eng
Выпуск #6/2022
О. Наливайко, А. Турцевич, В. Плебанович, В. Роговой
МЕЖКОМПОНЕНТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ КАНАВКАМИ, ЗАПОЛНЕННЫМИ ДИЭЛЕКТРИКОМ, ДЛЯ СУБМИКРОННЫХ ИМС
МЕЖКОМПОНЕНТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ КАНАВКАМИ, ЗАПОЛНЕННЫМИ ДИЭЛЕКТРИКОМ, ДЛЯ СУБМИКРОННЫХ ИМС
Просмотры: 1187
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.217.6.134.140
Предложен процесс создания межкомпонентной изоляции, который позволяет снизить высоту рельефа структуры до менее 0,1 мкм и уменьшить ширину области изоляции до 0,5 мкм.
Предложен процесс создания межкомпонентной изоляции, который позволяет снизить высоту рельефа структуры до менее 0,1 мкм и уменьшить ширину области изоляции до 0,5 мкм.
Теги: intercomponent insulation local silicon oxidation mos technology packing density локальное окисление кремния межкомпонентная изоляция моп-технология плотность упаковки
Межкомпонентная изоляция канавками, заполненными диэлектриком, для субмикронных ИМС
О. Наливайко, А. Турцевич, д. т. н., В. Плебанович, к. т. н., В. Роговой
Рассмотрены особенности и проблемы процесса формирования межкомпонентной изоляции ИМС с использованием мелких канавок, заполненных диэлектриком. Предложен процесс создания межкомпонентной изоляции, который позволяет снизить высоту рельефа структуры до менее 0,1 мкм и уменьшить ширину области изоляции до 0,5 мкм.
ИМС, создаваемые по МОП-технологии, имеют очень высокую плотность упаковки, а использование металлических проводников для формирования межкомпонентных соединений приводит к формированию паразитных связей. Для исключения образования паразитных каналов необходимо, чтобы пороговое напряжение паразитного транзистора было на 3–4 В выше рабочего напряжения МОП-транзистора[1]. Для создания таких условий необходимо использовать толстый локальный полевой оксид кремния для изоляции соседних МОП-приборов. Так как толстый оксид кремния в дальнейшем создает проблемы с конформностью заполнения топологического рельефа, для уменьшения толщины полевого оксида кремния используется увеличение дозы легирующей примеси под полевым оксидом кремния. Такой способ формирования межкомпонентной изоляции известен как LOCOS – локальное окисление кремниевой подложки через маску SiO2 / Si3N4 с предварительным подлегированием области под ним (рис. 1а). Это достаточно простой способ формирования межкомпонентной изоляции, однако он имеет существенный недостаток – боковое распространение изолирующего оксида кремния («птичий клюв»). Этот недостаток ограничивает возможности масштабирования. Для уменьшения «птичьего клюва» метод был модернизирован за счет введения промежуточного (между SiO2 и Si3N4) слоя поликристаллического кремния (Polysilicon Buffered LOCOS – PBL) (рис. 1б) [1]. Слой кремния между оксидом и нитридом кремния помогает частично ослабить механические напряжения, что способствует уменьшению величины «птичьего клюва». Недостатками являются увеличение сложности процесса, трудности травления трехслойной структуры (неровность края), меньшая заглубленность полевого оксида кремния и его утонение. Тем не менее, такой способ формирования межкомпонентной изоляции может использоваться вплоть до проектных норм 0,35 мкм.
Дальнейшее уменьшение минимальных топологических размеров элементов СБИС привело к необходимости использования новых методов создания межкомпонентной изоляции.
