Національна академія наук України та Міністерство освіти і науки України

Інститут термоелектрики

УДК 621.382.8

НОВОСЯДЛИЙ СТЕПАН ПЕТРОВИЧ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ СУБМІКРОННИХ СТРУКТУР ВЕЛИКИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ

05.27.01 – твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Чернівці - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в СКТБ “Орізон” ВАТ “Родон” Міністерства промислової політики України, Національному університеті “Львівська політехніка” і При-кар-патському університеті ім. Василя Стефаника Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: | член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор

Войтович Ігор Данилович,

завідувач відділу Інституту кібернетики НАН України;

доктор фізико-математичних наук, профессор

Раренко Іларій Михайлович,

завідувач кафедри мікроелектро-ніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Смеркло Любомир Михайлович,

завідувач відділу мікроелектроніки Львівського науково-дослідного ра-діо-технічного інституту.

Провідна установа: | ВАТ Науково-виробниче підприємство “Сатурн” Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 26.12.2003 року о 15 годині на за-сіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.244.01 в Інституті термоелектрики за адресою: 58027, м. Чернівці, вул. Дубинська, 9А

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту термо-електрики, вул. Дубинська, 9А.

Автореферат розіслано 24.11. 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд.фіз.-мат. наук | Охрем О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективна національна економіка в розвинутих кра-ї-нах світу базується на науковоємних технологіях, так званих “високих тех-но-ло-гіях”. За останні роки позиції галузей високих технологій в Україні за-знали активного наступу з боку сировинних енергомістких галузей, част-ка яких у ва-ло-вому націо-нальному продукті, а, отже, і в енергомісткості оди-ни-ці ва-лового націо-нального про-дук-ту, значно зросли.

Енергомісткість одиниці національного продукту у нас у декілька ра-зів пе-ревищує європейський і міжнародний рівні, що призводить до по-стій-ного дефіци-ту бюджету країни. Тому потрібно зробити структурну пе-ре-будову економіки, на-дав-ши пріоритет галузям промисловості, що споживають міні-мальну кількість сировини та елек-тро-енергії, а саме, радіоелектроніці та мікроелектроніці. Такими економічно визначальними галузями є машино-буду-вання та приладобуду-вання, зокре-ма, ви-роб--ництво засобів радіо-елек-троніки, зв’язку і телекомунікацій. Всі ці галузі тільки тоді мо-жуть виробляти конкурентноздатні вироби, коли використо-вувати-муть су-часну високона-дійну елементну електронну базу.

Технологія виробництва електронних компонентів належить до ін-фор-ма-ційних технологій, що охоплюють великий спектр базових техно-логій від мі-кро-схем, мікропроцесорів, мікроконтролерів, мікро-ЕОМ, схем пам’я-ті до комп’ю-те-рів, засобів прийому, обробки та передачі інформації і телекомунікацій. Тому ви-хід з економічної кризи промисловості можливий на основі електронної галузі.

Підприємства приладобудівної і радіоелектронної галузей України ста-новлять 76 % загальної кількості машино-будівних підприємств. Ці галузі на су-час-ному етапі і в перспективі потребують повної заміни номенклатури виробів, що ними випускаються, з одночасним підвищенням їх якості і на-дійності. Крім цього, згідно з економічною програмою розвитку України прі-о-ри-тетними напрямками ви--зна-чені авіаційна, суднобудівна та космічна галу-зі. Їх розвиток може бути забез-пе-чений кооперацією з радіоелект-рон-ною галуззю і прикладними науками. У зв’яз-ку з тим, що підприємства України в колишньому СРСР займали провідне міс-це в галузі мікро-електроніки, їх виробничий і кадровий потенціал можуть забез-пе-чити ефективний роз-виток радіоелектронної і приладобудівної галузей в Україні.

Таким чином, актуальність теми дисертаційної роботи визначається необ-хідністю реалізації Державної (національної) програми розвитку елект-ронної про-мисловості України на 1999 - 2005 роки “Електроніка - 2005”, що є на розгляді в КМ України і профільному комітеті Верховної Ради. Ство-рення сучасної еле-мен-тної бази електронних компонентів на базі великих інтегральних схем (ВІС) із ви-сокою їх на-дійністю неможливо без розробки субмікронної технології мікро-елек-троніки з використанням сучасних технологічних модулів, у тому числі мо-дуля 1ЕГ. Економічність запуску субмікронної технології ВІС може бути досягнута за ра-хунок за-без-печення високого виходу придатних структур (більше 85 %) та ви-со-кої на-дійності (10 - 50 ppm) при неперер-вному тех-но-логічному циклі форму-ван-ня структур не більше 5 - 15 діб.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження дисертаційної роботи проводились відповідно до науково – тема-тич-них планів НДР і ДКР СКТБ “Орізон” ВАТ “Родон” з 1989 до 1997 ро-ку, сформо-ва-ними на основі комплексно-цільових програм України: Мікроелектроніка; Елек-троніка - 2000; Зв’язок України; Украналог - 2000; Кооперація; Наука-2000; Об-чис--лю-вальна техніка, а також у рамках нау-ково-дослідних і пошукових робіт ка-федр САПР і напівпровідникової елек-т-роніки Національного університету “Львів-ська політехніка” та кафедри радіофізики і електроніки Прикарпатського універ-си-тету імені Василя Стефаника.

