Спосіб виготовлення нестандартних “кремній-на-ізоляторі”-структур

1. Спосіб виготовлення нестандартних "кремній-на-ізоляторі"-структур, що включає маскування поверхні кремнієвої пластини за заданою топологією ділянками плівки нітриду кремнію, витравлення в пластині в незамаскованих місцях вертикальних щілин заданої глибини, їх покриття нітридом кремнію та його селективне витравлювання на дні щілин, поглиблення щілин та формування бокових порожнин-тунелів витравлюванням кремнію під поверхнею пластини, який відрізняється тим, що 3 окислу, заповнюються проміжки під ними, тобто між ділянками поверхневого і утопленого шарів nтипу провідності. Оскільки анодуванню підлягають кремнієві пластини р-типу провідності, вказаним методом можна створювати локальні, і з частковою ізоляцією від пластини, КНІ-структури n-типу провідності, які розташовані на пластині за певною заданою топологією, в даному випадку, регулярнорозташованими у вигляді сітки. Такі структури можуть бути вигідними для створення, наприклад, інтегральних схем з регулярною структурою. Проте недоліком даного методу є те, що КНІ-структури мають лише один тип провідності, чим обмежуються можливості їх використання, а застосування високоенергетичного обладнання для легування протонами водню для зміни типу провідності у локальних місцях на заданій глибині під поверхнею пластини ускладнює технологію одержання таких структур і робить їх дорогими. Аналіз сучасних тенденцій розвитку мікроелектроніки показує суттєве зростання ступеня інтеграції та зменшення топологічних розмірів елементів до субмікрометрових, глибокосубмікрометрових і нанометрових; актуальними є проблеми інтеграції на одному кристалі різноманітних як сенсорних, так і актюаторних елементів, схем контролю і управління для створення мікросистем- і мікролабораторій-на-кристалі, формування тривимірних елементів, що вимагає необхідності мати на одному кристалі різні типи вихідних структур для розширення можливостей конструювання на їх основі приладної елементної бази. В реальних інтегральних пристроях, як правило, для реалізації їх активної частини, використовується лише 20-40 % площі кристалу, а решта частини площі поверхні кристалу використовується, як правило, для міжелементної ізоляції, і підлягає проокисленню або утворенню ізолюючих щілин. Тому перспективними, на відміну від традиційних, або стандартних, методів створення (SIMOX, Eltran, BESOI, ZMR) і отримуваних стандартних КНІ-структур, є розробка нових, нетрадиційних і нестандартних методів і отримуваних нестандартних КНІ-структур, зокрема локальних, за заданою топологією, включаючи їх тривимірні конфігурації і багаторівневі, які стануть вихідним матеріалом для конструювання перспективної елементної бази 1С, мікросистем- і мікролабораторій-на-кристалі. Тому виходячи з цих аргументів, перспективним підходом формування КНІ-структур видаються нестандартні методи створення локальних, за заданою топологією, із високою досконалістю, тривимірних КНІ-структур, розташованих у двох або більше рівнях, в яких будуть реалізовані активні приладні елементи, з можливостями створення як тривимірних архітектур, так і стандартних планарних, а також можливостей використання на одному кристалі як КНІ-структур, так І стандартних об'ємних. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб виготовлення локальних, тобто розташованих за заданою топологією, тривимірних структур "кремній-на-ізоляторі"[2], які створюють комбінуючи методи маскування плівкою із нітриду кремнію, 65226 4 селективного плазмохімічного анізотропного та ізотропного травлення зі сторони робочої поверхні кремнієвої пластини для формування вертикальних щілин, їх поглиблення, формування горизонтальних порожнин-тунелів під поверхнею кремнієвої пластини в місцях КНІ-острівців, їх локального окислення, планаризації поверхні пластини піролітичним окислом та його витравлення у вертикальних щілинах на задану глибину. Цей спосіб, у порівнянні з аналогом є більш технологічним і перспективним, оскільки відкриває додаткові можливості конструювання нових приладних елементів, включаючи їх тривимірні архітектури. Оскільки цим методом можна