Спосіб виготовленя інтегральних схем з комбінованою ізоляцією комплементарних транзисторів

Спосіб виготовлення кремнієвих структур з комбінованою діелектричною ізоляцією комплементарних транзисторів, який включає анізотропне травлення канавок під ізоляцію, окислення рельєфної поверхні підкладки, осадження на неї шару полікристалічного кремнію, формування підкладки полікристалічного кремнію та карманів з монокристалічним кремнієм, які ізольовані між собою діелектричною плівкою оксиду кремнію, осадження епітаксійної плівки з провідністю, протилежною провідності підкладки, формування областей монокристалічного кремнію, які розташовані над карманами з монокремнію та областей полікремнію, які розташовані над полікремнієм підкладки, осадження плівок оксиду кремнію та нітриду кремнію, формування в них вікон, утворення у вікнах локального оксиду, у тому числі прокислення полікристалічного епітаксійного кремнію, який відрізняється тим, що перед осадженням епітаксійної плівки утворюють додаткові діелектричні плівки товщиною від 0,05 мкм до 4,0 мкм, додаткові діелектричні плівки U 2 27068 1 СХЕМ (11) (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕНЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ КОМПЛЕМЕНТАРНИХ ТРАНЗИСТОРІВ UA ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС (19) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 3 розміру елементів, що зменшує щільність пакування, збільшує розмір карманів, зменшує кількість придатних інтегральних схем. Загальною з аналогом ознакою є використання кремнієвих структур діелектричної ізоляції /КСДІ/ для формування комплементарних транзисторів. Прототипом заявленого рішення є спосіб виготовлення КСДІ [2]с, що включає формування КСДІ з ізольованими карманами n+-типу, нарощування епітаксіального кремнію, на якому формується оксидно-нітридна маска, розкривання в ній вікон над областями бокової ізоляції КСДІ і прокислення епітаксіального кремнію до областей ізоляції. Недоліком цього способу є осадження епітаксіального кремнію малої товщини /£3 мкм/, що зменшує можливості збільшення пробивної напруги транзисторних структур. Використання тільки карманів п+- типа провідності ускладнює формування комплементарних транзисторних структур. Нарощування товстіших епітаксіальних плівок ускладнює їх прокислення до змикання з боковою ізоляцією КСДІ. Крім того, утворюються канавки великої глибини, щілини глибиною до 2 мкм, що погіршує проведення процесів фотолітографії та формування цілісної плівки металізації. Спільними з прототипом ознаками, є: - формування КСДІ, - осадження епітаксіальної плівки, - формування локальної та повної ізоляції, - формування транзисторних структур. В основу корисної моделі покладено задачу розроблення способу виготовлення інтегральних схем з комплементарними транзисторами, який за рахунок комбінування діелектричних плівок, збільшення товщини епітаксійних плівок і збереження планарності поверхні, дозволяє забезпечити розширення функціональних можливостей інтегральних схем та підвищити технологічність їх виготовлення. Спосіб виготовлення кремнієвих структур з комбінованою діелектричною ізоляцією комплементарних транзисторів, який включає анізотропне травлення канавок під ізоляцію, окислення рельєфної поверхні підкладки, осадження на неї шару полікристалічного кремнію, формування підкладки полікристалічного кремнію та карманів з монокристалічним кремнієм, які ізольовані між собою діелектричною плівкою оксиду кремнію, осадження епітаксійної плівки з провідністю протилежною провідності підкладки, формування областей монокристалічного кремнію, які розташовані над карманами з монокремнію та областей полікремнію, які розташовані над полікремнієм підкладки, осадження плівок оксиду кремнію та нітриду кремнію, формування в них вікон, створення у вікнах локального оксиду, у тому числі прокислення полікристалічного епітаксійного кремнію, який відрізняється тим, що перед осадженням епітаксійної плівки створюють додаткові діелектричні плівки товщиною від 0,05 мкм до 4,0 мкм, додаткові діелектричні плівки створюють за допомогою плівок оксиду або комбінування плівок оксиду, нітриду кремнію та знову плівок