Это связано с тем, что возможности миниатюризации при использовании стандартной и модернизированной LOCOS-технологии изоляции исчерпываются из-за наличия достаточно протяженных участков «птичьего клюва» (до 0,25 мкм) в мезаобластях вблизи краев жесткой маски из пленки нитрида кремния. Кроме того, методы локального окисления не позволяют обеспечить глобальную планарность кремниевых структур, которая необходима для реализации субмикронной литографии вследствие ограниченности фокусного расстояния установок проекционного совмещения и экспонирования. Применение методов безмасочной литографии позволяет улучшить фокусировку на развитой поверхности полупроводниковой пластины, за счет динамической системы автофокусировки и уменьшения площади экспонирования, но полностью решить проблему невозможно [2, 3]. При производстве изделий с проектными нормами 0,35 мкм и ниже на смену LOCOS-технологии пришла технология изоляции мелкими канавками, заполненными оксидом кремния (Shallow Trench Isolation – STI) (рис. 2) [4], которая позволяет исключить «птичий клюв», повысить планарность кремниевых структур и, в конечном итоге, повысить степень интеграции.
Канавка на границе раздела между карманами n- и p-типа предотвращает взаимную диффузию легирующих примесей в местах, где два кармана примыкают друг к другу. Таким образом, исключается необходимость компенсации легирующих примесей (которая уменьшает поверхностную концентрацию примеси на границе кармана). Это позволяет использовать более высокие значения паразитных пороговых напряжений при меньших изолирующих пространствах.
В настоящей работе исследовался процесс формирования межкомпонентной изоляции канавками, заполненными диэлектриком, для микросхем с проектными нормами 0,35 мкм и ниже.
Типичная последовательность формирования STI-изоляции представлена на рис. 3.
Процесс формирования STI-изоляции является достаточно сложным, имеется ряд проблем, которые необходимо решать в зависимости от имеющегося комплекта технологического оборудования:
во-первых, проблемы, связанные с травлением канавок. В базовой структуре с изоляцией узкими канавками боковые стенки канавки обычно имеют наклон в диапазоне 70–85°.
По мере уменьшения ширины канавок этот наклон должен становиться все более крутым (до 88° для некоторых применений). Достижение такого профиля возможно при использовании современного оборудования для плазмохимического травления;
во-вторых, стойкость оксида кремния к процессам влажного химического травления [5].
Химическое травление SiO2 происходит не только на поверхности, но и в месте стыка слоев оксида кремния, где может образовываться щель (желоб по периметру области STI-изоляции – рис. 4) из-за различия в скоростях химического травления термического выращенного SiO2 и пленок SiO2, осажденных из газовой фазы. Для выравнивания скоростей травления требуется использовать уплотнение осажденных из газовой фазы пленок SiO2, обеспечить отсутствие растрескивания, а также подобрать приемлемые химические травители;
в-третьих, чувствительность подпороговых характеристик MOSFET-транзисторов к форме верхних углов канавки [6]. Края кремниевой мезаструктуры на верхних углах канавки являются частью структуры затвора, который перекрывает эти области. Этот краевой эффект становится сильнее, если область изоляции под затвором частично эродирована (разрушена). Кроме того, на углах канавки происходит утонение подзатворного диэлектрика. Оптимальным при использовании STI-изоляции является случай, когда затвор лежит на гладкой поверхности. Однако на практике это не достигается, поэтому необходимо отрабатывать технологии «округления» угла канавки в структурах с изоляцией канавками, заполненными диэлектриком.
В качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния КДБ‑12 ориентации (100) диаметром 200 мм. На пластинах проводилось окисление на толщину 20 нм в вертикальной диффузионной печи Apogee, затем на подложки при пониженном давлении из газовой фазы осаждали слой Si3N4 толщиной 0,15 мкм в вертикальном ХОГФ-реакторе пониженного давления Apogee. С использованием безмасочной фотолитографии на генераторе изображений DUV ЭМ‑5489Б ОАО «Планар» (г. Минск) [7] формировался микрорисунок и проводилось плазмохимическое травление канавок в кремнии на установке TCP‑9400. Плазмохимическое травление нитрида кремния и оксида кремния проводилось на установке Rainbow‑4520XL.
