Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем

 

Изобретение относится к области технологии кремниевых интегральных схем с субмикронными размерами. Скрытый диэлектрический слой донной части диэлектрической изоляции формируют путем термического окисления кремния с предварительным созданием слоя с радиационными дефектами в кремнии. Для этого используется метод имплантации ускоренных ионов элементов, не создающих в кремнии легирующих доноров или акцепторов с энергией 50-200 кэВ и дозой 1•10¹⁶-1•10¹⁷ см^-2 при температурах 500-850^oС. При этом маскирующий слой нитрида кремния создают с окнами, максимальное расстояние между которыми не превышает величины L, определяемой формулой , где D - коэффициент кислорода при термическом окислении кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами, t - время окисления. Техническим результатом является уменьшение дефектности изолированных областей и упрощение технологии создания интегральных схем. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области технологий кремниевых интегральных схем с субмикронными размерами и может найти применение в электронной промышленности.

Известны различные способы изоляции кремниевых областей, предназначенных для изготовления в них элементов интегральных схем: транзисторов, резисторов и т.д. Среди них большое распространение получили способы полной диэлектрической изоляции.

В этих способах боковую часть полной диэлектрической изоляции формируют окислением части поверхности кремниевой пластины незащищенной топологической маской из нитрида кремния (см., например, С. Зи. Физика полупроводниковых приборов, т. 1. М.: Мир, 1981, с. 193).

Для создания донных частей полной диэлектрической изоляции используются диэлектрические подложки с образованием структур типа "Кремний на диэлектрике" (см. , например, Q-Y Tong, R.W. Bower. Beyand Smart - Cut "Rocent Advances in Layer Transfer for Material Integration", MRSBulletin, 1998, december, p. 40-44).

Эти способы отличаются большой сложностью реализации и плохой воспроизводимостью параметров.

Известны способы диэлектрической изоляции элементов интегральных схем (см. , например, A. Auberton-Herve, B.Aspar, J. Pelloie. Low dose SIMOX for ULSI applications. Physical and technical Problems of SOI Structures and Devices. Kluwer Acad.Publ. 1995, p. 3-14), в которых донная часть изоляции создается путем имплантации атомов кислорода или азота. Данный способ диэлектрической изоляции является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и выбирается в качестве прототипа. Способ-прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что изолированные кремниевые области имеют повышенную дефектность вследствие воздействия на них больших потоков атомов кислорода или азота (свыше 10¹⁸ см^-2), необходимых для синтеза скрытого диэлектрического слоя (донной части изоляции).

В изобретении ставятся задачи повышения воспроизводимости параметров, уменьшения дефектности изолированных областей в интегральных схемах с полной диэлектрической изоляцией и упрощение технологии создания интегральных схем с полной диэлектрической изоляцией.

Эти задачи решены в способе диэлектрической изоляции элементов интегральных схем, включающем операцию создания маскированных областей на поверхности кремниевой пластины (например, слоем нитрида кремния) методом термического окисления кремния через окна в маскирующем слое для создания боковой части диэлектрической изоляции, операцию ионной имплантации для создания скрытого слоя, обогащенного радиационными дефектами в области кремния, прилегающей к боковой части диэлектрической изоляции элементов интегральных схем и формирование донной части скрытой диэлектрической изоляции путем термического окисления слоя кремния с радиационными дефектами, при этом энергия ускоренных ионов составляет 50-200 кэВ, доза имплантации составляет 1•10¹⁸-1•10¹⁷ см^-2 при температурах 500-850^oС, а в качестве бомбардирующих ионов выбираются ионы элементов, не создающих в кремнии легирующих доноров или акцепторов, при этом максимальное расстояние между маскирующими областями на поверхности кремниевой пластины не превышает величины L, определяемой формулой где D - коэффициент диффузии кислорода при термическом окислении кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами, t - время окисления.