Мета і задачі дослідження. Комплексне систематичне дослідження тех-нологічних особливостей формування функціональних шарів великих ін-теграль-них схем і розробка нау-ко-вих фізико-технологічних основ субмікронної технології формування структур ВІС, які вирішують проблему мінімізації багаточинної ці-льо-вої функції дефектності та параметричної оптимізації і дозволяють збіль-шити роздільну здатність проекційної оптичної літографії до 0,25 мкм та змен-ши-ти дефектність функ--ціональних шарів структур кристалів менше 0,05 см-2 в модулі класу 10,1/0,1.

Для досягнення вказаної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні задачі:

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Об’єкт дослідження – фізико-технологічні аспекти формування субмік-рон-них структур великих інтегральних схем.

Предмет дослідження – шляхи зниження вносимої дефектності функ-ціо-нальних шарів, збільшення роздільної здатності й анізотропії оптичної проек-ційної літографії та підвищення надійності структур ВІС.

Методи дослідження. Методами електрофізичного тестового контролю та використанням фізико-хімічних методів аналізу проведено комплекс дослід-жень фізико-технологічних особливостей формування функціональних шарів суб-мікронної технології для мінімізації багаточинної цільової функції дефектності та параметричної оптимізації електрофізичних параметрів шарів і проектних норм конст-рук-торсько-технологічних обмежень структур ВІС.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті комплексу фі-зи-ко-технологічних досліджень, наведених в даній дисертаційній роботі, ство-рений новий напрямок субмікронної технології формування структур ВІС (0,25-1,0 мкм): розроблені базові наукові фізико-технологічні основи та елементи висо-ко-ефек-тивної суб-мік-ронної тех-но-логії виготовлення структур ВІС, наукова новизна яких полягає в тому, що вперше:

1. Розроблено та оптимізовано технологічний САПР бездефектного проектування топо-ло-гії структур ВІС у вигляді амплітудно-фазозсувних ПФО на основі комп’ю-тер-них технологій із моделюванням, вери-фі-кацією, генерацією тестової послідов-ності функціонування та контролем про---ект-них норм конструкторсько-технологіч-них обмежень на базі запро-понованого апаратного і програмного забезпечення.

2. Досліджені механізми преципітації кисню і вуглецю в кремнієвих пластинах Чох-раль-ського і розроблена модель кисневого гетера та визначені оптимальні зна-чення концентрацій кисню і вуглецю в кремнієвих пластинах (Ч) для форму-вання підзатворного діелектрика з електричною міцністю більше 6106 В/см та збіль-шення коефіцієнтів активації імплантованих домішок.

3. З метою забезпечення стійкості кристалів до -опромінення ( 107 рад) про-ве-дені дослідження і розроблена радіаційно стійка технологія формування -К-МОН структур з легованими полікремнієвими екранами та оксидними спей-се-рами; удо-с--коналені процеси формування локальної і міжшарової ізоляції та ТПК структур.

4. Досліджено процеси високоенергетичної багатозарядної імплантації бору і фос-фору та їх активації для формування кишень і охоронних областей К-МОН струк-тур, що дозволило замінити високотемпературні дифузійні процеси на більш кон-трольовані із зменшеними дозами процеси імплантації та змен-шити тех-нологічний цикл формування структур до 5-15 діб; встановлено вплив ізокон-центраційних домішок кисню і вуглецю на активацію і каналювання імплантованих домішок.

5. Розроблена унікальна технологія низькотемпературного ( 1000С) осад-жен--ня оп-лавлених діелектричних плівок ФСС, БФСС і просвітлюючих покрить дина-міч-ним фронтом горіння у воднево-кисневій суміші кремнійвмістимої сполуки і легованої до-міш-ки в реак-торі зниженого тиску, що забезпечує планарність менше 650 і кон-фор-мність покриття більше 95 %.

6. Розроблена конструкція комірки обезпилення “Біон” з іонізатором ламі-нар-ного потоку, шо додатково зменшує запиленість у 12-16 разів і нейтра-лізує величину електростатичних зарядів до потенціалу 10...45 В та дозволяє формувати локальні чисті зони класу 10,1/0,1 в зоні класу 100 з високою стабільністю температурно- вологістного режиму в зоні обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

7. Досліджені, розроблені і рекомендовані для серійного виробництва струк-тур великих інтегральних схем:

·

·

·

·

8. Розроблені гідридно-хлоридна технологія формування високоякісних кремніє-вих епітаксійних структур (КЕС) для високо-вольтних ІС при суміщенні біполяр-ної, К-МОН і Д-МОН технологій та тан-та-лова технологія формування високоякіс-ного діелектрика для формування дина-міч-ного елементу пам’яті з високою пито-мою ємністю, уніполярністю та пробивними напругами.

9. Показано, що висока адекватність приладних структур ВІС розробленим моде-лям досягається за рахунок моделювання активних елементів і техно-логічних про-цесів для визначення їх проектних норм конструкторсько-тех-нологічних об-ме-жень з урахуванням аномальних явищ другого порядку та явищ тепло-пере-носу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та впроваджені моделі, методики, способи, методи, мате-ріали і установки викорис-тані при роз-робці субмікронної технології великих інтегральних схем для виробництва крис-талів в технологічних модулях класу 100 або 10 по біполярній, n-МОН і К-МОН техно-ло-гіях. Новизна практичних розробок захищена авторськими свідоцт-ва-ми СРСР і патентами Ук-раї-ни на ви-на-хо-ди та позитивними рішеннями на видачу патентів.

