Введение к работе
-3-
АКТУАЛЬНОСТЬ. Основные направления развития современной микроэлектроники - увеличение степени интеграции и повышение быстродействия. Эти фундаментальные параметры в существенной степени зависят от размеров элементов полупроводниковых приборов и ИС. Для решения указанных проблем используют ряд технических идей: масштабированное уменьшение размеров элементов с помощью методов литографии, применение сухих процессов травления, совершенных методов изоляции активных элементов полупроводниковых устройств и т.п.
Однако, несмотря на значительный прогресс в большинстве областей технологии микроэлектроники, технология металлизации, в частности технология контактной металлизации (омических и контактов Шотки) в значительной степени сдерживает эффективное развитие современных полупроводниковых приборов и ИС. Вызвано это тем, что система металлизации является едва ли не единственной консервативной (с точки зрения уменьшения размеров) составляющей в "системе жизнеобеспечения" полупроводниковых приборов и ИС. С повышением степени интеграции металлизация занимает все большую площадь и начинает вносить значительный вклад в основные параметры схем: площадь кристалла, быстродействие, показатель качества, помехоустойчивость, надежность и др.
При создании контактной системы металлизации в полупроводниковых устройствах с субмикронными размерами возникают качественно новые проблемы. Так, с уменьшением размеров существенно повышается переходное сопротивление омических контактов. При формировании контактов с субмикронными размерами с применением традиционных технологий оно составляет величину - 10-1000 Ом. Т.е. падением напряжения в таких контактах уже нельзя пренебрегать в сравнении с общим падением напряжения в микроструктурах. Контакты начинают вносить значительный вклад в быст-
-4-родействие полупроводниковых устройств. Актуальными являются задачи формирования малопроникающих омических контактов к диффузионным областям в кремнии малой глубины,' обеспечения их дальнейшей тепловой устойчивости и др.
Таким образом, наличие множества специфических проблем в технологии создания эффективных контактных систем металлизации современных полупроводниковых приборов и ИС обусловило интенсивные исследования в последнее время в данном направлении как у нас в стране, так и за рубежом.
Важность данного направления работы для развития отечественной микроэлектроники подтверждена включением его в Государственную Научно- техническую программу "Перспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроники".
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью работы было развитие физико- технологических основ создания в составе кремниевых полупроводниковых приборов и ИС с мелкозалегающими р-п- переходами омических контактов и контактов Шотки, характеризующихся повышенной тепловой устойчивостью, улучшенными основными электрофизическими параметрами и повышенной их воспроизводимостью.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:
развить физическое представление о барьерообразовании в реальных контактах металл - ковалентный полупроводник, позволяющее объяснить существующие экспериментальные сведения о зависимости высоты барьера контактов от конструктивно- технологических параметров;
разработать приближенные аналитические модели омических и выпрямляющих контактов к кремнию, позволяющие удовлетворительно рассчитать основные параметры реальных контактов;
-5-исследовать закономерности влияния кислорода, содержащегося в среде отжига и в пленке металла на кинетику процесса твердофазного силици-дообразования в системе Ti-Si, и разработать способ силицидообразова-ния, отличающийся технологической простотой и характеризующийся повышенной воспроизводимостью толщины формируемого слоя дисилици-да титана (С54);
исследовать эффект перераспределения примесей в кремнии в процессе силицидообразования и последующих термообработок и разработать технологическое решение, позволяющее минимизировать этот эффект; разработать технологический способ одновременного формирования самосовмещенных силицидных омических контактов и полицидных затворов МДП- транзисторных структур, позволяющий уменьшить латеральный рост силицида;
провести комплексное исследование процесса выращивания пленок окисла кремния на поверхности силицида титана и установить закономерности влияния технологических факторов на электрическую прочность окисла; исследовать закономерности поведения электрофизических параметров (высота барьера, коэффициент неидеальности) от технологических условий формирования контактов Шотки к кремнию п- и р- типа на основе силицида титана;
исследовать конструктивно — технологические особенности метода Ше-нона - как метода создания контактов Шотки с регулируемым в широких пределах значением высоты барьера на основе одного барьерообразующе-го металла;
исследовать закономерности влияния зарядового состояния маскирующего окисла на параметры обратной ветви ВАХ планарных контактов Шотки с расширенной металлизацией и разработать конструкции и технологические приемы формирования контактов, отличающихся улучшенной обратной ветвью ВАХ;
- провести поиск материала слоя диффузионного барьера и разработать технологию формирования термостабильных силицидных контактов в системах металлизации с алюминиевой разводкой. НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующих результатах:
-
Впервые установлено, что на высоту барьера в реальных локальных контактах металл - ковалентный полупроводник в значительной степени влияют механические напряжения, встроенные в приповерхностную область полупроводника, величина и характер распределения которых вдоль контакта зависят от конструктивного оформления контакта и технологических условий его формирования.