В качестве материала для заполнения канавки были опробованы пленки оксида кремния толщиной 0,9 мкм, полученные пиролитическим разложением тетраэтоксисилана (ТЭОС) при средней температуре (СТО) в вертикальном реакторе пониженного давления Apogee, а также пленки SiO2 толщиной 0,6 мкм, полученные плазмохимическим осаждением с использованием ТЭОС (ПХО ТЭОС), и пленки SiO2 толщиной 0,6 мкм, осажденные при субатмосферном давлении (СА ХОГФ) на установке Precision‑5000CVD. На части пластин после осаждения пленок оксида кремния был проведен уплотняющий отжиг 800 °C в среде Н2 / О2, затем 900 °C в среде N2 [5]. Химико-механическая полировка (ХМП) оксида кремния проводилась на установке Auriga EC с использованием суспензии Klebosol 30N50S. Для сглаживания рельефа после ХМП проводилось окисление (режим: 1 000 °C, сухой О2, 50 нм) с последующим травлением SiO2 в HF: H2O = 1 : 10. Снятие Si3N4 проводилось на установке DNS WS820C в ортофосфорной кислоте при T = 160 ± 5 °C в течение 40 мин. Снятие поднитридного SiO2 проводилось в аэрозольно распыленном растворе HF: H2O = 1 : 50 в течение 280 c на установке Mercury MP.
Определение скорости травления отожженного изолирующего оксида кремния Vтр проводилось путем химического травления оксида кремния в растворе HF: H2O = 1 : 10 в ванне установки DNS WS‑820C. Толщина оксида кремния (СТО, ПХО ТЭОС или СА ХОГФ) контролировалась методом спектральной эллипсометрии на установке ЭМ‑6022 производства ОАО «Планар» (г. Минск) [8]. Общий вид сверху и поперечное сечение профиля структуры контролировались при помощи растровой электронной микроскопии на установке Hitachi SEM‑4800.
На рис. 5 приведены фотографии структур после осаждения SiO2. Видно, что при использовании пленок ПХО ТЭОС в узких канавках образуется щель, которая растравливается при последующих операциях химического травления. При использовании пленок СТО после осаждения в узких канавках щель отсутствует, однако, при проведении химического травления СТО щель образуется. Пленки СА ХОГФ SiO2 в канавках осаждаются без образования щели и при дальнейших операциях химического травления не растравливаются.
Скорость травления неуплотненного СА ХОГФ SiO2 в HF: H2O = 1 : 10 составляет 90–100 нм / мин и в 3,6–4,0 раза превышает скорость травления термического SiO2 (25 нм / мин) [9].
С целью выравнивания скоростей травления было проведено исследование влияния температуры и длительности отжига в сухом O2 на скорость травления СА ХОГФ SiO2 (рис. 6). Видно, что с увеличением температуры отжига скорость травления субатмосферного оксида кремния уменьшается и при 950 °C составляет 40–52 нм / мин, а при 1 050 °C – 32–35 нм / мин, что в 1,28–1,4 раза выше, чем скорость травления термического SiO2, и позволяет проводить удаление слоев оксида кремния с поверхности без увеличения высоты топологического рельефа, так как при 2‑минутной длительности перетрава уход толщины не превышает 10–20 нм.
Основные требования, предъявляемые к ХМП канавочной изоляции [4, 10]:
Определены оптимальные условия процесса полировки на установке Auriga EC, обеспечивающие приемлемую скорость полировки, селективность по отношению к SiO2 и отсутствие вибрации:
Локальная скорость ХМП оксида кремния обратно пропорциональна плотности заполнения. При этом в структуре возникают недополированные (область А) и переполированные области (область Б) (рис. 7). Экспериментально установлено, что разница в толщине окисла в канавке в областях А и Б после проведения ХМП с использованием стандартной суспензии Klebosol 30N50S не превышает 50 нм.
Для «округления» углов верхней кромки канавки опробовались следующие варианты:
Наилучший вариант профиля STI-изоляции и «округления» верхней кромки канавки был получен при окислении кремния на 20 нм, освежении 15 с в HF: H2O = 1 : 10 и химическом подтравливании Si3N4 на 50 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм (рис. 8) [9]. Хорошее «округление» верхней кромки канавки дает двойное окисление – окисление кремния на 20 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм. Окисление кремния на 50 нм при 1 000 °C дает хорошее «округление», но при этом приводит к большому уходу размеров активной области.