Розроблені прин--ципи та еле-менти високоефективної субмікронної техно-ло--гії ВІС реалі-зовані в проекті технологічного модуля класу 10 (1ЕГ) в АТ “Родон” для ви-роб--ництва структур кристалів великих інтегральних схем з мінімаль-ним роз-мі-ром елементів 0,8...1,0 мкм і ступенем інтеграції 256К...1М. Біль-шість роз-роб--лених елементів впроваджені у виробництво крис-та-лів інтег-раль-них схем на заводі “Логіка” АТ “Родон” у біполярному, n-канальному і К-МОН тех--но-ло-гічних модулях виробництва кристалів ІС (ВІС) серій 140, 145, 561, 564, 580, 132, 1810, 1816, 1830, 1085, 1021, 1051, 1074, 298, 1008, причому топологія ряду серій 140, 145, 561, 564, 580, 132, 1810, 1830, 1021, 1008 неодноразово зменшувалась мас-штабуванням за визначеним алгоритмом для збільшення швид-кодії та зменшення енергоспоживання до мінімального топологічного розміру елементів 1,5 мкм. Практична реалізація результатів дисертаційної роботи під-тверджена ак-тами про їх впровадження на підприємствах і установах.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та вирішенні основних теоретичних наукових розробок і експериментальних завдань роботи. Під керів-ництвом і при без-посередній участі автора розроблені оригінальні технологічні процеси, тестові структури, матеріали, обрані методи і методики досліджень. Ав-то-ру належать основні ідеї більшості публікацій та винаходів, зокрема, його одно-осібні пуб-ліка-ції про: технологічний САПР на основі ТС і А-Ф ПФО [3, 13, 16, 30]; гетерну тех-нологію [1, 20, 33, 46]; низькотемпературну технологію формування функціо-наль-них шарів [1, 4, 12, 15, 17, 19, 24, 26]; технологію формування висо-коякісних КЕС [7, 41, 29]; субмікронну проекційну літографію з високою розділь-ною здат-ністю та ані-зо-тропією [22, 25, 32, 35,46]; радіаційну технологію багатоза-рядної ім-плантації та -опромінення [9, 18, 28, 31]; моніторинг субмікронної технології та електрофізичне діаг-нос-тування надійності структур [14, 21]; ав-торські свідоцтва, патенти та позитивні рішення експертизи на винаходи [36, 37, 39, 41, 42, 43]; участь у формуванні узагальнень та висновків фізико-техноло-гіч-них до-сліджень; формування всіх розділів і висновків дисер-таційної роботи. У ро-ботах у співавторстві автору належить по-становка задач, розробка структур і тех-но-логій їх формування, підготовка тез і виступів на конференції, статейних публі-кацій і монографії та заявок на винаходи. Здобувачем отримані нові науково об-грун-то-вані результати про струк-тури і процеси, які не мають ана-логів за кордоном.

Автор, працюючи головним технологом АТ “Родон”, головним ін-же---не-ром і директором СКТБ “Орізон”, приймав участь у всіх етапах впро-вад-жен-ня у вироб-ництво нових інтегральних схем та елементів субмікронної тех-но-логії для них.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної ро-боти доповідались і обговорювались на: Міжна-родній науково-технічній кон-фе-ренції “Сучасні проблеми автома-тизованої розробки і виробничтва радіоелект-ронних засобів та підготовки інженерних кадрів” (Львів,1994); Міжнародній нау-ково-технічній конфе-ренції “Досвід роз-робки та застосування приладотехно-ло-гічних САПР мікроелектроніки” (Львів, 1995); V Міжна-родній конференції з фі-зики і техно-логії тонких плівок (Івано-Франківськ, 1995); IV науково-технічній кон-фе-рен-ції “Досвід роз-роб-ки та застосування приладотехнологічних САПР мік-ро-електроніки” (Львів,1997); VI Міжна-родній конференції “Фізика і технологія тон-ких плі-вок” (Івано-Франківськ, 1997); Міжнародній науково-практичній кон-фе-рен-ції “ Системы и средства передачи и обработки инфор-мации” (Одеса, 1997); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми за-собів те-ле-комунікації, комп’ю-терної інженерії та підготовки спе-ціа-лістів TС SET’98” (Львів, 1998); Міжнародній конференції “Высоко-эффективные тех-нологии в ма-шино-стро--е-нии” (Харків, 1998); Міжнародній науково-техніч-ній конфе-ренції “Новые ком-пьютерные технологии в про-мышленности, энер-гетике, банковской сфере, образовании” (Алушта, 1998); Міжнародній на-у-ково-тех-нічній конференції “Дос-від розробки та застосу-вання приладо-тех-ноло-гічних САПР мікроелектроніки CADSM’99” (Львів, 1999); Міжна-родній на-у-ково-технічній конференції “Mixed Design of Integ-rated Circuits and Systems MIXDES-99” (Krakow, Poland, 1999); Міжнародній конференції ТС SET’ 2000 “International Conference on Modern Prob-lems of Telecommu-ni-cations, Computers Science and Engineers Training”(Lviv, Uk-raine 2000); Міжнародній конференції “Композиционные материалы в про-мыш-ленности (Славполиком-99) (Київ, 1999); VIII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2001); ІІ Міжнародній нау-ко-во-прак-тичній конференції “Современные информационные и электронные тех-но-логии” (Одеса, 2001); I Українській науковій конференції з фізики напів-про-від-ників з між-народною участю (Одеса, 2002); ІІ Міжнародній нау-ко-во-технічній конферен-ції “Інформаційна техніка та електромеханіка” (ІТЕМ-2003, Луганськ, 2003). IX Міжнародної нонференції з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП-IX Івано-Франківськ, 2003);