-
Предложена физическая модель барьерообразования в реальных контактах металл - высоколегированный ковалентный полупроводник, учитывающая влияние на высоту барьера эффекта модуляции ширины запрещенной зоны полупроводника от уровня его легирования и механических напряжений, встроенных в приповерхностную область полупроводника, связанных с конструктивным оформлением контакта и параметрами легирующей полупроводник примеси. Введено представление о физически однородных и физически неоднородных контактах, основанное на выявленных особенностях распределения значений высоты барьера в различных участках реальных контактов.
-
Предложена качественная физическая модель процесса твердофазного си-лицидообразования в системе Ті - Si, учитывающая особенности ваканси-онного механизма диффузии Si в системе и влияние кислорода, содержащегося в атмосфере отжига и в пленке титана, на кинетику роста и фазовый состав силицида титана. Впервые установлено, что как термообработка в сверхвысоком вакууме, так и во влагосодержащей среде создают условия для максимальной скорости диффузии Si в системе, обеспечивая образование дисилицида титана (С54) при пониженной температуре.
-
Установлены закономерности способа формирования малопроникающих силицидных контактов, основанного на самоостанавливающемся процессе образования двухслойной структуры: силицид титана - окисел титана при термообработке системы Ті - Si во влагосодержащей среде.
-
Впервые показано, что при термообработке пленки Ті во влагосодержащей среде возможно формирование слоя окисла титана нестехиометриче-ского состава (ТЮг.х, где х<0,5) с высокой проводимостью (pv -100 мкОмсм). Установлено, что окисел титана проявляет эффективные барьерные свойства для диффузии в нем алюминия.
-
Установлены закономерности поведения электрофизических параметров (высота барьера, коэффициент неидеальности) контакта Шотки Ті - Si (п-и р- типа) при его термообработке в диапазоне (400 - 700)С. Выявлено, что контакты Шотки на основе силицида титана представляют собой модифицированные контакты Бардина, в которых наряду с влиянием на высоту барьера поверхностных состояний полупроводника проявляется зависимость высоты барьера от работы выхода из силицида различного фазового состава.
-
Впервые показано, что уменьшению обратного тока в контактах Шотки с расширенной металлизацией к Si п- и р- типа способствует минимизация величины механических напряжений, встроенных в маскирующий диэлектрик. Минимизация положительного заряда в диэлектрике приводит к существенному повышению пробивного напряжения и снижению величины обратного тока в контактах к п- Si.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные конструкции, технологические маршруты и отдельные операции формирования омических контактов и контактов Шотки позволяют организовать разработку и изготовление кремниевых полупроводниковых приборов, активных элементов ИС с мелкозалегающими р-п-переходами, а также активных элементов в составе 3-х мерных ИС на основе кремния па изоляторе, в которых контактная
-8-металлизация характеризуется улучшенными электрофизическими параметрами, повышенной их воспроизводимостью и термостабильностью, существенной простотой технологии формирования. Соответствующие результаты диссертационной работы внедрены или использованы в х/д НИР на ряде предприятий микроэлектроники: НИИМЭ, г.Москва ("Память-И", "Память-13", "Память-15"); НИИТТ, г.Москва ("Инверсия", "Инверсия-2", "Инверсия-3", " Интрада", "Энергия 88-2"); НИИМП, г.Москва ("Интонация", "Идея"); НИИФП г.Москва ("Инвазия"); ОКБ ПО "Гамма", г.Запорожье ("Память-20", "Ирбис", "Ирбис-2"); НИИИТ г.Москва; з-д "Протон" г.Москва; НПК " Технологический центр" МИЭТ, г.Москва.