Опробование предложенного способа формирования межкомпонентной изоляции с использованием двойного окисления для «округления» углов верхней кромки канавки и пленок СА ХОГФ SiO2, уплотненных при температуре 1 050 °С после проведения химико-механической полировки [11], было проведено на изделии СОЗУ 1 Мбит (3,3 В) по 0,35 мкм КМОП-процессу. РЭМ-фотографии структуры c изоляцией LOCOS с промежуточным поликремниевым слоем и с STI-изоляцией представлены на рис. 9. Видно, что при формировании STI-изоляции обеспечивается получение структуры с планарным рельефом без образования желоба по периметру области STI-изоляции. По сравнению с изоляцией LOCOS с промежуточным поликремниевым слоем высота рельефа структуры уменьшается от 0,25 до 0,02–0,05 мкм (т. е. на 0,20–0,23 мкм), ширина изоляции – от 0,75 до 0,5 мкм, что позволяет повысить плотность упаковки и, соответственно, степень интеграции. Приборы СОЗУ 1 Мбит (3,3 В), изготовленные с использованием STI-изоляции, выдержали краткосрочные и долгосрочные испытания на надежность.
Таким образом, использование пленок СА ХОГФ SiO2 с отжигом при температуре 1050 °С после проведения химико-механической полировки позволяет создавать межкомпонентную изоляцию для ИМС с проектными нормами 0,25–0,35 мкм.
Использование пленок СА ХОГФ SiO2 для ИМС с меньшими проектными нормами возможно при улучшении заполнения канавок за счет усовершенствования режимов осаждения пленок оксида кремния при субатмосферном давлении.
Литература
Silicon Processing for the VLSI Era: V. 2: Process Integration / by Stanley Wolf // Sunset Beach: Lattice Press. 1990. PP. 17–38.
Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 7 (00147). С. 112–118.
Аваков С. М., Плебанович В. И., Лапко А. В. Генераторы изображений для безмасковой литографии //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 9 (00190). С. 80–84.
Silicon Processing for the VLSI Era: V. 4: Deep-Submicron Process Technology / by Stanley Wolf // Sunset Beach: Lattice Press. 2002. PP. 433–474.
One K., Odanaka S., Moriyama K., Hori T., Fuse G. Narrow-Width Effects of Shallow-Trench-Isolated CMOS with n+Poly-Si Gate // IEEE Trans. Electron Dev. ED‑36. June 1989. PP. 1110–1116.
Kim M. S., Roh Y., Park C. S. Reduction of oxide leakage currents of EEPROM at STI corners using sacrifical oxide / liner SiN / LPCVD MTO. / M. S. Kim et al. // Surface & Coatings Technology. 2008. V. 202. No.22–23. PP. 5697–5700.
http://kb-omo.by/content/view/781/490/
http://kb-omo.by/content/view/1037/562/
Наливайко О. Ю., Роговой В. И., Турцевич А. С., Кисель А. М. Формирование межкомпонентной изоляции канавками, заполненными диэлектриком // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. VII Междунар. науч. конф., Минск, 12–13 окт. 2016 г. / Редкол.: В. Б. Оджаев (отв. ред.) [и др.]. Минск: БГУ. 2016. С. 102–105.
Srinivasan R., Dandu P.VR., Babu S. V. Shallow trench isolation chemical mechanical planarization: A review // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2015. V. 4. No. 11. PP. 5029–5039.
Способ формирования межкомпонентной изоляции элементов интегральных микросхем на кремниевой подложке: патент. 19582 Республики Беларусь: МПК H 01L 21/205, C23C 16/30 / МПК Н01L 21/76 / опубл. 30.10.15.
