Введение к работе
Актуальность темы. Микроэлектроника является одним из ведущих направлений деятельности народного хозяйства. Ее развитие во многом определяется совершенствованием бавовых технологических процессов, в том числе и получением качественной изоляции элементов. Важным фактором, определяющим совершенство конструктивно-технологического исполнения интегральных схем,является совершенство метода изоляции элементов интегральных схем,разработка новых методов изоляции, что призвано решить такие задачи как увеличение плотности упаковки элементов интегральной схемы , в частности, за счет уменьшения площади пол изоляцию, увеличение быстродействия интегральной схемы ва счет уменьшения паразитных связей и снижения паразитных емкостей, упрощение технологии изготовления, сокращение длительности технологического цикла, повышение пробивного напряжения изолирующих областей, увеличение процента выхода годных изделий.
Альтернативой общепринятым методам комбинированной изоляции активных элементов, являются методы, обеспечивающие их полную изоляцию только диэлектрическими материалами.Получение такой изоляции элементов требует ускорения процесса образования диэлектрического слоя и формирования качественной многослойной структуры .Решение этих вопросов позволяет не только создать диэлектрическую изоляцию элементов от подложки,но и обладает уникальной перспективой реализации трехмерных интегральных схем,а именно интегральных схем со множеством активных слоев, разделенных диэлектриком.
Из известных методов получения многослойных структур, методы, включающие процессы эпитаксиального наращивания, эффективно внедряются на большинстве предприятий. Это связано с тем, что они включают более технологичные и типовые процессы изготовления интегральных схем, а татае не тре-
Суют создания нового и специального оборудования, применения специфических материалов. Поэтому проблемы разработки более совершенных методов формирования многослойных структур с применением энитаксии являются актуальними.
Создание известными методами в кремниевой подложке много -сдойных планарных структур ведется за счет високотемпературних и длительных процессов апитаксиального наращивания , требует продолжительного высокотемпературного отаига в инертной среде. Все это вызывает значительные нарушения в кристаллической решетке кремния и приводит к изменению созданных в подложке структур.
В некоторых методах проводится эпитаксиальный рост монокристаллического слоя над протяженным слоем аморфного диэлектрика. Процесс такого наращивания не позволяет получить совершенный цонокристалличеокий слой необходимой толщины с приемлемой морфологией поверхности на аморфном диэлектрическом слое и тем более по всей поверхности подложки.Поэтому важнейшим этапом создания трехмерных интегральных схем является усовершенствование или ра-вработка новых методов формирования слоев совершенного монокрис -талдического кремния на диэлектрических слоях возможно аа счет замены в известных методах исходной гомогенной поверхности фор-мирпованюі сдоев на гетерогенну», представляющую упорядочение расположенные области аморфных к кристаллических фаг*. Для этого необходимо провести всесторонние исследования влияния размеров и свойств материала и структуры аморфной Фазы на качество и морфологию, выращенного на ией.эпит&ксиалыюго слоя.
Возникающая неровность поверхности зпитакеиалыюго слоя,сформированного от затравочной микробласти над аморфным диэлектричес -ким слоем известными методами,не позволяет увеличить исходный размер аморфной фаш, который был бы достаточен,чтобы впоследствии ь выращенном над ней апитаксиаяыгам слое создавать интегральную схему. Поэтому для увеличения размера аморфной фазы при создании многослойной структуры необходимо диэлектрический слой создавать также в ватравочних микрообластях подложки.
' Наряду со слоями,расположенными в подложке параллельно поверхности, необходимы качественные оксидные слои для получения полной изоляции элементов, расположенные в монокристаллической кремниевой подложке но нормали к ее поверхности. Они такке формируются при длительном термическом окислении ( свыше 1Ю0С), 410
вызывает значительное изменение параметров подложки и созданных в ней ранее структур.Кроме того в наиболее перспективном методе,основанном на аарашивании канавок,ва счет образующегося в них оксида, часть слоя оксида, вырастающего над поверхностью меньше части слоя оксида растущего от поверхности в монокристаллический кремний. Это безусловно приводит к тому, что общая толщина диэлектрического слоя изоляции элементов значительно больше ширины канавки. Изолирующие слои монокристаллических областей элементов занимают, в таком случае, больиую площадь под изоляцию, что снижает плотность упаковки элементов в интегральной схеме.
Таким образом проведение исследований с целью создания новых конструкторско-технологических методов формирования планарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристалли -ческих областей элементов интегральных схем при уменьшенных термических воздействиях обеспечивающих повышенную плотность упаков-элементов весьма актуально. Для решения данной вадачи необходимо интенсифицировать процесс роста локальных и протяженных областей аморфных оксидов в монокристаллическом слое,а также эпитаксиаль-ного слоя на аморфном.