Разработанная технология получения проводящих пленок окисла титана нестехиометрического состава явилась основой для создания эффективных чувствительных элементов микромеханических болометров; покрытий проводящих кремниевых кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Изготовленные по разработанной технологии проводящие кантилеве-ры СЗМ были реализованы в следующие исследовательские центры и фирмы в России и зарубежных странах:
Казанский физико- технический институт КНЦ РАН. г. Казань;
Институт аналитического приборостроения РАН, г. Санкт- Петербург;
Лаборатория им. Лоуренса Беркли Калифорнийского университета, г. Беркли, США;
Федеральный институт исследования и тестирования материалов, г. Берлин, Германия;
Лейвенский университет, г. Лейвен, Бельгия;
Научный Вейцмановский институт, г.Реховот, Израиль;
Фирма "Seiko", Япония.
Развитое представление о барьерообразовании в контактах металл -ковалентный полупроводник и полученные приближенные аналитические
-9-выражения для оценки высоты барьера контактов металл - высокоомный полупроводник и металл - низкоомный полупроводник позволяют оптимизировать конструкции и технологии изготовления контактов в составе полупроводниковых приборов и ИС с точки зрения улучшения их основных электрофизических параметров, повышения их воспроизводимости, а также могут быть эффективно использованы при приборно- технологическом моделировании реальных полупроводниковых структур, содержащих контакты металл- полупроводник.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР, проводимых в рамках научного направления вуза "Физические исследования, проектирование и технология полупроводниковых устройств" - "Индикатор", "Итог", "Измеритель", "№607-ГБ-Б", а также в НИР, проводимых в соответствии с конкурсами Грантов Министерства общего и профессионального образования по фундаментальным исследованиям в области электроники и радиоэлектроники в 1993-1996 г.- "№415-ГБ-Г", "№667-ГБ-Г ".
Результаты исследований использованы в учебном процессе при чтении автором в МИЭТ оригинального курса лекций "Контактные системы в технологии СБИС" и курсов "Технология СБИС" и "Основы технологии микроэлектроники", при написании 2 учебных пособий, при разработке и постановке ряда лабораторных работ по соответствующим курсам.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и демонстрировались на следующих конференциях, семинарах и выставках: Всесоюзный семинар "Полупроводниковые приборы с барьером Шотки", Киев, 1980; Всесоюзная конференция "Физические проблемы МДП интегральной электроники", Севастополь, 1980; 1 Всесоюзная конференция по физике и технологии тонких пленок, Ивано-Франковскк,1981; X Всесоюзная научная конференция по микроэлектронике, Таганрог, 1982; II научно- техническая конференция молодых ученых и специалистов МИЭТ, Москва, 1982; Всесоюзная школа - семинар "Физические основы и надежность при-
-10-боров с барьером Шотки", Киев,1983; Y республиканская конференция молодых ученых и специалистов, Тбилиси, 1983; Всесоюзная конференция "Применение технологии и оборудования для ионной имплантации в промышленности", Таллинн, 1984; IY Координационное совещание по проблемам "Исследование, разработка и применение интегральных полупроводниковых схем памяти", Москва, 1984; Научно- технический семинар Северозападного региона "Физические и химические явления на поверхности полупроводников и границах раздела фаз, управляющие качеством слоистых систем в интегральной электронике", Ленинград, 1985; XII Всесоюзная научная конференция по микроэлектронике, Тбилиси, 1987; VII научно- техническая конференция молодых ученых и специалистов МИЭТ, Москва, 1987; VI Координационное совещание по проблеме "Память". Развитие методов проектирования и изготовления интегральных запоминающих устройств. Москва, 1988; III Всесоюзная конференция по физике и технологии тонких пленок. Ивано-Франковск. 