О. Наливайко, А. Турцевич, д. т. н., В. Плебанович, к. т. н., В. Роговой
Рассмотрены особенности и проблемы процесса формирования межкомпонентной изоляции ИМС с использованием мелких канавок, заполненных диэлектриком. Предложен процесс создания межкомпонентной изоляции, который позволяет снизить высоту рельефа структуры до менее 0,1 мкм и уменьшить ширину области изоляции до 0,5 мкм.
ИМС, создаваемые по МОП-технологии, имеют очень высокую плотность упаковки, а использование металлических проводников для формирования межкомпонентных соединений приводит к формированию паразитных связей. Для исключения образования паразитных каналов необходимо, чтобы пороговое напряжение паразитного транзистора было на 3–4 В выше рабочего напряжения МОП-транзистора[1]. Для создания таких условий необходимо использовать толстый локальный полевой оксид кремния для изоляции соседних МОП-приборов. Так как толстый оксид кремния в дальнейшем создает проблемы с конформностью заполнения топологического рельефа, для уменьшения толщины полевого оксида кремния используется увеличение дозы легирующей примеси под полевым оксидом кремния. Такой способ формирования межкомпонентной изоляции известен как LOCOS – локальное окисление кремниевой подложки через маску SiO2 / Si3N4 с предварительным подлегированием области под ним (рис. 1а). Это достаточно простой способ формирования межкомпонентной изоляции, однако он имеет существенный недостаток – боковое распространение изолирующего оксида кремния («птичий клюв»). Этот недостаток ограничивает возможности масштабирования. Для уменьшения «птичьего клюва» метод был модернизирован за счет введения промежуточного (между SiO2 и Si3N4) слоя поликристаллического кремния (Polysilicon Buffered LOCOS – PBL) (рис. 1б) [1]. Слой кремния между оксидом и нитридом кремния помогает частично ослабить механические напряжения, что способствует уменьшению величины «птичьего клюва». Недостатками являются увеличение сложности процесса, трудности травления трехслойной структуры (неровность края), меньшая заглубленность полевого оксида кремния и его утонение. Тем не менее, такой способ формирования межкомпонентной изоляции может использоваться вплоть до проектных норм 0,35 мкм.
Дальнейшее уменьшение минимальных топологических размеров элементов СБИС привело к необходимости использования новых методов создания межкомпонентной изоляции.
Это связано с тем, что возможности миниатюризации при использовании стандартной и модернизированной LOCOS-технологии изоляции исчерпываются из-за наличия достаточно протяженных участков «птичьего клюва» (до 0,25 мкм) в мезаобластях вблизи краев жесткой маски из пленки нитрида кремния. Кроме того, методы локального окисления не позволяют обеспечить глобальную планарность кремниевых структур, которая необходима для реализации субмикронной литографии вследствие ограниченности фокусного расстояния установок проекционного совмещения и экспонирования. Применение методов безмасочной литографии позволяет улучшить фокусировку на развитой поверхности полупроводниковой пластины, за счет динамической системы автофокусировки и уменьшения площади экспонирования, но полностью решить проблему невозможно [2, 3]. При производстве изделий с проектными нормами 0,35 мкм и ниже на смену LOCOS-технологии пришла технология изоляции мелкими канавками, заполненными оксидом кремния (Shallow Trench Isolation – STI) (рис. 2) [4], которая позволяет исключить «птичий клюв», повысить планарность кремниевых структур и, в конечном итоге, повысить степень интеграции.
Канавка на границе раздела между карманами n- и p-типа предотвращает взаимную диффузию легирующих примесей в местах, где два кармана примыкают друг к другу. Таким образом, исключается необходимость компенсации легирующих примесей (которая уменьшает поверхностную концентрацию примеси на границе кармана). Это позволяет использовать более высокие значения паразитных пороговых напряжений при меньших изолирующих пространствах.
В настоящей работе исследовался процесс формирования межкомпонентной изоляции канавками, заполненными диэлектриком, для микросхем с проектными нормами 0,35 мкм и ниже.
Типичная последовательность формирования STI-изоляции представлена на рис. 3.