Цель работы:
Разработка конструктивно-технологических методов формирования структур с локальными диэлектрическими областями в монокрис-таллическом кремнии для интегральных схем с большой плотностью упаковки элементов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
поучить процесс окисления в вытравленных канавках монокристаллической кремниевой подложки порошкообразного кремния и получения слоя оксида;
изучить процессы локального окисления монокристаллйческих микрообластей;
изучить эпитаксиальный рост монокристаллических слоев на гетерогенной поверхности, содержащей микрообласти различных фаз;
разработать феноменологическую модель роста монокристаллического кремния на гетерогенной поверхности;
выявить взаимосвязь морфологии поверхности формируемого монокристаллического слоя с параметрами исходной гетерогенной поверхности;
- разработать ноеыэ ыэгоаы получения диэлектрических слоев в параллельном и нормальном направлении к поверхности подложки.
Научная новизна состоит в получении следующих принципиально новых реаультагов:
1. Установлены ааканомерности окисления порошкообразно
го крешшя в локальных иикрообдастях «онокристаллического кремния
для формування шкшюго оксида кремния.
Установлена ваконоыериссть роста слоя оксида кремнии от поверхности монокрйстаїшічєской крешиевой подложки в локально еа-полненной порошкоы кремния ыикрообласти.
-
Обнаружена аїльная анизотропия диффузии кислорода и направленный ускоренный рост оксида кремния ари формировании диэлектрического слоя внутри ыикрообласти из ионокристаллического кремнип в условиях больших упругих деформаций, развиваодихся при термическом введении в мккрообласть ионокристаллического кремния кислорода из линейного источника, что наиболее выражено при его расположении на противосторонши поверхностях микрообласти.
-
Установлено, что в отличие от классической гомоэнитаюии в газофазовой системе, эпитаксин на непланарной гетерогенной регулярной поверхности подложки приводит к локальным энергетическим состояниям. Локальные отклонения величины пересыщения поверхности атшами крешшя от равновесного обуславливают постадиинш направленный ускоренный рост эпнтагЕснального кремния из газовой фазы.
Впервые определены основные законаиерности такой кристаллизации, устанавливавшие взаимосвязь морфологии поверхности кристаллизуемого слоя со свойствами материала диэлектрического слоя, степеньн занятости им поверхности подложки, размерами и-формой ватравочшх ыикрообластей.
4. Получена феноменологическая модель роста кремния на гете
рогенной поверхности, отражавшая динамику процессов в хдоридкой
системе, включающая термодинамический анализ, сорбцию компонентов
газовой фазы и поверхностную диффузию адсорбированных атомов
крешня на стадии локальной апитаксии.
6. Теоретически обоснованы и экспериментально апробированы иетоды получения на гетерогенних поверхностях с помощью стандартной газовой эпитаксин кремнии сплошных по подложке многослойных стууетур с использованием 'раалкчних материалов.
Практическая значимость работ u.
-
Определены оптимальные параметры локальных диэлектрических областей в монокристаллической кремниевой подложке, созданных окислением порошкообраэногоа кремния, ионной имплантацией кислорода или заполнением канавок порошком стекла, режимы проведения процессов, обеспечивающие получение пленарных структур с минимальными внутренними напряжениями.
-
Установленные закономерности кристаллизации монокристаллического слоя позволяют управлять морфологией поверхности эпи-таксиального слоя и разработать новые методы создания структур с локальными диэлектрическими областями в монокристаллическом кремнии.
-
Обоснована теоретически и экспериментально подтверждена возможность получения в кремниевых структурах токопроводяших межслойных соединений любого типа проводимости при использовании порошкообразного кремния.
-
Предложен и исследован метод формирования скрытых диэлектрических областей в монокристаллическом кремнии, отличающийся совмещением процессов образования диэлектрика в локально имплантированных кислородом или заполненных порошком стекла областях и ростом на его поверхности эпитаксиального слоя. Определены критические условия проведения этих процессов, обеспечивающие пониженную дефектность монокристаллического слоя и его управляемо-нап-равленный рост. Разработан процесс создания многослойных структур с локальными диэлектрическими областями- в монокристаллическом кремнии для изоляции элементов интегральных схем.
-
Разработана технология создания изоляции по периметру элементов, позволяющая уменьшить влияние температурных воздействий на кремниевую структуру, увеличить плотность упаковки элементов., упростить технологический маршрут, увеличить быстродействие и процент выхода годных интегральных схем.
Результаты проведенных исследований использованы в опытно-конструкторских работах "Диспут 13", "Довод 18", "Довод 21", "Магнум". Новизна разработок защищена 11 авторскими свидетельствами СССР на изобретения. Научные и практические результаты используются в учебном процессе в Белорусском университете информатики и радиоэлектроники при изучении студентами дисциплин: "Материаловедение РЭС", "Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров", "Конструирование и технология про-
изводства ЭВМ", в дипломном проектировании, а также в Международном учебном центре при составлении учебно-методических планов для повышения квалификации инженерных и научных кадров.
