику за допомогою великої кількості технологічних процесів. Найбільш близьким по сукупності ознак до способу що заявляється є спосіб виготовлення кремнієвих мікроструктур на діелектрику [А.с. СССР №1616445, H0I L21/76, 1990г.], який включає виготовлення ізольованих ділянок кремнію, нарощування епітаксійного кремнію, формування оксидно-нітридних масок, розкривання в них вікон над ділянками бокової ізоляції і прокислення кремнію та епітаксійного кремнію до формування областей повної та локальної ізоляції. Недоліком цього способу також є складність виготовлення кремнієвих мікроструктур на діелектрику за допомогою великої кількості технологічних процесів та значного спеціального обладнання, що зменшує щільність пакування, збільшує розмір ізольованих ділянок кремнію, зменшує кількість придатних інтегральних схем, збільшує цін у приладів. В основу корисної моделі поставлено завдання розроблення способу формування кремнієвих структур на діелектрику, в якому за рахунок створення умов локального впливу механічних напружень на процеси травлення та окислення маскованого кремнію і проведення одночасного як анізотропного так і селективного травлення, забезпечується здешевлення технології виготовлення структур кремнію на ізоляторі, формування структур об'ємних інтегральних схем, збільшення щільності пакування, розширення функціональних можливостей інтегральних схем та підвищення технологічності виготовлення мікроструктур на діелектрику. Для вирішення поставленого завдання в способі формування структур кремнію на діелектрику, який включає окислення пластин кремнію, осадження плівок нітриду кремнію, проведення процесів фотолітографії, локальне травлення плівок нітриду, окислу кремнію та кремнію, локальне окислення кремнію, згідно з корисною моделлю після окислення пластин кремнію осаджують плівки Si 3N4 товщиною 0,1-2,0мкм, проводять одночасно поверхнево-анізотропне травлення і селективне травлення кремнію в об'ємі на глибині до 5мкм, або послідовно проводять поверхнево-анізотропне травлення на глибину розміщення полів механічних напружень, після чого проводять селективне травлення кремнію в об'ємі на глибину до 5мкм, а потім окислюють кремній до одержання суцільної плівки окислу кремнію з планарною поверхнею з ізольованими локальними ділянками кремнію. На Фіг.1 зображена кремнієва пластина 1 - структура з маскою із плівки Si3N4 2 з механічними напруженнями розтягу де проведено анізотропне плазмохімічне травлення поверхневого шару кремнію Н з механічними напруженнями стискання і селективне рідинне травлення кремнію без механічних напружень стискання, які формують в кремнію плівки Si3N4 сформованими Т - подібними поверхневими об'ємними структурами Si 3 та4 з різною шириною перемичок. На Фіг.2 зображена кремнієва пластина 1 - структура після проведення селективного окислення кремнію без механічних напружень стискання та формування ділянок кремнію 3, які повністю ізольовані локальним SiO2 5, або Т-подібні ділянки кремнію 4, які ізольовані локальним SiO2 5 крім перемичок 6 з підкладкою кремнію 1. На Фіг.3 зображена кремнієва пластина 1 - структура після проведення операції осадження плівки полікремнію, вилучення полікремнію, Si3N4 над повністю ізольованими або Т подібними ділянками монокристалічного кремнію вихідних підкладок, проведення операції осадження епітаксійного кремнію 6, повторного осадження плівки Si3N4 7 з механічними напруженнями розтягу, повторного селективного травлення кремнію та полікремнію без механічних напружень стискання, які формують в епітаксійному кремнію 6 плівки Si3N4 7, формування Т - подібних поверхневих об'ємних структур в епітаксійному Si 6, проведення селективного окислення епітаксійного кремнію без механічних напружень стискання, формування ділянок епітаксійного кремнію 3 повністю ізольованих локальним SiO2 8, або Т-подібних ділянок 4 епітаксійного кремнію, які крім перемичок з першим рівнем, ізольовані локальним SiO2, де з ізольованих ділянок епітаксійного кремнію формують елементи другого рівня для полозкових ліній