оксиду, який одержують за 27068 4 допомогою окислення плівок полікремнію, причому товщина діелектричних плівок збільшується при збільшені товщини епітаксійною плівки, над діелектричними плівками розташовують плівки полікристалічного кремнію товщиною від 0,02 мкм до 2,0 мкм, які розташовують або над областями ізоляції або над областями ізоляції КСДІ та групою карманів, а після розкриття вікон в плівці нітриду кремнію проводять одночасно: анізотропне травлення епітаксійного монокристалічного кремнію і часткове селективне травлення полікристалічного кремнію, або тільки часткове селективне травлення полікристалічного кремнію, формують канавки з пологими боковими поверхнями, при окисленні формують локальну ізоляцію з пологою планарною поверхнею, після цього вилучають плівку нітриду кремнію над полікремнієм, селективно травлять полікремній і відкривають додаткову діелектричну плівку на поверхні ізоляції або групи карманів підкладки та пологих бокових поверхонь епітаксійного кремнію, проводять дифузію легуючої домішки в бокову поверхню епітаксійного кремнію та формують дифузійну область, яка з'єднує поверхню кристала з захованими шарами комплементарних транзисторів, і вилучають з поверхні монокристалічного кремнію підкладки відкриту додаткову діелектричну плівку. Порівняльний аналіз заявленого способу з прототипом, показує, що він відрізняється тим, що створюються додаткові плівки оксиду товщиною від 0,05 мкм до 4,0 мкм, додаткові діелектричні плівки створюють за допомогою плівок оксиду або комбінування плівок оксиду, нітриду кремнію та знову плівок оксиду, який одержують за допомогою окислення плівок полікремнію, причому товщина діелектричних плівок збільшується при збільшені товщини епітаксійною плівки, (так, щоб механічні напруги діелектричної плівки в цілому взаємно компенсувалися), та осадження полікристалічного кремнію товщиною від 0,02 мкм до 2,0 мкм, що розташовані в областях формування локальної ізоляції, яка з'єднується з повною ізоляцією карманів з монокристалічного кремнію; після осадження епітаксійної плівки, та розкриття вікон в плівці нітриду кремнію проводять одночасно: анізотропне травлення епітаксійного монокристалічного кремнію та селективне, по відношенню до бокових поверхонь областей епітаксійного монокремнія, травлення епітаксійного полікристалічного кремнію при співвідношенні швидкостей травлення монокремнія V та полікремнію V* від 1:1,4 до 1:2,2 і отримують дворівневі за глибиною канавки, з пологими боковими поверхнями, що є плоскостями (111) епітаксійного монокремнію, полікремній, який залишився на дні канавок, повністю прокислюють до змикання утворюваного окислу локальної ізоляції з додатковою плівкою оксиду кремнію, отримують планарну поверхню з повною діелектричною ізоляцією карманів з монокристалічними областями кремнію, що має області двох типів провідності. Тобто, така послідовність операцій дозволяє збільшити пробивні напруги за рахунок збільшення 5 товщини плівок епітаксії та ізоляції. Кут нахилу бокової поверхні в 55° дозволяє на такій поверхні формувати плівку металу та проводити фотолітографію. Створення додаткових плівок оксиду товщиною від 0,05 мкм до 4,0 мкм, або додаткових діелектричних плівок (за допомогою плівок оксиду або комбінування плівок оксиду, нітриду кремнію та знову плівок оксиду, який одержують за допомогою окислення плівок полікремнію так, щоб механічні напруги діелектричної плівки в цілому взаємно компенсувалися), та осадження полікристалічного кремнію товщиною від 0,02 мкм до 2,0 мкм і дозволяє збільшити товщину ізоляції до товщини з 2-3 мкм до 10 мкм, а товщини плівки епітаксії з 3 4 мкм до 14 -16 мкм. Крім того, вікна у нітриді кремнію в місцях формування повної ізоляції відкривають тільки в області полікристалічного кремнію, травлять полікристалічний кремній селективно відносно бокових поверхонь монокристалічного кремнію і отримують самосуміщення бокових поверхонь монокристалічного кремнію, що формуються під час епітаксії, та оксиду кремнію, що формується при окисленні полікремнію і формування повної ізоляції. Додаткові плівки оксиду кремнію і полікристалічного кремнію осаджують суцільно над групою карманів