Публікації результатів досліджень роботи були здійснені у 1 монографії, 37 статтях фахових реферованих наукових журналах, із них 30 одноосібних, та інших ви-даннях, зокрема, 9 авторських свідоцтвах та патентах і позитивних заявках на винаходи, 54 те-зах міжнарод-них науко-во-технічних кон-ференцій і семі-нарів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти роз-ділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Вона викладена на 314 сторінках машинописного тексту і включає 127 рисунків на 35 сторінках, 45 таблиць на 24 сторінках, додатків на 56 сторінках і літературних джерел із 332 найменувань на 33 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ охоплює загальну характеристику роботи, актуальність теми і до-цільність проведення досліджень, зв’язок роботи з науковими темами, сфор-му-льовані мета, проблема і задачі досліджень; коротко описані об’єкти і методи досліджень, висвітлені наукова новизна, практичне значення, реалізація та впро-вадження отриманих результатів, визначений особистий внесок автора, приведені дані про апробацію наукових результатів, кількість публікацій та структуру дисер-таційної роботи.

У першому розділі викладені проблеми, шляхи і перспектива розвитку крем-нієвої комп’ютерної технології і багаторівневого моделювання ВІС, а також основи мо-дульного виробництва з використанням групової та індивідуальної обробок крем-нієвих пластин великого діаметру.

Відзначено, що існує велика кількість публікацій, присвячена питан-ням технічного розвитку електроніки, насамперед мікроелектроніки як про-відної під-галузі світового електронного виробництва. Це зрозуміло, бо саме мікро-елек-трон-на технологія є ключовою для ери інформації, комп’ютеризації і визначає тех-нічний рівень всього промислового і оборонного потенціалу сучасної пере-до-вої країни, її машинобудівної галузі. Разом з енер-гетично-паливним комплексом мік-ро-електро-ніка створює фундамент промис-ло-вос-ті розвинутої країни.

Треба також відзначити, що зменшення розмірів елементів ВІС – це не тіль--ки підвищення швидкодії РЕА, обчислювальних машин і телекомунікаційних сис-тем, але і зниження витрат на їх виробнтцтво, зниження енергоспоживання і під-вищення якості і надійності радіоелектронних систем. Це відповідно вимагає нових підходів при формуванні задач розвитку субмікронної технології ВІС, осно-ваних на наукових фізико-технологічних засадах. Очікується, що в даному тися-чолітті електронна промисловість буде найбільшою і найефективнішою га-луззю в світі.

Найфундаментальніша область технологій розвинутих країн (США, Японії, Німеччини, Південної Кореї) - це інформаційна технологія, що по-кри--ває великий спектр базових технологій від мікросхем пам’яті, мікро-про-цесорів, мікро-кон-тро-лерів до комп’ютерів, телекомунікацій і засобів пе-редачі даних. Сьо-годні щорічні темпи світового приросту доходів від мікро-електроніки ста-нов-лять 15...25 %. Саме вона забезпечує високу інтелектуалізацію будь-якої розвинутої країни.

Із ростом ступеня інтеграції ВІС ростуть затрати на будівництво відпо-відних чистих виробничих приміщень класу 10, 1, які створюють умови для субмік-ронної технології. Для ступеня інтеграції більше 256 К бу-дівництво таких при-міщень стає малоефективним внаслідок ве-ликих капі-таловкладень в чисті при-мі-щення. Крім цього, такі модулі повин-ні бути мак-симально адаптованими до тех-нологічних змін, тобто їх треба про-ек-тувати з ве-ликим ступенем гнучкості для суміщення всіх видів технологій.

Засобом для забезпечення максимальної гнучкості виробництва може стати тільки системна субмікронна технологія ВІС, основним прин-ципом якої є модуль-ність із індивідуальним обробленням Si-пластин. Це за-безпечить перехід на Si-плас-тини великого діаметра (200...300 мм), високу функціональну складність (біль-ше 1М) з мінімальним розміром топо-ло-гічного елемента 0,25...1,0 мкм і зниженням густини дефектів, спричинених операціями літографії, менше 0,05 см-2.

Дефектність структур визначається класом чистоти приміщення, тех-но-логічним процесом формування функціональних шарів, досконалістю тех-ноло-гіч-ного обладнання і реакторного оснащення. Тому мінімізація дефек-то-утворення повинна забезпечуватись як за допомогою названих факторів, так і спроектованою топологією кристалів ВІС з урахуванням техно-логічних допусків процесів форму-вання структур реаль-ного вироб-ниц-тва у виді конструкторсько-технологічних обмежень на основі багаточинної цільової функції дефектності. Ди-на-мічна систе-ма контролю і моніторингу в реальному масштабі ча--су забез-печить високу ефек-тив-ність управління комплексом аналітичних фі-зико-техно-ло-гічних методів кон-тролю технології форму-ван-ня структур ВІС. На основі експе-ри-мен-тальних дослід-жень технологічного процесу фор--мування структур ВІС розроб-лені базові прин-ципи і основні еле-менти субмікронної технології ВІС (рис.1), що до-зво-лить Украї-ні при малих енерго-витратах вийти на світовий ринок інфор-ма-ційних технологій.

