Основные характеристики диэлектрических подложек, используемых при гетероэпитаксии кремния

Материал	Симметрия	Периоды решетки, А		ТКР a·10–6, град–1
		а	с
Кремний	Кубическая (типа алмаза)	5,43	-	4,5×(400 - 600)
Кварц	Гексагональная	4,90	5,39	8 - 13,4×(0 - 80)
Сапфир	То же	4,75	12,95	9,5×(20 - 1200)
Окись бериллия	То же	2,698	4,38	9,0×(20 - 1200)

 

Различия как в периодах решетки, так и в ТКР у кремния и этих кристаллов велики. Это приводит к образованию дислокаций несоответствия, растрескиванию и отслаиванию пленок кремния при охлаждении, особенно при значительной их толщине.

В настоящее время для гетероэпитаксии кремния наиболее часто используется сапфир, благодаря его отработанности процесса, структурному совершенству подложек и экономической доступности.

Эпитаксиальные структуры со скрытым диэлектрическим слоем. Низкое качество и небольшая допустимая толщина гетероэпитаксиальных слоев кремния стимулировали разработку кремниевых структур со скрытыми диэлектрическими слоями. Распространенное название таких структур – SOI (Silicon On Insulator).

Перед эпитаксией в кремниевые пластины проводится имплантация большой дозы азота (10¹⁷¸10¹⁸ см^-2). Имплантация реализуется при высокой температуре подложки (около 1000°С) и сравнительно низкой плотности ионного тока. Легкие ионы азота проникают на значительную глубину (до 0,5 мкм), оставляя на поверхности почти чистый слой кремния (0,1¸0,2 мкм). Условия имплантации подобраны так, чтобы рациональные дефекты в поверхностном слое отжигались быстрее, чем генерировались бомбардирующими ионами. При достижении достаточной концентрации азот вступает в химическую реакцию с кремнием с образованием скрытого слоя нитрида кремния. После отжига и термостабилизации подложки готовы к проведению эпитаксии. Поверхностный монокристаллический слой служит затравкой для выращивания совершенного изолированного эпитаксиального слоя. Затравочный слой имеет проводимость n - типа, так как легирован азотом до предела растворимости (10¹⁷ см^-3). На основе структур SOI реализуются биполярные и МОП - транзисторы с полной диэлектрической изоляцией, защищенные от паразитных связей через подложку.

Эпитаксия из парогазовой фазы была разработана для атмосферного давления (10⁵) Па. Уменьшение рабочего давления в диапазоне 6,5 – 13 × 10³ Па позволило достичь уменьшения бокового и вертикального автолегирования, а также сильного уменьшиния смещения топологического рельефа, возникающего при эпитаксиальном росте над скрытым слоем.

Эпитаксия как технологический процесс, несомненно, остается неотъемлемой частью производства интегральных схем. Наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьшению толщины эпитаксиальных слоев для создания интегральных микросхем, безусловно, приведет к совершенствованию эпитаксиальной технологии и более глубокому изучению эффекта автолегирования. Кроме того, внимание следует уделить уменьшению загрязнения подложек.

Процессы нанесения диэлектрических покрытий

Назначение диэлектрических слоев и требования к ним

 

В технологии производства микросхем диэлектрические пленки используют:

· в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в кремний;

· в качестве герметизирующих покрытий легированных пленок с целью предотвращения потери легирующих элементов;

· для пассивации поверхности структур;

· для изоляции приборов друг от друга (диэлектрическая изоляция, в отличие от изоляции p – n - переходами);

· в роли одного из основных компонентов в МОП - структурах – подзатворного диэлектрика;

· для электрической изоляции в системах многослойной металлизации.

Специфические требования к параметрам пленок определяются их назначением.

Наиболее строгие требования предъявляются к подзатворному диэлектрику. В соответствии с принципами масштабирования толщина подзатворного диэлектрика T_d непрерывно уменьшается. Пределом, ограничивающим снижение толщины диэлектрика, является ток прямого туннелирования. Предельное значение этого тока принимают равным ~ 1 нА/мкм.

Технологический метод формирования подзатворного диэлектрика должен удовлетворять следующим требованиям:

1) малая величина дисперсии толщины диэлектрика;

2) низкая плотность дефектов;

3) высокое среднее значение и низкая величина дисперсии предельной напряженности электрического поля;

4) низкая плотность зарядов в диэлектрике и на поверхностных состояниях, а также малая величина дисперсии некоторых других электрофизических параметров.

Комплекс этих требований может быть удовлетворен только при использовании термического окисла кремния.

В качестве защитных покрытий обычно используют аморфные пленки SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ и легкоплавкие примесносиликатные системы.

Маскирующие покрытия, применяемые при локальном травлении, локальной диффузии или эпитаксии, должны быть стеклообразными, гомогенными по составу, с гладкой поверхностью, без пор, трещин и каналов, примесных и кристаллических включений. Поскольку маскирующий диэлектрик впоследствии чаще всего удаляют, условия получения минимальной плотности поверхностных состояний не имеют решающего значения.

Пленки, используемые для защиты и пассивации поверхности полупроводников, должны удовлетворять и многим другим требованиям. Они должны иметь хорошую адгезию к поверхности полупроводника, металла и фоторезиста, высокую механическую прочность, химическую и радиационную стойкость, обладать необходимыми диэлектрическими свойствами.

Осаждение пассивирующих покрытий ограничено допустимыми температурами осаждения этих покрытий.