для формування одного із двох типів компліментарних транзисторних структур, а після селективного травлення, локального окислення, формування повної ізоляції вилучають маскувальну плівку нітриду кремнію понад карманами монокремнію з додатковими плівками оксиду кремнію та полікремнію, проводять друге селективне травлення полікремнію, відкривають додаткову діелектричну плівку на поверхні ізоляції або групи карманів підкладки та пологих бокових поверхонь епітаксійного кремнію, проводять дифузію легуючої домішки в бокову поверхню епітаксійного кремнію та формують дифузійну область, яка з'єднує поверхню кристала з захованими шарами комплементарних транзисторів, і вилучають з поверхні монокристалічного кремнію підкладки відкриту додаткову діелектричну плівку. У технічному рішенні, що заявляється, нові ознаки при взаємодії з відомими дають новий технічний результат, що дозволяє вирішити поставлене завдання. Таким чином, у порівнянні з прототипом запропоноване технічне рішення містить вищевказані істотні ознаки і, отже, відповідає вимозі „новизна". Ознаки, що відрізняють технічне рішення, що заявляється, від прототипу, не виявлені в інших технічних рішеннях при вивченні цієї галузі техніки і, отже, забезпечують рішенню, що заявляється, „винахідницький рівень". На фіг. 1 зображена КСДІ - кремнієва структура після формування в області полікремнію підкладки 1, областей монокристалічного кремнію підкладки 2, роздільної діелектричної ізоляції 3, захованих шарів 4 р+- та 5 n+- типу провідності для формування n-p-n и р-n-р транзисторів, 27068 6 додаткових плівок окисиду кремнію 7 та полікристалічного кремнію 8 з послідуючим епітаксіальним осадженням додаткового шару з областями, в яких чергуються моно- 9 та полікремній 10, а також нанесення плівки двоокису кремнію і плівки нітриду кремнію та локального витравлення вікон в плівках 11. На фіг. 2 - те ж саме, після анізотропного травлення монокристалічного кремнію 9 та селективного травлення полікремнію 10. На фіг. 3 - те ж саме, після окислення полікремнієвої плівки 10 та формування локальної ізоляції 14, яка сумісно з ізоляцією 3 формує повну ізоляцію. На фіг. 4 зображена КСДІ, яка відрізняється від КСДІ /фіг. І/ тим, що вікна в захисних плівках нітриду кремнію 11 відкриті тільки над областями полікремнію 10. На фіг. 5 - те ж саме, після селективного травлення полікремнію 10. На фіг. 6 - те к саме, після прокислення полікремнієвої плівки 10 та формування повної ізоляції 14,3. На фіг.7- показана КСДІ, яка відрізняється від КСДІ / фіг. І /, тим, що додаткову плівку полікремнію 8 з оксидом кремнію 7 формують не тільки над областями полікремнію 1, а й над групою карманів з монокремнію 2, причому, ці кармани відкривають за допомогою повторного селективного травлення епітаксійного полікремнію 10 після формування повної ізоляції. Така технологія дозволяє формувати транзисторні структури на більші пробивні напруги за рахунок збільшення товщини шарів необхідних областей, як це показано на фіг.7-9. На фіг. 8- показана КСДІ, яка відрізняється від КСДІ /фіг. 1/, тим, що для забезпечення омічного контакту плівки металізації з областю захованого п+ формується дифузійна область не за звичайною планарною технологією, за допомогою процесу дифузії бору зверху епітаксійної плівки, а за рахунок селективного травлення полікремнію 10 та проведення дифузії легуючої домішки в бокову поверхню епітаксійного кремнію та формування дифузійної області, яка з'єднує поверхню кристала з захованими шарами комплементарних транзисторів. Така технологія забезпечує зменшення часу дифузії та економить площу кристала порівняно із звичайною технологією. Приклад 1. Виготовлюють КСДІ на підкладці з полікремнію 1 і з карманами 2 з монокристалічного кремнію орієнтацією [100] р-типу провідності з питомою провідністю 1 Ом.