та ін. елементів об'ємних інтегральних схем, а елементи першого рівня сформовані на поверхні кремнію підкладки. Приклад 1. Структури кремнію з діелектричною ізоляцією створювалися на пластинах монокристалічного кремнію діркової провідності КДБ 10 1 (Фіг.1) з питомим опором 10Ом×см з орієнтацією поверхні [111]. Пластини окислялися до товщини окису 550Å-600Å. Потім шляхом амоналізу моносилану при температурі 840°-870°С формувалася плівка нітриду кремнію Si3N4 2 товщиною від 0,1 до 2,0мкм (наприклад 0,3-0,34мкм) з механічними напруженнями розтягу. Плівка товщиною менше 0,1мкм не створює необхідної величини механічних напружень, а плівка товщиною більше 2,0мкм містить значні напруження, які призводять до порушення цілісності плівки внаслідок чого плівка втрачає свої властивості по захисту кремнію при окисленні. Проводили процес фотолітографії і відкривали в плівках вікна над ділянками травлення плівок Si3N4, SiO2 і кремнію під локальну бокову ізоляцію. Виконували плазмохімічне травлення плівок Si3N4, SiO2 і анізотропне плазмохімічне травлення поверхневого шару кремнію з механічними напруженнями стискання (в нашому прикладі глибина травлення становила Н=1,5мкм). Максимальна глибина травлення 5,0мкм вибирається з необхідності утворення після наступних операцій окислення поверхні близької до планарної. Плазмохімічне травлення проводилося в установці з діодним реактором у суміші робочих газів - фріону 14 (CF4) з витратою 530см/хв і фріону 113 (C2F3CI3) із витратою 60см/хв при загальному тиску 100Па і щільності ВЧ потужності 1,11,2Вт/см 2. Потім виконували селективне рідинне травлення кремнію на глибину до 5мкм, де швидкість травлення кремнію збільшується із-за формування механічних напружень розтягу, які врівноважують поверхневі напруження стискання від плівок Si3N4. Рідинне травлення проводили у водяному розчині плавикової і азотної кислот у співвідношенні HF:HNO3:Н2О=2:5:8. Рідинне травлення кремнію товщиною h=2,5мкм проводили протягом 10-16хв. (в нашому прикладі загальна глибина травлення становила Н=3,0мкм-4,0мкм). Виміри глибини канавок виконували на інтерференційному мікроскогі "МИИ-4". При травленні формували Т - подібні поверхневі об'ємні структури Si. Після чого проводили селективне окислення кремнію (кремній без механічних напружень стискання окислюється не на багато але швидше). Пластини окислювали до утворення планарної поверхні при температурі 1180°С і робочому тиску кисню в 3-5 атмосфер. Товщини окислів та перемичок з підкладкою кремнію під плівками, що маскують, визначали на відколах підкладок за допомогою електронної мікроскопії. При окисленні одержують повністю ізольовані ділянки кремнію 3 шириною 7-10мкм, які розташовані на поверхні ізоляційної суцільної плівки SiO2 5, і Т-подібні поверхневі ділянки кремнію 4 шириною 15мкм, які ізольовані локальним SiO2 5, крім перемичок з підкладкою кремнію шириною 6 мкм. Довжина структур при цьому не обмежується і краї при цьому можуть закінчуватися як ізоляцією 5, так і масивом кремнію підкладки 1. Якщо глибина травлення складала 5мкм, то після формування локальної ізоляції товщиною 4-5мкм, проводиться комфотерне осадження плівки полікремнію товщиною 0,1-0,2мкм, потім шляхом вилучення плівок нітриду та полікристалічного кремнію відкриваються ділянкі монокристалічного кремнію, проводиться процес епітаксійного селективного осадження кремнію товщиною 2-3мкм, де над монокремнієм осаджується епітаксійний монокремній, а над полікремнієм осаджується епітаксійний полікремній. За допомогою стандартних процесів ізопланарної технології епітаксіальний полікристалічний кремній окислюється і формуються ізольовані епітаксіальні структури кремнію з планарною поверхнею. При збільшенні глибини локального травлення понад 5мкм навіть з застосуванням епітаксійного осадження ускладнюється формування планарної поверхні необхідної для формування інтегральних стр уктур. Приклад 2. Цей приклад відзначається від прикладу 1 тим, що після проведення фотолітографії за один процес одразу одночасно виконували в