Виходячи з аналізу вимог до базового технологічного процесу форму-ван-ня структур ВІС в модулі типу 1ЕГ і можливих варіантів його реалізації, можна сфор-мулювати основні (базові) принципи субмікронної технології:

1. Побудова гетерної технології формування структур ВІС за мікро-цик-лами при забезпеченні взаємозаміни певних блоків, одиниць обладнання та агре-гатів для ін-ди-відуальної обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

2. Об’єднання мікроциклів гнучкими транспортними зв’язками для адресного тран-с-портування Si-пластин по чистим трекам без електростатичних зарядів.

3. Відмова від існуючої ідеології загальних чистих модулів і перехід на кластерні ро-бо-тизовані багатокамерні установки з локальними чистими зонами обробки, які з’єднуються в технологічну лінію вакуумно-транспортними системами для інди-відуальної обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

4. Скорочення і заміна номенклатури високотемпературних дифузійно-оксидо-ва--них процесів і перехід на низькотемпературну обробку кремнієвих пластин з конт-ро-льованою мікроенергетикою процесу й електрофізикою структур.

5. Введення тестового контролю для оптимізації параметрів функціональних ша-рів та приладних структур ВІС, автоматизація процесів на основі їх детального мо-де-лювання і виді-лення значущих параметрів та мінімізація їх дефектності.

6. Розробка та організація виробництва надчистих хімреактивів, води, газів, всіх видів мікро-клі-мату та мікро-технологій, їх застосування в локальних чистих зонах.

7. Зменшення впливу людського фактору, що забезпечується уніфікацією та авто-ма--ти-зацією повного циклу виготовлення структур ВІС, повне виключення між----опе----раційного часу зберігання та розробка елементів надчистої одежі і транс-пор-т-них треків без електро-ста-тич-ного потенціалу.

8. Комплексне екологічне забезпечення субмікронного технологічного процесу фор--мування структур в локальній чистій зоні, особливо при епітаксії, літографії і плазмохімії, формуванні функціональних шарів та іонній імплантації.

9. Гнучкість технології формування структур, її перебудова на нові типи і класи структур, що формуються сумісною Ві-К-Д-МОН технологією, скорочення циклу

Рис.1. Базові принципи і елементи субмікронної технології ВІС (* – розроблені автором).

розробки топології у вигляді амплітудно-фазозсувних проміжних фотооригіналів на базі комплексного технологічного САПРу.

10. Розробка для низькотемпературних процесів нового класу обладнання, спосо-бів формування функціональних шарів та методів їх моніторингу, електро-фі-зич-ного діагностування їх надійності, параметричної оптимізації та мінімізації ба-га-точинної цільової функції дефектності.

11. Реалізація високих точності суміщення і роздільної здатності оптичної проек-ційної літографії та ані-зотропного і селективного плазмохімічного травлення фун-к-ціональних шарів і високо-про-від-ної багаторівневої розводки.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню дефектності струк---тур ВІС і розробці на цій основі шляхів досягнення мінімізованої де-фектності функ-ціональних шарів з високою електричною міцністю діелектричних шарів.

Темпи росту ступеня інтеграції великих інтегральних схем випереджають технологічні мож-ли-вості мініатюризації, а це призводить до поступового збіль-шен-ня площі крис-талу, яке відбувається одночасно зі змен-шенням розмірів еле-ментів і допустимої величини дефектності функціо-наль-них шарів. Вихід при-дат-них структур ВІС в залежності від площі кристалу і його дефектності моде-люється одним із розподілів гамма, Пуас-сона, Мерфі, Сідса, Бозе-Ейнштейна. Ви-корис-товуючи гамма - функцію дефектності функціональних шарів, вихід придат-них описується співвідношенням: |

(1)

де – багатофакторна цільова функція дефектності структури, А- площа крис-талу, Dno- функція дефектності окремого функціонального шару.

Тому принциповим питанням субмікронної технології є мінімізація дефект-ності функціональних шарів як шляхом підвищення чистоти локальних зон об-робки Si-пластин, так і за рахунок розробки нових фізико-технологічних основ формування функ---ціо-нальних топологічних шарів з використанням технологічного САПРу, по-бу-дованого на основі тестових структур. Технологія мікро-клі-ма-ту є одним із ос-новних регла-мен-тів субмікронної технології для діаметра частинок 0,1 мкм в ло-кальній зоні оброб-ки класу 10 і 1/0,1 кластерних технологічних агрегатів.

Дослідженнями показано, що значне зменшення запиленості в чистих зонах можна досягти за рахунок створення чистих ламінарних повітряних по-токів з до-помогою обезпилених комірок типу “Біон” зі сітковим або гол-частим іоніза-то-рами. Вони дають змогу не тільки додатково знизити запи-леність повітряних ла-мі-нар-них потоків у 12...16 разів, але і забезпечують ней-тралізацію електроста-тич-них зарядів до величини потенціалу < 100 В з оп-ти-мальною концентрацією аероіо-нів у зоні дій оператора (6...8)103 см-3 та температурну стабільність меншу ± 0,10С. Роз-роблений експериментальний вимірю-вач кон-центрації аероіонів у зоні ламі-нар-ного повітряного потоку під дією сітко-вого або голчастого іоні-затора. Сфор-му-льовані вимоги до субмікронної технології фор-му-вання структур К-МОН ВІС в модулі 1ЕГ, включаючи ЕППЗП на основі “Flаsh”, “Flotox” і “Strata Flash” комірок з інжекційним і тунельним підзатворним діелек-т-ри-ком в умовах ло-каль-них чистих зон технологічного модуля. Проектування без-дефектної суб-мікронної топології

Рис.2. Технологічний САПР проектування субмікронної топології ВІС.