формувати локальні тривимірні мікроструктури типу "кремнійна-ізоляторі", а саме ділянки кристалічного кремнію ізольовані від пластини окислом кремнію сформованим на заданій глибині під поверхнею пластини і створювати на цій основі мікроелектронні пристрої. Наприклад, МОН-прилади, як зі стандартними, планарними конструкціями на поверхні локальних ділянок КНІ-структур, так і з об'ємними, тривимірними конфігураціями, наприклад, затвором, який може бути створений як на поверхні, так і на бокових вертикальних стінках КНІ-структур. Однак, однорівнева реалізація таких КНІструктур обмежує можливості конструювання нових приладних елементів, особливо сенсорної електроніки та мікросистемної техніки, оскільки для побудови інтегрованих мікросистем та мікролабораторій-на-кристалі, які б включали сенсорні та актюаторні елементи, схеми обробки інформації від них, мікропорожнини та мікроканали в кремнієвій пластині було б доцільним мати можливості конструювання на одному кристалі об'ємних, тривимірних КНІ-елементів як з різними товщинами КНІ-плівок, так і сформованих на різних рівнях, а також безпосередньо і в об'ємному кремнії. В основу корисної моделі пропонованого способу поставлена задача розширення можливостей конструювання різноманітних приладних архітектур на одному кристалі, в тому числі проектування елементної бази для інтегрованих мікросистем та мікролабораторій-на-кристалі. Поставлена задача вирішується тим, що у способі виготовлення локальних тривимірних КНІструктур, який включає маскування поверхні кремнієвої пластини за заданою топологією ділянками плівки нітриду кремнію, витравлення в пластині в незамаскованих місцях вертикальних щілин заданої глибини, їх покриття нітридом кремнію та його селективне витравлювання на дні щілин, поглиблення щілин та формування бокових порожнинтунелів витравлюванням кремнію під поверхнею пластини, для досягнення поставленої мети, локальні тривимірні КНІ-структури формують дворівневими методами фотолітографії, ізотропного та анізотропного реактивного іонного травлення з приладної сторони пластини зі структурою КНІ з утворенням вертикальних щілин, через які під поверхнею першого шару "кремній-на-ізоляторі" в кремнієвій пластині витравлюють горизонтальні порожнини-тунелі, розділені кремнієвими перегородками і котрі розміщені під першим рівнем КНІострівців та наступного термічного окислення по 5 верхонь порожнин-тунелів до повного одночасного проокислення кремнієвих перегородок. Новим у цьому способі є також і те, що для формування планарної поверхні пластини з дворівневими КНІ-структурами термічне проокислення кремнієвих перегородок призупиняють одразу після змикання окислів між поверхнями стінок сусідніх порожнин. Приклад конкретного виконання Суть пропонованого способу пояснюється фіг. 1-10, на яких зображено результати приладнотехнологічного моделювання послідовності базових технологічних операцій виготовлення нестандартних КНІ-структур згідно із корисною моделлю у вигляді їх поперечних перерізів. Перелік фігур креслення та прийняті позначення Фіг.1 - поперечний переріз вихідної пластини зі структурою КНІ зі сформованими на її поверхні маскуючими елементами із шару Si3N4; Фіг.2 - поперечний переріз структури після ізотропного травлення незамаскованих ділянок плівки кремнію в КНІ - структурі першого рівня; Фіг.3 - поперечний переріз структури після анізотропного травлення окислу кремнію до поверхні з кремнієвою пластиною; Фіг.4. - поперечний переріз структури після анізотропного PIT в кремнієвій пластині вертикальних щілин; Фіг.5. - поперечний переріз структури після осадження на поверхню КНІ-пластини і щілин плівки Si3N4; Фіг.6. - поперечний переріз структури після для відкриття поверхні дна вертикальної щілини в кремнієвій пластині; Фіг.7. - поперечний переріз структури зі сформованими горизонтальними порожнинамитунелями; Фіг.8. - поперечний переріз структури після термічного окислення поверхонь порожнин і проокислення перегородок (t=80 хв., Т=1100 °C). Фіг.9. - поперечний переріз структури після термічного окислення поверхонь порожнин і проокислення перегородок (t=30 хв., Т=1100 °C). Фіг.10. - поперечний переріз