Отличия предложенного способа диэлектрической изоляции интегральных схем заключаются в том, что скрытый диэлектрический слой донной части диэлектрической изоляции формируют путем термического окисления, обогащенной радиационными дефектами области кремния путем предварительной имплантации ускоренных ионов с энергией 50-200 кэВ и дозой 1•10¹⁶-1•10¹⁷ см^-2 при температурах 500-850^oС. В качестве бомбардирующих ионов используются ионы элементов, не создающих в кремнии легирующих доноров или акцепторов, например, ионы водорода, углерода, азота, кислорода или кремния. При этом максимальное расстояние между маскирующими областями на поверхности кремния не превышает величины L, определяемой формулой где D - коэффициент диффузии кислорода при термическом окислении кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами.

t - время окисления.

Отличия второго варианта заключаются в том, что температура термического окисления при создании донной части диэлектрической изоляции не превышает температуру имплантации.

Отличие третьего варианта заключается в том, что создание слоя с радиационными дефектами проводят до операции создания маскированных областей на поверхности кремниевой пластины.

Отличия четвертого варианта заключается в том, что он дополнительно содержит операцию фотонного отжига радиационных дефектов.

Задачи, поставленные в изобретении, решены за счет предварительного (перед термическим окислением) создавая в кремниевой подложке слоя с повышенным содержанием радиационных дефектов и за счет ускоренной латеральной диффузии кислорода по дефектному слою под областями, маскированными слоем нитрида кремния. При расстоянии между окнами в маске из нитрида кремния L, не превышающем величины где диффузионные фронты кислорода смыкаются под маскированными областями кремния, формируя, таким образом, донную часть диэлектрической изоляции.

Дополнительное повышение воспроизводимости процесса, достигается тем, что имплантацию проводят при повышенной температуре подложки (500-850^oС), а термическое окисление при температуре, не превышающей температуру имплантации.

С целью сохранения электропроводимости в кремниевых изолированных областях в качестве имплантируемых ионов используются ионы элементов, не создающих в кремнии легирующих доноров или акцепторов (например, ионы водорода - изотопы кремния, кислорода, углерода или азота).

Улучшения качества изолированных областей достигают тем, что дефекты в них устраняют фотонным отжигом.

Изобретение поясняется приведенными чертежами.

На фиг.1 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции формирования маски из нитрида кремния.

На фиг.2 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции формирования слоя с радиационными дефектами.

На фиг.3 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции формирования канавок для создания боковой части диэлектрической изоляции.

На фиг.4 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции создания донной части диэлектрической изоляции.

На фиг.5 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции создания слоя с радиационными дефектами в кремнии согласно варианту способа, когда упомянутый способ реализуется имплантацией ионов до операции создания нитридной маски.

На фиг.6 приведен схематический разрез кремниевой пластины после операции создания слоя с радиационными дефектами в кремнии согласно варианту способа, когда упомянутый способ создается после операции создания нитридной маски.

На фиг.7 приведен схематический разрез кремниевой пластины после завершения создания изоляции.

На приведенных чертежах: в кремниевой пластине 1 создается слой с радиационными дефектами 2, на поверхности пластины 1 создается маскирующий слой 3 из нитрида кремния с окнами 4, расстояние между которыми (L) не превышает величины где D - коэффициент диффузии кислорода при термическом окислении кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами, t - время окисления.

Через окна 4 в маске 1 термическим окислением кремния создаются донная и боковые части 6 диэлектрической изоляции кремниевых изолированных областей 7, в которых формируются элементы интегральных схем (не показаны).

Следует отметить, что боковая изоляция 6 (спейсорная область) может быть сформирована из пленки нитрида кремния, получаемой путем тотального осаждения нитрида кремния на рельефную поверхность на этапе, показанном на фиг.3, и последующего реактивно-ионного ее травления.

В предложенном способе изоляции элементов интегральных схем, в частности, возможно использование протонов, которые отличаются способностью выделять большую часть энергии и создавать радиационные нарушения в конце своего пробега, а также эффекте радиационного стимулирования диффузии кислорода (см. Смирнов Л. С. Физические процессы в облученных полупроводниках. Новосибирск: Наука, 1977, с. 212).