ВІС у вигляді амплітудно-фазозсувних ПФО забез-печує техноло-гіч-ний САПР, побу-дований на основі комп’ютерних технологій і тестових струк-тур з ви-ко-ристанням математичного моде-лю-вання, верифікації, генерації тестової по-слі-довності, конт-ролю проектних норм КТО реального ви-роб-ництва та мінімізації багаточинної цільової функції дефектності структур ВІС (рис.2).

Рис.3.Методи гетерування в субмікронній технології ВІС (* – розроблені автором).

Однією з важливих задач субмікронної технології ВІС є забезпечення ви-сокого ступеня чистоти і досконалості кристалічної струк-тури кремнію в активних зонах приладних структур у технологічних опера-ціях формування функціо-наль-них шарів. Розроблено низку методів гетеру-вання і модель преципітованого кис-не-вого гетера як із ізоконцентраційної домішки кисню в Si-пластинах (Ч), так і ім-плантованого кисню і вуглецю в Si-пласти-нах (ЗП) та КЕС, що зумовлює фор-мування бездефектних зон (рис.3). Висока ста-біль-ність таких електро-фізичних па-раметрів як часу життя носіїв заряду, стру-мів втрат, рухливісті но-сіїв заряду, тер-мічних напружень, порогової напруги, за-рядового стану міжфаз-ної межі роз-ділу Si-SiO2 забезпечується гетеру-ван-ням дефектів і домішок при виконанні опе-рацій технології формування структур ВІС як зовнішнім, так і внут-ріш-нім гете-рами.

Із підвищенням ступеня інтеграції ВІС та вимог до стабільності їх елект-рич-них ха-рактеристик зростає важливість проблем створення високоякісних тон-ких оксидних плівок інжекційного та тунельного підзатворного діелектрика як одного із основних елемен-тів субмікронної технології ВІС.

Проблема формування тонкого високоякісного підзатворного діелек-трика вирішувалась такими шляхами: 1) зниженням щільності дефектів оксидних шарів ге-терною технологією; 2) підвищенням електичної міцності діелек-трика при змен--шен-ні його товщи-ни технологіями нітридизації та оксидування при наявності ізоконцентраційних домішок кисню і вуглецю; 3) зниженням заряду на міжфазній межі розділу Si-SiO2; 4) зниженням густини пасток в об’ємі оксидного шару.

Для вирішення цієї проблеми досліджено вплив розчинів ZnCl2 i H(AuCl4) в деіонізованій воді на ефективність сформованого підзатворного оксиду товщи-ною 250...350 А0 при електричній міцності Е 4106 В/см. Мі-ні-мальна дефектність у межах 0,05...0,1 см-2 досягається при концентраціях 0,05 % мас. для ZnCl2 і 0,2 % мас. для H(AuCl4). Досягнуто стабілізації заря-до-вого стану міжфазної межі роз-ділу хімічною обробкою в розчині над-оцтової кислоти в пергідролі і амонолізом поверхні підзатворного оксиду з утворенням оксинітриду кремнію SixOyNz, який

ефе-к-тивно гетерує домішки і дефекти та пастки. Встановлені оптимальні кон-центрації кисню і вуглецю в Si-пластинах (Ч). Заміна алюмінієвого електроду за-тво--ра на полікремнієвий (полі-цидний) забезпечує високу електричну міцність під-затворного діелект-рика товщиною 100...350 А0 в межах (1...2)107 В/см.

У третьому розділі подані результати фізико-технологічних досліджень технологій формування ви-со--ко-якіс-них функціональних шарів та їх властивостей для структур великих інтегральних схем.

Підвищення ступеня інтеграції ВІС (більше 64 К) вимагає вдоско-на-лення як процесів міжшарової локальної ізоляції елементів, так і розробки багато-рівневої розводки з використанням легованих алюмінієвих і полі-крем-нієвих провідників.

Описані недоліки методів локальної ізоляції “Locos” і міжшарової ізоляції на основі фосфоросилікатного скла. Метод Locos забезпечує одер-жання планарної поверхні з наполовину втопленим у кремнієву підкладинку шаром польового ок-сиду, самосуміщеного з охоронними областями. Проте з підвищенням ступеня ін-тег-рації більше 64 К виникає низка проблем, що затруднює подальше зменшення еле-ментів за рахунок утворення ефектів “пташиного дзьобу”, “білої смуги” та “вузь-кого каналу”.

На основі аналізу цих явищ розроблені оригінальні й актуальні техно-логічні процеси локальної ізоляції на основі: спейсерної технології нітридною (оксидною) маскою; локального прооксидування легованого полікремнію з профілюванням ві-кон в активних зонах; технології ізоляції канавок, заповнених дисперсним ді-електри-ком. Латеральна дифузія охоронних борних областей усу-вається заміною високотемпературного процесу дифузії бору на іонну імплан-тацію мало-рухливих іонів цезію. Така структура формує охоронні області з поро-го-вою напругою пара-зитних транзисторів на рівні 45 ... 50 В.

Низькотемпературні процеси силанової технології формування ді-елек-т-рич-них і провідних пластів описуються математичною моделлю у вигляді: |

(2)

де S - швидкість відкачки реактора; Т - температура в зоні осадження; РРН3, РО2(NH3) - парціальні тиски фосфину, кисню або аміаку; С - концентрація моносилану; DP, D - діаметри реактора і Si-пластини.