см товщиною 19 мкм /фіг.1/. Монообласті 2 ізольовані від підкладки 1 роздільною діелектричною ізоляцією 3 з двоокису кремнію товщиною 1,2 мкм. Перед травленням рівців роздільної ізоляції КСДІ за допомогою дифузії бору проводять формування р сс+ 4 в областях розташування р-n-р транзисторів. На структурах КСДІ за допомогою тонкої імплантації легуючої домішки сурми формують nсс+ 5 в областях формування n-р-n транзисторів. Використовуючи іонну імплантацію легуючої домішки бору формують область р+- типу 7 провідності в області глибокого колектору 6 p-n-р транзистору. На робочій поверхні пластини формують додаткові плівки термічного (або піролітичного) оксиду 7 товщиною 1,0 мкм та полікристалічного кремнію 8 товщиною 0,4 мкм. За допомогою процесів фотолітографії плівки 7 і 8 стравлюють та залишають тільки над областями ізоляції 3 та підкладки 1, після чого за допомогою епітаксії при 1050°С з газової фази тетрахлориду кремнію осаджують епітаксійну плівку кремнію 9 nтипу провідності з питомою провідністю 1 Oм.см. Процес епітаксії проводять таким чином: над монокристалічними областями 2 КСДІ формують монокристалічну епітаксійну плівку 9 товщиною 4,5-5,0 мкм, а над полікристалічною плівкою 8 формують епітаксійну полікристалічну плівку 10, товщиною 2,9-3,4 мкм. Структуру окислюють до отримання плівки оксиду кремнію товщиною 0,06 мкм, після чого осаджують плівку нітриду кремнію 11 товщиною 0,12 мкм Методом фотолітографії в захисному шарі 11 формують вікна 12, після чого проводять травлення шарів 9 та 10 у розчині їдкого калію при температурі 86°С. Процес травлення проводять таким чином: монокристалічний кремній травлять на товщину 1,4 - 1,2 мкм, причому травлення проводять селективно по відношенню до бокової поверхні монообласті 13 / фіг. 2 /. У процесі травлення отримують дворівневу ямку травлення з плавними боковими поверхнями під кутом 55°. Рівень дна анізотропного травлення монокремнію знаходиться на глибині 1,4 мкм, а рівень дна в області полікремнію на глибині 2,4 мкм. Товщина полікремнію, що залишився, складає 1,2 мкм. Цей шар полікремнію прокислюють і отримують повну ізоляцію. Причому, товщина монокристалічного кремнію 6, що окислений, складає 0,9 мкм, а полікристалічного кремнію 1,2 мкм, при цьому локальний оксид в області монокремнію 9 знаходиться на 0,4 мкм вище рівня монокремнію 9, а локальний оксид, в області плівки 10 знаходиться нижче на 0,5 мкм. Причому переходи між поверхнями різних рівнів плавні і складають кут 55°. Для одержання повністю планарної поверхні досить збільшити товщину плівки окислу кремнію 7. Перевагою ямки з дном у двох плоскостях, в порівнянні з звичайною ямкою є можливість управління планарністю структури, за рахунок зміни товщини додаткових плівок, використовування самосуміщення області формування повної ізоляції, за рахунок більшої швидкості травлення і окислення плівки полікремнію 10 в порівнянні з монокремнієм 9. Так швидкість травлення VполіSi»VSi (111), крім того розбивка однієї бокової поверхні ямки травлення на дві: в області монокремнію 9 та в області полікремнію 10 дозволяє зменшити порушення планарності 14, що притаманне для локального окислення кремнію 6 над маскою нітриду кремнію 11 / фіг. 3 /. Приклад 2. Відкриття вікон 12 у нітриді кремнію 11 в областях формування повної ізоляції, в області полікремнію 10 /фіг. 4 / дозволяє проводити формування локального оксиду тільки на боковій поверхні областей монокремнію, що 27068 8 дозволяє зменшити розмір елементів та підвищити компактність їх пакування. Як і в першому випадку, травлення проводять у розчині їдкого калію при температурі 86°С, але в цьому випадку травлять тільки полікремній 10 і не травлять бокові поверхні 13 /фіг. 5/, що є площинами (111). Залишають полікремній 10 товщиною 1,3 мкм, який потім прокислюють на установці "Термоком" під тиском кисню в 6-8 атмосфер і температурі 1150°С. Після прокислення одержують планарну поверхню / фіг. 6 /. При формуванні комплементарних транзисторів в плівці 9 /фіг.3/, для одного типу транзисторів, наприклад p-n-р, базою є безпосередньо плівки 9, а для другого типу транзисторів, наприклад n-p-n, база формується за допомогою процесів дифузії. Такі конструктивні відзнаки позначаються на ідентичності функціональних характеристик. Для цього можливо зберігати подібність їх конструкцій, наприклад, шляхом формування дифузійних баз і для n-p-n транзисторів в плівці 9 і для p-n-р транзисторів в монокремнії 2 (фіг. 7-9). Подібні розділення дозволяють збільшити товщини колекторних та базових шарів