Результаты работы отмечены дипломом Центрального правления НТО РЭО им. А.С.Попова на Всесоюзном конкурсе по микроэлектронике.
Положения выносимые на защиту.
1. Закономерности окисления порошкообразного кремния в
локальных областях монокристаллической кремниевой подложки:
время превращения порошкообразного кремния в плотный оксид определяется размерами частиц; скорость реакции окисле -ния - определяющий фактор.
значительная релаксация механических напряжений в манок-ристаллическом креминии с областями окисленного порошка кремния (примерно в два раза по сравнению с подложкой, имеющей те не области, полученные на основе окисления монокристалла).
-
Возникновение сильной анизотропии диффузии кислорода и локально направленный ускоренный рост оксида кремния при формировании диэлектрического слоя внутри микрообластей монокристаллического кремния.
-
Закономерность постадийного, локалыюнаправленного и ускоренного апитакскального роста кремния на непланаркой гетерогенной размерной и регулярной поверхности. Феноменологическую моделі. процесса, представляющую локальное изменение энергетического состояния системы с гетерогенной поверхностью, обусловленное расположением, формой и размером монокристаллических зародышей и диэлектрических областей на кремниевой подложке.
-
Методы получения сплошных но подложке многослойных структур в гетерогенной системе, состоящей из газовой фазы и гетерогенной поверхности из регулярно чередующихся монскрис-раллических кремниевых и аморфных диэлектрических слоев, представляющих собой имплантированный кислородом креминии, оксидное стекло и термический оксид кремния.
б. Конструктивно-технологические методы создания пленарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристаллических областей элементов интегральных схем при уменьшенных термических воздействиях, обеспечивающих повышенную плотность упаковки 8ЛЄМЄНТ0В.
Личный вклад соискателя. Закономерности окисления порошкооб-
разного кремния в локальных областях монокристаялического кремния установлену соискателем; метод межэлементной изоляции на основе порошкообразного кремния разработан соискателем; исследование фазового состава окисленного порошка кремния проведено соискателем; установление анизотропии диффузии кислорода и исследование про -цесса ускоренного окисления монокристаллического кремния при уменьшенных температурных воздействиях за счет создания локализованных упругих деформаций в зоне окисления проведено соискателем; процесс ускоренного направленного згситаксиалыгого роста монокрис-галлического кремния над аморфными областями для создания планерних многослойных структур при локализованном изменении энергети -чесного состояния гетерогенной системы разработан и исследован соискателей; метод получения многослойной структуры на гетерогенной поверхности с имплантированным кислородом разработан соискателем совместно с Достангсо А.П.; метод создания многослойной структуры со слоем стекла разработан совместно с Доставко А.П.; метод создания многослойной структуры со слоем термически выращенного оксида разработан соискателем; метод создания пленарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристалли -ческих областей элементов интрегральных схем разработан соискателем; все экспериментальные исследования, проектирование и испытания образцов, приведенные в диссертации, проводились соискателем.
Апробация результатов работы.
Результати работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Проблемы применения современных радиофизических методов для повышения эффективности производства и автоматизации научных исследований" (Минск, 1981); У1 Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердил телом (Минск, 19в1); Всесоюзном научно-техническом совещании '''Повышение качества бытовой радиоэлектронной аппаратуры на основе широкого внедрения микроэлектроники" ( Минск, 1982 ); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МРТИ в 1976 и 1985 г.г. и БНМ В 1983 г., 1986 г., 1992 г. ; XX Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема и акустики ( Ленинград, W83); Республиканской научно-технической конференции " Пути совершенствования технологических процессов, материалов и оборудо-
Баиия в производстве современных изделий радиоэлектроники" (Минск, 1983); Научном совете Государственного комитета СССР по науке и технике "Новые неорганические материалы и покрытия на основе тугоплавких соединений" (Москва, 1984); отраслевом научно-техническом совещании "Состояние и перспективы применения новых материалов в изделиях микроэлектроники" (Киев, 1989); научно-технической конференции "Микроэлектроника в медицине, автомобиле- и тракторостроении, сиотемах и устройствах охраны, наземного и кабельного телевидения, космической и оптоволоконной СВЯ8И" (Минск, 1994); научно-технической конференции " Направления и перспективы развития микроэлектронной элементной базы, электронных блоков и узлов, устройств индикации и считывания для приборостроения, аудио-, и видеотехники, систем связи и информатики Щинск, 1994).
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит иэ введения, общей характеристики работы. 6 глав, общих выводов» приложений. Диссертация содерлшт 293 страницу, 66 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 262 наименований и приложения на 33 страницах.