1990; VII Координационное совещание по проблеме "Память". Развитие методов проектирования и изготовления интегральных запоминающих устройств. Москва, 1991; Всероссийская научно-техническая конференция. Датчик- 94. Гурзуф,1994; Всероссийская конференция по микроэлектронике. Таганрог, 1994; Всероссийская конференция" Микроэлектроника - 94 ". Звенигород. 1994; 40 Международный научный коллоквиум. Илменау. Германия. 1995; Всероссийская конференция "Активируемые процессы". Иваново.1995; Межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика".Москва.1997; Всероссийская научно- техническая конференция "Электроника и информати-ка".Москва.1997; 9-я Международная конференция (выставка) "Scanning-97". Монтерей. США. 1997; 9-я Международная конференция (выставка) по сканирующей туннельной микроскопии "STM-97". Гамбург. Германия. 1997; 44-й Национальный симпозиум (выставка) по вакуумной технике. Сан-Хосе. Калифорния. США. 1997; Всероссийское совещание (выставка). Зондовая
микроскопия-98. Нижний Новгород. 1998; Всероссийская конференция "Датчик-98". Гурзуф. 1998.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликованы 72 работы, в том числе 20 научно- технических отчетов по НИР ( руководитель, ответственный исполнитель или исполнитель), 2 учебных пособия и 8 авторских свидетельств на изобретение.
на высоту барьера в реальных локальных контактах металл - кова-лентный полупроводник в значительной степени влияют механические напряжения, встроенные в приповерхностную область полупроводника, величина и характер распределения которых вдоль контакта зависят от конструктивного оформления контакта и технологических условий его формирования;
при численном моделировании переходного сопротивления омических контактов к кремнию на основе модели одномерного квантово - механического туннелирования через барьер необходимо учитывать явление перераспределения примеси в полупроводнике при формировании контакта, влияние на высоту барьера встроенных в полупроводник механических напряжений и изменения ширины запрещенной зоны полупроводника от уровня его легирования;
кинетика процесса твердофазного силицидообразования в системе Ti-Si связана с особенностями вакансионного механизма диффузии Si и зависит от концентрации кислорода в среде отжига и в пленке титана. Как термообработка в сверхвысоком вакууме, так и во вла-госодержащей среде создают условия для максимальной скорости диффузии кремния в системе, обеспечивая образование дисилицида титана (С54) при пониженной температуре;
. при термообработке пленки Ті во влагосодержащей среде возможно формирование слоя окисла титана нестехиометрического состава с
-12-высокой проводимостью (pv~100 мкОм-см). Окисел проявляет эффективные барьерные свойства для диффузии в нем алюминия. . контакты Шотки к кремнию на основе силицида титана представляют собой модифицированные контакты Бардина, в которых наряду с влиянием на высоту барьера поверхностных состояний полупроводника проявляется зависимость высоты барьера от работы выхода из силицида различного фазового состава; - уменьшению обратного тока в контактах Шотки с расширенной металлизацией к кремнию п- и р- типа способствует минимизация величины механических напряжений, встроенных в маскирующий диэлектрик. Минимизация положительного заряда в диэлектрике приводит к существенному повышению пробивного напряжения и снижению величины обратного тока в контактах к кремнию п-типа. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, семи основных разделов с выводами, общих выводов, списка литературы из 283 наименований и 8 актов о внедрении и использовании результатов работы. Основное содержание работы изложено на 246 страницах машинописного текста и содержит 130 рисунков и 36 таблиц.