та підвищити пробивні напруги. Для цього на поверхні карманів в монокремнію 2 (фіг.8) формують плівки оксиду кремнію 7 товщиною 0,5 мкм і плівки полікремнію 8 товщиною 0,5 мкм. Після чого проводять епітаксійне нарощування монокристалічного кремнію 6 товщиною 5 мкм над монокремнієм 2 і полікристалічного кремнію 10 товщиною 3 мкм над плівкою полікристалічного кремнію 8. Після епітаксії формують захисні плівки окису кремнію і нітриду кремнію. Потім в плівці II формують вікна 12, в котрих проводять травлення, локальне окислення, формування повної ізоляції 14. Після формування ізоляції за допомогою процесів фотолітографії відкривають вікна в плівці II над групою карманів монокремнію 2 з додатковими плівками 7 та 8. Потім проводять друге селективне травлення плівки полікремнію 10 у розчині їдкого калію при температурі 86°С. При цьому плівка полікремнію 10 стравлюється повністю. Таким чином, відкривають окислену поверхню монокремнію 2 для формування р-n-р транзисторних структур. Відкривають і пологі бокові поверхні епітаксiйного кремнію 9, проводять дифузію легуючої домішки в бокову поверхню епітаксійного кремнію 9 та формують дифузійну область, яка з'єднує поверхню кристала з захованими шарами комплементарних транзисторів. Транзисторні структури формуються за допомогою звичайних процесів, що використовують в технології мікроелектроніки. Кармани монокремнію можуть відкриватися частково, повністю або у вигляді групи карманів. В будь-якому з цих випадків монокремній 2 відкривають одночасно з областями, що прилягають до областей с діелектричною ізоляцією 3 і полікремнієм підложки 1. При цьому бокові поверхні областей, що прилягають до областей епітаксійного моно кремнію 6, є 9 площинами III, котрі розташовані під кутом 55°С к поверхні. Такий нахил дозволяє сформувати плівки металізації та провести процеси фотолітографії на бокових поверхнях епітаксійного кремнію висотою від 0,1 до 10 мкм. Додаткові плівки оксиду кремнію можуть маскувати не тільки всю поверхню карманів з метою їх відкриття після епітаксії, але і частину поверхні одного карману, що дозволяє після другого селективного травлення відкрити приховані шари цього карману та створювати контакти до захованих шарів безпосередньо. Товщину додаткової плівки оксиду dSiO2 для формування планарної поверхні легко визначити за допомогою формули : dSiO2 = deni Si - dSiO2 лок де deni Si - товщина епітаксійної плівки, dSiO2 лок (=2-4 мкм) - товщина оксиду локальної ізоляції. Якщо товщину епітаксійної плівки необхідно збільшити до dcnj Si = 5-7 мкм, то товщину додаткової плівки оксиду dSi02 збільшують до 2-4 мкм за рахунок комбінування діелектричних плівок нітриду кремнію та оксиду кремнію, причому товщини плівок вибирають так, щоб механічні напруги від різних плівок врівноважувалися а при їх складанні зменшувалися до незначних величин. Плівки оксиду кремнію на плівці нітриду кремнію формують за допомогою піролітичного осадження або осадження та окислення полікристалічного кремнію. Даний спосіб виготовлення інтегральних схем з комбінованою ізоляцією комплементарних транзисторів може бути використаний при виготовлені радіаційно стійких мікросхем для роботи в літаках, супутниках та приладах, що працюють в важких умовах. Так, наприклад, при реалізації мікросхем 1567АП1 та 1567АП2, що розроблені в ГКБ „Елміс" м. Запоріжжя, для обміну інформацією на борту літаків. Впровадження цих мікросхем може зменшити вагу літаків на 800-1500 кг, підвищити надійність та швидкість обміну інформацією. Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що технічне рішення, що заявляється, задовольняє критерію „промислове застосування". Джерела інформації: 1. Патент України № 69040. МКВ7 Н01 L21/76.Спосіб виготовлення інтегральних мікросхем з комплементарними транзисторами /О.В. Горбань, В.В. Кравчина, В.О. Костенко(Україна).- № 20031110794; Заявлено 28.11.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл №8. 2. А.С. СРСР № 1616445. МКВ5 Н01 L21/76. Способ изготовления кремниевых структур с диэлектрической изоляцией /В.А.Липко, Н.В.Макаренко, А.П.Трещун, В.В.Кравчина, В.Н.Синеокий. - №4486898/24-25; Заявлено 26.09.88. 27068 10 11 27068 12