нестандартної дворівневої КНІ-структури з відкритими поверхнями кремнію. На фіг. 1-10 цифрами позначені: 1 - кремнієва пластина, наприклад, КДБ-40 з кристалографічною орієнтацією поверхні (100); 2 - захований окисел кремнію в КНІ-структурі першого рівня; 3- плівка кремнію в КНІ-структурі першого рівня (елементи 1, 2 і 3 утворюють пластину з КНІ-структурою першого рівня); А- локальні ділянки плівки нітриду кремнію Si3N4 (або оксинітриду кремнію) товщиною 0,1 мкм; 5- вертикальна щілина в пластині, отримана реактивним іонним травленням кремнієвої пластини; 6- осаджена на поверхню КНІ-пластини і щілин плівка нітриду кремнію Si3N4 товщиною 0,05 мкм; 7- відкрита поверхня дна вертикальної щілини в кремнієвій пластині; 8- незахищена поверхня горизонтальної порожнини-тунелю в кремнієвій пластині, утворена поглибленням щілин анізотропним реактивним іонним травленням (РІТ) та наступним ізотропним PIT кремнію; 9 - елемент 65226 6 для тривимірної КНІ-структури другого рівня; 10 кремнієва перегородка між сусідніми порожнинами; 11- ділянки плівки Si3N4, які звисають з вертикальних стінок щілин в порожнину; 12-окисел на поверхні горизонтальних порожнин-тунелів, утворений термічним окисленням поверхонь порожнин 8 з одночасним проокисленням кремнієвих перегородок 10 на їх повну товщину; 13 - локальна плівка кремнію в КНІ-структурі першого рівня. На кожній із фігур 1-10 подані горизонтальні і вертикальні шкали у мікрометрах, які дозволяють оцінити реальні топологічні розміри елементів і їх товщини на поперечних перерізах дворівневих КНІ-структур. Всі перерізи структур, зображені на фіг. 1-10, отримано в результаті комп'ютерного приладнотехнологічного моделювання. Технологічна послідовність виготовлення нестандартних "кремній-на-ізоляторі"-структур відповідно до фіг. 1-10 є наступною: на фіг.1 зображено кремнієву пластину 1 зі структурою КНІ, утвореною шарами 3 і 2, на яку осаджено шар Si3N44 товщиною 0,1 мкм, і на якій методом фотолітографії та плазмо-хімічного травлення плівки Si3N4 на всю її товщину до поверхні з кремнієвою плівкою в КНІ-структурі першого рівня сформовано вікна шириною 1 мкм і необхідної довжини, яка визначається топологічними розмірами приладних структур, наприклад, довжиною каналу КНІ МОН-транзистора; на фіг.2 зображено поперечний переріз структури після ізотропного плазмохімічного травлення незамаскованих ділянок кремнієвої плівки 3 в КНІструктурі першого рівня на всю її товщину 0,4 мкм до поверхні окислу кремнію 2; на фіг.3 зображено поперечний переріз структури після анізотропного травлення окислу кремнію 2 товщиною 0,1 мкм до поверхні кремнієвої пластини 1; на фіг.4 зображено поперечний переріз структури після наступної технологічної операції, а саме, після анізотропного PIT в кремнієвій пластині 1 через відкриті вікна в окислі 2 вертикальних щілин 5 глибиною 1 мкм; на фіг.5 зображено поперечний переріз структури після осадження на поверхню КНІ-пластини і щілин плівки нітриду кремнію Si3N46 товщиною 0,05 мкм; на фіг.6. зображено поперечний переріз структури після травлення плівки Si3N46 для відкриття поверхні 7 дна вертикальної щілини в кремнієвій пластині; на фіг.7. зображено поперечний переріз структури після наступної операції поглиблення щілин анізотропним травленням та формування горизонтальних порожнин-тунелів ізотропним травленням кремнієвої пластини 1 та одночасним утворенням кремнієвих перегородок 10 між сусідніми порожнинами, локальних кремнієвих острівців 9 для КНІструктур другого рівня та звисаючих в порожнини ділянок 11 плівки Si3N4; на фіг. 8 зображено поперечний переріз структури після наступної операції термічного окислення кремнію на поверхнях порожнин з одночасним повним проокисленням кремнієвих перегородок 10 впродовж 80 хв. при температурі 1100 °C для 7 створення ізольованих від пластини тривимірних локальних областей кристалічного кремнію 9 і 13, розміщених відповідно на окислах 12 і 2, утворюючи дворівневі КНІ-структури. Для вказаного режиму окислення локальна дворівнева КНІ-структура, утворена елементами 13, 2, 9 і 12 піднімається над поверхнею вихідної КНІ-пластини приблизно на 0,4 мкм, а під дією термічного окислу