Процесс формирования STI-изоляции является достаточно сложным, имеется ряд проблем, которые необходимо решать в зависимости от имеющегося комплекта технологического оборудования:
во-первых, проблемы, связанные с травлением канавок. В базовой структуре с изоляцией узкими канавками боковые стенки канавки обычно имеют наклон в диапазоне 70–85°.
По мере уменьшения ширины канавок этот наклон должен становиться все более крутым (до 88° для некоторых применений). Достижение такого профиля возможно при использовании современного оборудования для плазмохимического травления;
во-вторых, стойкость оксида кремния к процессам влажного химического травления [5].
Химическое травление SiO2 происходит не только на поверхности, но и в месте стыка слоев оксида кремния, где может образовываться щель (желоб по периметру области STI-изоляции – рис. 4) из-за различия в скоростях химического травления термического выращенного SiO2 и пленок SiO2, осажденных из газовой фазы. Для выравнивания скоростей травления требуется использовать уплотнение осажденных из газовой фазы пленок SiO2, обеспечить отсутствие растрескивания, а также подобрать приемлемые химические травители;
в-третьих, чувствительность подпороговых характеристик MOSFET-транзисторов к форме верхних углов канавки [6]. Края кремниевой мезаструктуры на верхних углах канавки являются частью структуры затвора, который перекрывает эти области. Этот краевой эффект становится сильнее, если область изоляции под затвором частично эродирована (разрушена). Кроме того, на углах канавки происходит утонение подзатворного диэлектрика. Оптимальным при использовании STI-изоляции является случай, когда затвор лежит на гладкой поверхности. Однако на практике это не достигается, поэтому необходимо отрабатывать технологии «округления» угла канавки в структурах с изоляцией канавками, заполненными диэлектриком.
В качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния КДБ‑12 ориентации (100) диаметром 200 мм. На пластинах проводилось окисление на толщину 20 нм в вертикальной диффузионной печи Apogee, затем на подложки при пониженном давлении из газовой фазы осаждали слой Si3N4 толщиной 0,15 мкм в вертикальном ХОГФ-реакторе пониженного давления Apogee. С использованием безмасочной фотолитографии на генераторе изображений DUV ЭМ‑5489Б ОАО «Планар» (г. Минск) [7] формировался микрорисунок и проводилось плазмохимическое травление канавок в кремнии на установке TCP‑9400. Плазмохимическое травление нитрида кремния и оксида кремния проводилось на установке Rainbow‑4520XL.
В качестве материала для заполнения канавки были опробованы пленки оксида кремния толщиной 0,9 мкм, полученные пиролитическим разложением тетраэтоксисилана (ТЭОС) при средней температуре (СТО) в вертикальном реакторе пониженного давления Apogee, а также пленки SiO2 толщиной 0,6 мкм, полученные плазмохимическим осаждением с использованием ТЭОС (ПХО ТЭОС), и пленки SiO2 толщиной 0,6 мкм, осажденные при субатмосферном давлении (СА ХОГФ) на установке Precision‑5000CVD. На части пластин после осаждения пленок оксида кремния был проведен уплотняющий отжиг 800 °C в среде Н2 / О2, затем 900 °C в среде N2 [5]. Химико-механическая полировка (ХМП) оксида кремния проводилась на установке Auriga EC с использованием суспензии Klebosol 30N50S. Для сглаживания рельефа после ХМП проводилось окисление (режим: 1 000 °C, сухой О2, 50 нм) с последующим травлением SiO2 в HF: H2O = 1 : 10. Снятие Si3N4 проводилось на установке DNS WS820C в ортофосфорной кислоте при T = 160 ± 5 °C в течение 40 мин. Снятие поднитридного SiO2 проводилось в аэрозольно распыленном растворе HF: H2O = 1 : 50 в течение 280 c на установке Mercury MP.