Таким образом, при энергии ионов, например, 50 кэВ протоны почти без взаимодействия проходят верхний слой кремния и разрушают тонкий слой кремния длиной примерно 0,1 мкм на глубине 0,5 мкм, затем при помещении маскированных пластин кремния в атмосферу кислорода происходит его интенсивная диффузия по радиационным дефектам, созданным протонами и окисление кремния, даже при относительно низких температурах 500-700^oС.

Таким образом, латеральная диффузия атомов кислорода в бок под нитридную маску позволяет сформировать нижнюю часть диэлектрической изоляции из оксида кремния и полностью изолировать область кремния, в которой можно формировать элементы интегральной схемы. Данный способ изоляции реализуем только при относительно малых топологических размерах, когда расстояние между маскированными областями L не превышает (т.е. ≤1,5 мкм), где D - коэффициент диффузии кислорода при термическом окислении кремния по упомянутому слою кремния с радиационными дефектами, t - время диффузии. Следует отметить, что способ создания диэлектрической изоляции путем прокисления кремния без предварительного создания радиационных дефектов облучения протонами или другими вышеупомянутыми ионами дает худшие результаты из-за необходимости более высоких температур окисления (более 1000^oС), приводящих к возникновению высоких механических напряжений на границах мезаструктур и их деформации.

Возможными дополнительными технологическими операциями, направленными на ускорение процесса окисления является имплантация атомов кислорода и/или азота с дозой свыше 1000 мкм в немаскированную часть кремния до проведения операции термического окисления, а также проведение окисления при одновременном облучении пластины потоками ионизирующего излучения, например, ультрафиолетового, электронного или рентгеновского (с дозой свыше 10 рентген/сек).

Формирование полной диэлектрической изоляции по предлагаемому способу в качестве конкретного примера проводилось на кремниевых пластинах КЭФ - 4,5 Ом/см с минимальным топологическим размером 0,8 мкм. Маска из нитрида кремния толщиной 0,15 мкм наносилась на подслой оксида толщиной 600 , имплантация протонов осуществлялась с энергией 60 кэВ и дозой 10¹⁷ см^-2. Окисление проводилось при температуре 600^oС в течение 70 мин. Проведенные измерения показали, что были сформированы полностью диэлектрически изолированные от подложки и друг друга кремниевые мезаобласти (островки). Толщиной 0,35 мкм и шириной 0,6 мкм. Приведенным примером не исчерпываются все возможные применения предложенного способа. Способ может найти широкое применение для создания сверхбыстродействующих сверхбольших интегральных схем запоминающих и микропроцессорных устройств.

Формула изобретения

1. Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем, включающий операцию создания маскированных областей на поверхности кремниевой пластины, операцию термического окисления кремния через окна в маскирующем слое для создания боковой части диэлектрической изоляции, формирование скрытого диэлектрического слоя донной части изоляции, отличающийся тем, что перед термическим окислением создают скрытый слой кремния с радиационными дефектами в кремниевой пластине методом имплантации ускоренных ионов с энергией 50-200 кэВ и дозой 1•10¹⁶-1•10¹⁷ см^-2 при температуре 500-850^oС ионами элементов, не создающих в кремнии легирующих доноров или акцепторов, а скрытый диэлектрический слой донной части изоляции формируют путем термического окисления скрытого слоя с радиационными дефектами, при этом максимальное расстояние между маскированными областями не превышает величины L, определяемой формулой где D - коэффициент диффузии кислорода при термическом окислении скрытого слоя кремния с радиационными дефектами; t - время окисления.

2. Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем по п.1, отличающийся тем, что температура термического окисления при создании донной части диэлектрической изоляции не превышает температуру имплантации.

3. Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что имплантация производится ионами водорода, или азота, или кислорода, или кремния.

4. Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что создание слоя с радиационными дефектами в кремнии производят до операции создания маскированных областей на поверхности кремниевой пластины.

5. Способ диэлектрической изоляции элементов интегральных схем по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что дополнительно содержит операцию фотонного отжига радиационных дефектов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7