З метою зниження температури вперше розроблено оригінальний процес осадження оплав-леної міжшарової ізоляції у вигляді фосфоро-, борофосфоро-силі-катного скла при тем-пературі 1000С з високою конформністю ( 95 %) самопо-ширюючого фронту ланцюгової хімічної реакції в гомогенній суміші, яка містить сполуку кремнію SiHnCl4-n (n = 0,1,2,3,4) в кількості 0,01...0,1 % ат, воднево-кисневу суміш (Н2:О2 = 1:4) і легуючої добавки у вигляді сумішей РН3, В2Н6 в аргоні з концентрацією (4...20 %) з використанням електроіскрового запалювання.

У зв’язку з необхідністю використання низькотемпературних проце-сів фор--мування функціональних шарів запропоновано метод отримання поліімідних композицій типу ПІД і досліджено їх властивості для міжшарової ізоляції і па-сивуючого захисного покриття ВІС. Такі поліімідні плівки за-без-печують: високу здат-ність до планаризації поверхні ( 600); низьку щільність дефектів у сформо-ва-ному пласті ( 0,05 cм-2); усунення впливу на зарядовий стан міжфазної межі роз-ділу Si-SiO2; високу технологічність формування плівки як для міжшарової ізо-ля-ції, так і для захисного покриття; високу конформність осадження плівки ( 900); ані-зотропність травлення контактних вікон та їх профілювання; малі технологічні та енергетичні витрати, високу екологічну чистоту; високу термостійкість ( 3000C), радіаційну й електричну міцність ізоляції ( 2 106 В/см).

Приймаючи до уваги, що в К-МОН ВІС різного рівня складності струми втрат паразитних транзисторів під ізолюючими оксидними областями ви-кли-кають деградацію електричних характеристик приладних структур, зни-жують їх стій-кість до тиристорного ефекту і радіаційного опромінення, була досліджена техно-логія самосумісної ізоляції з використанням легованих полікремнієвих екранів і оксидних спейсерів. Така технологія забезпечує ра-діаційну стійкість ( 107 рад) і ба-зується на стандартній К-МОН технології з уведенням додаткових операцій: нарощування тонкого термічного оксиду для формування в ньому контак-тів до Si-підкладинки; нанесення плівки полі-Si* методом піролізу моносилану і селек-тивного йо-го легування As+ і В+ за типом провідності Si-підкладинки (s 50 Ом/); травлення полі - Si* по краях ізолюючих областей для розділення екранів на n+ і р+ тип; формування бічної спейсерної ізоляції по краях полікремнієвих ек-ранів.

Підвищення ступеня інтеграції біполярних ВІС досягається удос-кона-лен-ням КЕС, що дозволяє сумістити біполярну, К-МОН і Д-МОН технології за раху-нок структури n--n---p-, гідридно-хлоридної технології та змен-шенням проектних норм конструкторсько-тех-но-логічних обмежень на пере-хідну область Si-під-кла-динка - епітаксійний шар і на зміщення захо-ваного шару з використанням ге-тер-них полі-кремнієвих шарів та анізотропної імплантації вуглецю в області захо-ваного шару. Це дозволяє знизити товщину епітаксійного шару до 5...7 мкм, а дефектність таких плівок до значення 0,01...0,5 см-2 при рості пробивної напруги колекторних переходів до значення 120 В.

Розводка в багаторівневих ВІС займає до 70 % площі кристалу. Тому ви-моги до розводки ВІС при збільшенні ступеня інтеграції збільшується, осо-б-ливо до верхнього рівня алюмінієвої металізації, яка повинна мати малий крок і та висо-ку корозійну й елек-троміграційну стійкість. Дослідження корозійних явищ в інте-гральних схемах дозволили розробити леговані рідкісноземельними і туго-плав-кими металами алю-мінієві сплави і на їх основі мішені для магнетронного фор-мування алюмінієвих плівок. Показано, що висока корозійна стійкість алю-мінієвої металізації дося-гається зближенням електродних потенціалів і збіль-шенням паси-вуючої здатності металізації за раху-нок РЗМ. Розроблена тех-нологія з викорис-танням тонкоплів-кової металізації Al-1Ho або Al-1Si-1Ho впроваджена в ви-робництво структур ВІС. Це дало мож-ливість знизити ко-ро-зійні руйнування ме-та-лі--зації майже на один-два порядки. На основі про-ведених досліджень розроб-лена корозійна модель руйнування тонко-плів-кової алюмінієвої металізації у вигляді: |

(3)

де d, S - товщина провідника і площа руйнуючої області корозії; і0 - різниця катодних і анодних електродних потенціалів; Рі - сума катодної і анодної поляризованостей; Ін - струм навантаження; А - молярна маса ма-теріалу про-від-ника; n - число електронів, які беруть участь в електродній ре-а-к-ції; F- число Фара-дея; - густина матеріалу провідника; Еакт1, Еакт2 - енер-гії активації корозійного і ди-фузійного процесів; nз, l, b- число, довжина, ши-рина границь зерен; Zеф.г.з- ефективний заряд іонів, що рухаються по межі металевих зерен; z - ширина про-відника; Т- температура.

Для підвищення швидкодії багаторівневих ВІС проведені експери-мен-таль-ні дослідження поліцидної розводки, сформованої силановою технологією газо-хімічних реакцій на аморфному кремнії, яка забезпечила ре--кордно низький пито-мий опір (менше 10 мкОмсм) та покращила термопольову стабільність затворної системи і контактів польових транзисторів.