рідинному розчині бокове поверхнево - анізотропне травлення кремнію з механічними напруженнями стискання (товщина шару близько 1,0-1,1мкм) і селективне травлення в об'ємі кремнію до 5,0мкм з механічними напруженнями розтягу, які врівноважують в об'ємі напруження стискання сформованими на поверхні кремнію плівками Si3N4, та кремнію без механічних напружень на глибині, (в нашому прикладі за час в 25хв. глибина травлення становила 4,0мкм). Рідинне травлення проводили у водяному розчині плавикової і азотної кислот у співвідношенні HF:HNO3:Н2О=2:5:8. Приклад 3. Для виготовлення транзисторних структур відповідно до прикладу 1 можливо використовувати як одержані мікроструктури, так ці ж мікроструктури з епітаксійною плівкою. Для цього перед епітаксією осаджували плівку полікремнію (Si*) товщиною 0,1мкм. За допомогою п процесів фотолітографії плівки 2 і полікремній Si* стравлювали над монокристалічним кремнієм та залишали тільки над ділянками ізоляції 5 підкладки 1, після чого за допомогою епітаксії при 1050°С з газової фази тетрахлориду кремнію осаджували епітаксійну плівку n-типу провідності з питомою провідністю 1ом×см. Процес епітаксії проводили таким чином: над монокристалічними ділянками 3 і 4 КСДІ формули монокристалічну епітаксійну плівку товщиною 3,0мкм, над полікристалічною плівкою формували епітаксійну полікристалічну плівку товщиною 2,5мкм. Структур у окислювали до отримання плівки оксиду кремнію товщиною 0,05-0,06мкм, після чого осаджували плівку нітриду кремнію товщиною 0,14мкм. Методом фотолітографії в захисному шарі формують вікна, після чого проводили травлення шарів епітаксійного полікремнію на глибину 1,2мкм. Товщині полікремнію, що залишився, складає 1,2-1,3мкм. Цей шар полікремнію окислювали і отримували локальну ізоляцію навколо епітаксійного кремнію та ділянкою кремнію 4 та повну діелектричну ізоляцію навколо епітаксійного кремнію та областю кремнію 3. Транзисторні структури формували за допомогою звичайних процесів, що використовують в те хнології мікроелектроніки. Приклад 4. Після формування мікроструктур з епітаксійною плівкою кремнію відповідно до прикладу 1, повторно осаджували плівку нітриду кремнію Si3N4 2 товщиною 0,21-0,24мкм з механічними напруженнями розтягу. Проводили процес фотолітографії і відкривали в плівках вікна над областями травлення плівок SiO2, Si3N4 і кремнію під локальну бокову ізоляцію. Виконували плазмохімічне травлення плівок SiO2, Si3N4 і повторне анізотропне плазмохімічне травлення поверхневого шару кремнію з механічними напруженнями стискання товщиною Н=1,0мкм. Потім виконували селективне рідинне травлення кремнію або полікремнію без механічних напружень стискання, які формують в кремнію плівки Si3N4. Рідинне травлення проводили у водяному розчині плавикової і азотної кислот у співвідношенні HF:HNO3:Н2О=2:5:8. Рідинне травлення проводили протягом 5-9хв. на глибину канавки h=1,8мкм.. Товщина полікремнію, що залишився, складає 1,2мкм. Цей шар полікремнію селективно окислювали і отримували локальну ізоляцію навколо епітаксійного кремнію та ділянкою кремнію 4 та повну діелектричну ізоляцію навколо епітаксійного кремнію та ділянкою кремнію 3. З ізольованих ділянок епітаксійного кремнію формували транзисторні структури або елементи другого рівня для полозкових ліній та ін. елементів об'ємних інтегральних схем, де елементи першого рівня сформовані на ізольованих ділянок 3 і 4 кремнію підкладки, а другого рівня на поверхні епітаксійного кремнію. Таким чином відповідно до приведених прикладів 1-4 показана послідовність технологічних процесів яка дозволяє одержати структури кремнію на суцільній плівці окислу кремнію. Така технологія реалізується за допомогою стандартних процесів технології виготовлення інтегральних мікросхем подібної до ізопланарної. Слід відмітити, що процеси сповільнення та прискорення швидкості бокового травлення можуть виникати і при зовнішньому впливі електричних полів, наприклад, від ефективного заряду в плівках, і визначення вкладу впливу різних полів може бути складним.