Определение скорости травления отожженного изолирующего оксида кремния Vтр проводилось путем химического травления оксида кремния в растворе HF: H2O = 1 : 10 в ванне установки DNS WS‑820C. Толщина оксида кремния (СТО, ПХО ТЭОС или СА ХОГФ) контролировалась методом спектральной эллипсометрии на установке ЭМ‑6022 производства ОАО «Планар» (г. Минск) [8]. Общий вид сверху и поперечное сечение профиля структуры контролировались при помощи растровой электронной микроскопии на установке Hitachi SEM‑4800.
На рис. 5 приведены фотографии структур после осаждения SiO2. Видно, что при использовании пленок ПХО ТЭОС в узких канавках образуется щель, которая растравливается при последующих операциях химического травления. При использовании пленок СТО после осаждения в узких канавках щель отсутствует, однако, при проведении химического травления СТО щель образуется. Пленки СА ХОГФ SiO2 в канавках осаждаются без образования щели и при дальнейших операциях химического травления не растравливаются.
Скорость травления неуплотненного СА ХОГФ SiO2 в HF: H2O = 1 : 10 составляет 90–100 нм / мин и в 3,6–4,0 раза превышает скорость травления термического SiO2 (25 нм / мин) [9].
С целью выравнивания скоростей травления было проведено исследование влияния температуры и длительности отжига в сухом O2 на скорость травления СА ХОГФ SiO2 (рис. 6). Видно, что с увеличением температуры отжига скорость травления субатмосферного оксида кремния уменьшается и при 950 °C составляет 40–52 нм / мин, а при 1 050 °C – 32–35 нм / мин, что в 1,28–1,4 раза выше, чем скорость травления термического SiO2, и позволяет проводить удаление слоев оксида кремния с поверхности без увеличения высоты топологического рельефа, так как при 2‑минутной длительности перетрава уход толщины не превышает 10–20 нм.
Основные требования, предъявляемые к ХМП канавочной изоляции [4, 10]:
- осажденный окисел над маской нитрида должен быть удален;
- не допускается снятие нитрида при ХМП и повреждение кремния в активных областях;
- для лучших характеристик приборов и повышения съема поверхность оставшегося в канавке диэлектрика должна быть выше поверхности кремния. Крайне не желательно расположение поверхности диэлектрика в канавке ниже поверхности кремния в активных областях, так как это приводит к повышению допороговых утечек транзисторов;
- должна обеспечиваться планарность поверхности пластины.
Определены оптимальные условия процесса полировки на установке Auriga EC, обеспечивающие приемлемую скорость полировки, селективность по отношению к SiO2 и отсутствие вибрации:
- скорость вращения полировального стола: 8–10 об / мин;
- усилие прижима носителей: 90,7–102,1 кг.
Локальная скорость ХМП оксида кремния обратно пропорциональна плотности заполнения. При этом в структуре возникают недополированные (область А) и переполированные области (область Б) (рис. 7). Экспериментально установлено, что разница в толщине окисла в канавке в областях А и Б после проведения ХМП с использованием стандартной суспензии Klebosol 30N50S не превышает 50 нм.
Для «округления» углов верхней кромки канавки опробовались следующие варианты:
- ПХТ Si в канавке с маской Si3N4 и подтравленным в течение 60 с в буферном травителе поднитридным SiO2;
- окисление Si в канавке на d = 20 нм при 1 000 °С (одинарное окисление);
- подтрав поднитридного SiO2 под Si3N4 на 12 нм и окисление Si в канавке на d = 20 нм при повышенной температуре 1 050 °С;
- окисление Si в канавке на d = 20 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм (двойное окисление) [6];
- окисление Si в канавке на d = 20 нм, освежение 15 с в HF 1 : 10 и химическое подтравливание Si3N4 на толщину 50 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм (двойное окисление с подтравливанием Si3N4);
- окисление Si в канавке на d = 50 нм при 1 000 °С.
Наилучший вариант профиля STI-изоляции и «округления» верхней кромки канавки был получен при окислении кремния на 20 нм, освежении 15 с в HF: H2O = 1 : 10 и химическом подтравливании Si3N4 на 50 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм (рис. 8) [9]. Хорошее «округление» верхней кромки канавки дает двойное окисление – окисление кремния на 20 нм с последующим стравливанием SiO2 и повторным окислением 20 нм. Окисление кремния на 50 нм при 1 000 °C дает хорошее «округление», но при этом приводит к большому уходу размеров активной области.