Унікальною є технологія формування уніполярних тон-ко-плівкових конден-саторів на основі легованих шарів -танталу. Такі ТПК, маючи велику питому єм-ність, широко використовуватимуться в динамічних комірках пам’яті, активних RC---фільтрах та приладах зарядового зв’язку. Дуже низькі значення струмів втрат (10-10...10-11А) при на-прузі 120...130 В забезпечують як високу електричну ста---біль-ність із-за відсутності пасток в оксиді, так і висо-ку радіа-ційну стійкість до --опро-мінення (із-за наявності РЗМ і вуглецю) інтегральних схем. Ступінь легу-вання базових ша-рів -Та забез-печує уніполярність конден-са-торів у широкому ро-бо--чому діапазоні температур і напруг. Розроб-лена математична модель ано-ду-ван-ня діелектрика на основі шарів -танталу в розчині лимонної або ща-велевої кислот:

, (4)

де N0- концентрація іонів кисню в електроліті; D- коефіцієнт дифузії іонів кис-ню; Lk- характеристична дифузійна довжина; u- рухливість іонів кисню в електроліті; Е- напруженість електричного поля у ванні анодування.

Зменшення розмірів елементів вимагає подальшого удосконалення тех-нології плазмохімічних процесів формування функціональних шарів та ані-зот-роп-ного їх травлення та профілювання контактних вікон. Відомо, що з використанням сухого травлення діелектричних плівок контактні вікна перед металізацією мають вертикальні стінки, що при-зво-дить до обриву металізації ВІС. Для різних топо-ло-гічних рішень розроб-лена плазмохімічна технологія про-філювання контактних вікон з викорис-танням як ерозії фоторезисту, так і вибором відповідних робочих сумішей для комбінованого (ізотропного + анізотропного) плазмохімічного трав-лен-ня. Досягнута висока прецизійність формування ПХТ металевої і полікрем-нієвої розводок на основі легованих Al-плівок та силіцидних (поліцидних) шарів.

Досягнення високої відтворюваності розмірів елементів забезпечу-ється прецизійністю фотолітографічних процесів. У зв’язку з цим досліджу-валась роз-дільна здатність як установок оптичної проекційної літографії, так і роздільна здат-ність амплітудно-фазозсувних ПФО і плівки фоторезиста залежно від умов її формування і складу резиста. Показано, що плазмохімічна модифікація поверхні проекс-по-нованого фоторезиста реакцією силілірування в гексаметилдисилазані під---вищує стійкість його до кисневої плазми і збільшує роздільну здатність в 1,5...1,7 рази, при цьому неточність розмірів мінімального елемента досягає ±0,1 мкм. Дослідження амплітудно-фазозсувних ПФО, сформованих з використанням тран-с--па-рентних і просвітлюючих покриттів на основі легованих плівок оксиду заліза та легованих плівок хромового сплаву ВХ2К (ВХ2У), показали, що роз-діль-на здатність проекційної літографії збільшується на 35-45 % і складає 0,25-0,42 мкм при точності суміщення ± 0,1 мкм.

Подальшого зниження нерівномірності плазмохімічного травлення алю-мі-нієвої металізації із легованих сплавів досягнуто використанням анти-відбивних про-світлюючих шарів з введенням рідкісноземельних і перехідних металів та їх ані--зотропним травленням у високо-ак-тивній плазмі на основі SiCl4:SF6:BCl3:Не при кріогенних температурах для зменшення кроку металізації до 2,5 мкм.

Досліджені властивості висококонтрасного однокомпонентного по-зи-тив-ного резиста для відтворення мінімальних розмірів 0,8 мкм і неточ-ностей роз-мірів до 0,1 мкм. Результати експериментальних досліджень пока-зали, що високий контраст проявлення розмірів елементів забезпечу-ється складом резиста: типом смоли, вмістом світлочутливої добавки НХД, типом і складом розчинника, а також технологічними параметрами (температурою і часом осушення плівки резиста). Розроблена модель проявлення топології ВІС на основі високо-кон-траст-них резис-та та проявника.

Висока світлочутливість резиста (менше 50 мДж/см2) забезпечує пов-не по-глинання випромінювання з довжиною хвилі не більше 300 нм заданим складом смоли. Такий фоторезист виготовлявся на основі смол СФ-051 і СФ-141, які ете-ри-фікувались 1,2 - нафтохінондіазидом таким чином, що вміст груп НХД складав 15...25 %. На основі такого ефіру світлочутливої композиції ви-го-товлений одно-ком--понентний позитивний фоторезист ФП-Н1 для ви-соко-контрасного проявника, що забезпечує відтворення субмікронних роз-мірів 0,6...0,8 мкм з точністю менше ± 0,1 мкм.

Розглянута група плазмохімічних і літографічних процесів повністю забез-печить відтворення субмікронних розмірів елементів 0,25-0,8 мкм, кроку металі-за-ції 2,5 мкм і неточності розмірів 0,1 мкм, що дає можливість фор-мувати струк-тури ВІС до 1-4 М. Особливу увагу заслуговують плазмо-хі-мічні про-цеси осад-ження і травлення плівок з використанням реакторів елек-трон-но-цикло-трон-ного резонансу в зоні післясвічення плазми, які не вно-сять ра-діа-ційних пош-коджень. Відповідно розроблені моделі проявлення резисту та травлення функціональних шарів субмік-ронної тех-но-логії.

Значне покращення параметрів ВІС внаслідок зниження тополо-гіч-них роз-мірів може бути повністю реалізоване подальшим удоско-нален-ням технології безевтектичного мон-тажу