нависаючі в порожнини ділянки 11 плівки SisN4 деформуються з несиметричним профілем відносно вертикальних щілин; на фіг. 9 зображено поперечний переріз структури згідно фіг. 8, але зі зменшеним до 30 хв. часом термічного окислення. Вказаний режим вибрано з умови проокислення кремнієвих перегородок 10 і припинення окислення одразу після змикання окислів між поверхнями сусідніх порожнин. Такий режим забезпечує планарну поверхню дворівневої КНІ-структури і вихідної КНІпластини, а нависаючі в порожнини ділянки 11 плівки Si3N4 деформуються і мають симетричний профіль відносно вертикальних щілин; на фіг. 10 зображено поперечний переріз структури згідно фіг. 9 після зняття травленням плівки Si3N4 з поверхні вихідної КНІ-пластини та утвореної елементами 13, 2, 9, 12 і 1 дворівневої КНІструктури. Отримана описаним методом нестандартна дворівнева КНІ-структура з відкритими поверхнями кремнію, включаючи вертикальні стінки є придатною для приладних застосувань. Для приладних застосувань можуть бути також використані й отримані проміжні структури, зокрема згідно фіг.7-9. Отже, як видно із результатів приладотехнологічного комп'ютерного моделювання, запропонованим методом можна формувати дворівневі локальні тривимірні мікроструктури типу "кремній-на-ізоляторі", а саме ділянки монокристалічного кремнію ізольовані від пластини окислом кремнію, сформованим на заданій глибині під поверхнею пластини, що є нижнім, другим рівнем КНІ-структур і над яким в процесі формування другого рівня одночасно утворюється і перший рівень КНІ-структур із вихідної КНІпластини. Оскільки такі структури сформовані нетрадиційними методами на відміну від відомих технологій виготовлення пластин зі структурою КНІ, їх можна вважати нестандартними. Розташування отриманих КНІ-структур на двох рівнях і їх 65226 8 повна ізоляція як від основної пластини, так і між собою суттєво розширить можливості конструювання нової елементної бази для дискретних приладів, IС, мікросистем- і мікролабораторій-накристалі. На запропонованих структурах можуть бути реалізовані, наприклад, МОН-прилади, як зі стандартними, планарними конструкціями на поверхні локальних ділянок КНІ-структур, так і з об'ємними, тривимірними конфігураціями, наприклад, затвором, який може бути створений як на поверхні, так і на бокових вертикальних стінках КНІ-структур. Окрім цього, такі локальні тривимірні КНІструктури, формування яких є "прив'язаним" до топології мікроелектронних пристроїв, можуть також успішно застосовуватися для проектування мікросенсорів, елементів мікросистемної техніки, створення інтегрованих мікросистем-на-кристалі, одночасного створення як КНІ-приладІв, так і приладів на основі об'ємного кремнію на ділянках кристалу вільних від КНІ-структур, що розширить можливості конструювання елементної бази. Отже, запропонованим способом доцільно створювати дворівневі локальні, формування яких є "прив'язаним" до топології мікроелектронних пристроїв, дворівневі мікро- і наноструктури типу КНІ, а також комбіновані, які можуть бути поєднані за сумісними технологіями виготовлення з мікропорожнинами під поверхнею КНІ-пластини і розміщення яких задається топологією приладних елементів IC, мікросистем або мікролабораторій-накристалі на стадії проектування для побудови на цій основі, наприклад, МОН-транзисторів з планарними або тривимірними затворами із субмікрометровими чи нанометровими розмірами, сенсорних елементів і їх монолітної конструктивної та технологічної інтеграції з можливостями реалізації цих елементів на першому і/або другому КНІ-шарі, а також об'ємному кремнії. Джерела інформації: [1]. Physical and Technical Problems of SOI Structures and Devices. Ed. by J.P. Collinge, V.S. Lysenko and A.N. Nazarov. 1995 Kluwer Academic Pudlishers, Printed in Netherlands. NATO ASI Series 3: High Technology - Vol.4, pp.41-42. [2]. Патент України №36463UA "Спосіб виготовлення тривимірних структур "кремній-наізоляторі". Опубл. бюл. №20 від 27.10.2008 р. Когут І.Т., Голота В.І., Дружинін А.О., Сапон С.В. 9 65226 10 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 65226 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601