Опробование предложенного способа формирования межкомпонентной изоляции с использованием двойного окисления для «округления» углов верхней кромки канавки и пленок СА ХОГФ SiO2, уплотненных при температуре 1 050 °С после проведения химико-механической полировки [11], было проведено на изделии СОЗУ 1 Мбит (3,3 В) по 0,35 мкм КМОП-процессу. РЭМ-фотографии структуры c изоляцией LOCOS с промежуточным поликремниевым слоем и с STI-изоляцией представлены на рис. 9. Видно, что при формировании STI-изоляции обеспечивается получение структуры с планарным рельефом без образования желоба по периметру области STI-изоляции. По сравнению с изоляцией LOCOS с промежуточным поликремниевым слоем высота рельефа структуры уменьшается от 0,25 до 0,02–0,05 мкм (т. е. на 0,20–0,23 мкм), ширина изоляции – от 0,75 до 0,5 мкм, что позволяет повысить плотность упаковки и, соответственно, степень интеграции. Приборы СОЗУ 1 Мбит (3,3 В), изготовленные с использованием STI-изоляции, выдержали краткосрочные и долгосрочные испытания на надежность.
Таким образом, использование пленок СА ХОГФ SiO2 с отжигом при температуре 1050 °С после проведения химико-механической полировки позволяет создавать межкомпонентную изоляцию для ИМС с проектными нормами 0,25–0,35 мкм.
Использование пленок СА ХОГФ SiO2 для ИМС с меньшими проектными нормами возможно при улучшении заполнения канавок за счет усовершенствования режимов осаждения пленок оксида кремния при субатмосферном давлении.
Литература
Silicon Processing for the VLSI Era: V. 2: Process Integration / by Stanley Wolf // Sunset Beach: Lattice Press. 1990. PP. 17–38.
Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 7 (00147). С. 112–118.
Аваков С. М., Плебанович В. И., Лапко А. В. Генераторы изображений для безмасковой литографии //
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 9 (00190). С. 80–84.
Silicon Processing for the VLSI Era: V. 4: Deep-Submicron Process Technology / by Stanley Wolf // Sunset Beach: Lattice Press. 2002. PP. 433–474.
One K., Odanaka S., Moriyama K., Hori T., Fuse G. Narrow-Width Effects of Shallow-Trench-Isolated CMOS with n+Poly-Si Gate // IEEE Trans. Electron Dev. ED‑36. June 1989. PP. 1110–1116.
Kim M. S., Roh Y., Park C. S. Reduction of oxide leakage currents of EEPROM at STI corners using sacrifical oxide / liner SiN / LPCVD MTO. / M. S. Kim et al. // Surface & Coatings Technology. 2008. V. 202. No.22–23. PP. 5697–5700.
http://kb-omo.by/content/view/781/490/
http://kb-omo.by/content/view/1037/562/
Наливайко О. Ю., Роговой В. И., Турцевич А. С., Кисель А. М. Формирование межкомпонентной изоляции канавками, заполненными диэлектриком // Материалы и структуры современной электроники: сб. науч. тр. VII Междунар. науч. конф., Минск, 12–13 окт. 2016 г. / Редкол.: В. Б. Оджаев (отв. ред.) [и др.]. Минск: БГУ. 2016. С. 102–105.
Srinivasan R., Dandu P.VR., Babu S. V. Shallow trench isolation chemical mechanical planarization: A review // ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2015. V. 4. No. 11. PP. 5029–5039.
Способ формирования межкомпонентной изоляции элементов интегральных микросхем на кремниевой подложке: патент. 19582 Республики Беларусь: МПК H 01L 21/205, C23C 16/30 / МПК Н01L 21/76 / опубл. 30.10.15.
Отзывы читателей
