Способ формирования межслойной изоляции в производстве интегральных микросхем

(5 ц 5 Н 0121/32 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Минский радиотехнический институт (72) А,А.Ковалевский(56) 1.Мегс 1 ег,З. ет а 1. ВарО 1 зойегаа 1 цз 1 оп о 1 РЯО 1 Иаз. - 1. Еес 1 госйеа. Яос. 1985, ч.132, М 10, р. 2432-2435.2.чч 11 ааз О., Ое 1 п Е. 1.РСЧО о 1 ЬогорЬозрйоз 11 сате 91 азз 1 гоа ог 9 апс геастапз, - ,3. Е 1 естгосЬеа, зос., 1987, ч 134, М 3, р.657 - 664.З,Ач 1 И., Квопд О. Кейоа о 1 рйозрйоз 1 - Исайе 91 азз Ьу гар 1 с йегаа аппеа 1 п 9. - ,. Е ессгосйеа. Зос. 1986, ч.133, М 12, р. 2626- 2631.(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЖСЛОЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (57) Изобретение относится к области электронной техники, в частности к технологии Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии сглаживания топологического микрорельефа кремни- евых подложек в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем,Известен способ хромирования межслойной изоляции, включающий химическое осаждение из газовой фазы (моносилан, фосфин, закись азота, кислород) слоя ФСС на кремниевую подложку с топологическим рельефом под активные и.Б 2 1711269 А 1 оплавления фосфоросиликатного стекла в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Целью изобретения . является улучшение электрофизических параметров фосфоросиликатного стекла и повышение наработки микросхем на отказ за счет сокращения времени задержки при оплавлении, Указанная цель достигается тем, что после осаждения из газовой фазы фосфоросиликатного стекла на кремниевые подложки с топологическим рельефом подложки нагревают световым потоком с плотностью мощности на подложке 25-45 Вт/см в газовой среде, содержащей водород, пары воды и пары борфтористой кислоты. Газовую среду формируют пропусканием водорода через испаритель с 15 - 35 мас.0-ным раствором .борфтористоводородной кислоты в воде, нагретым до 100 С, а поток водорозда поддерживают в интервале 120 - 200 дм /ч. пассивные элементы с углами ступенек 85 - О 90 и последующее его оплавление в потоке азота при лучистом нагреве подложек гало- генными лампами до 1000 - 1200 С втечение 10-60 с (1).Недостатком способа является большая длительность задержки оплавления (10 - 15 с), что вызывает истончение слоя фосфоросиликатного стекла на кромке ступеньки топо- логического рельефа и, как следствие, снижение пробивных напряжений межслойной изоляции интегральных микросхем.Известен способ формирования межслойной изоляции, включающий химическое осаждение из паровой фазы (тетраэтоксисилан, триметилборат, триметилфосфат и кислород) слоя ФСС, легированного бором, на кремниевую подложку с топологическим рельефом под активные и пассивные элементы с углами ступенек 85- -90 и последующее его оплавление в пото- ке аргона при температуре подложек 900-950 С в течение 30 мин 2.Недостатком способа является длительная высокотемпературная обработка кремниевых подложек со сформированными в них активными и пассивными элементами интегральных микросхем, которая может вызвать нежелательные изменения их параметров,Известен способ формирования межслойной изоляции, включающий химическое осаждение из газовой фазы (моносилан, фосфин, азот и кислород) слоя ФСС с концентрацией Р 205 в стекле 3,0-8,5 мас,она кремниевую подложку с топологическим рельефом, имеющим углы ступенек 85-90 О, и последующее оплавление ФСС в потоке азота, насыщенного парами воды, при скорости потока через кипящую воду 4 дм /мин и лучистом нагреве подложек до 1000 - 1300 С в течение 1 - 70 с 3,Недостатками известного способа являются сильная зависимость процесса оплавления ФСС от концентрации Рг 05 в нем, низкие пробивные напряжения и высокие токи утечки оплавленного слоя стекла.Целью изобретения является улучшение электрофизических параметров изоляции и повышение ресурса работы за счет сокращения времени задержки при оплавлении.Сущность изобретения заключается в том, что отжиг ФСС проводят в газовой среде, содержащей ионы водорода, фтора и бора. Они внедряются в структурную сетку ФСС и способствуют образованию протяженных линейных структур каркаса ФСС, В этом случае в углах тетраэдров Я 04 между ионами водорода, фтора, бора и кислорода образуются прямые ковалентные связи, Высокая электроотрицательность фтора и бора, низкая степень ковалентности связей в этих ионах, низкая валентность водорода и фтора обеспечивают протяженную линейную структуру каркасу ФСС и ослабляют химические связи, что способствует уменьшению вязкости стекла, улучшению смачиваемости и растекаемости его по подложке, снижению вероятности образования пор и трещин. Все это способствует улучшению электрофизических параметров ФСС и интегральных микросхем в целом. Указанные преимущества по сравнению с известным достигаются за счет оплавления ФСС в потоке водорода, который пропускают через 5 испаритель с 15-35 мас,о -ным растворомборфтористоводородной кислоты в воде, нагретым до 100 С, поток водорода поддерживают в интервале 120-200 дм /ч, а нагревзкремниевых подложек осуществляют свето вым потоком с плотностью мощности наподложке 25-45 Вт/см .гИспользование в качестве газа-носителя водорода, который пропускают через 15 - 35 мас.-ный раствор борфтористово дородной кислоты в воде, нагретый до100 С, а поток водорода поддерживают в интервале 120-200 дм /ч, обеспечивает незобходимый состав газовой среды оплавления, содержащий водород, пары воды и борфтористоводородной кислоты.20 Нагрев подложек световым потоком сплотностью мощности на подложке 25 - 46 Вт/см позволяет вызвать фотохимическую реакцию диссоциации молекул борфтористоводородной кислоты на ионы фтора, бо ра и водорода, а также обеспечить нагревподложек до 850 - 1300 С.Снижение процентного содержанияборфтористоводородной кислоты меньше 15 мас,в растворе не обеспечивает поток 30 водорода тем количеством уносимой в зонуреактора кислоты, диссоциация молекул которой создает достаточное количество ионов фтора, бора, водорода, чтобы сформировался протяженный линейный каркас лег коплавкого ФСС, отличающегося малойвязкостью, хорошей текучестью и хорошей смачиваемостью кремниевых подложек. По той же причине нецелесообразно уменьшение скорости потока водорода через испа ритель меньше 120 дм/ч.Снижение плотности мощности светового потока меньше 25 Вт/см .не.обеспечи 2вает диссоциации молекул кислоты на ионы фтора, бора и водорода, а выполняет лишь 45 функцию нагрева подложек. В этом случаене реализуется эффект образования линейного каркаса ФСС, а следовательно, не достигается та температура вязкотекучего состояния стекла, при котором время задер жки при оплавлении достигает минимального значения - 0,5 с.Увеличение процентного содержанияборфтористоводородной кислоты больше 35 мас.% в растворе так же, как и увеличе ние скорости потока водорода через объемиспарителя свыше 200 дм /ч, приводит к иззбыточному количеству ионов фтора и бора в газовой среде, способному вызвать кристаллизацию ФСС и разделение фаз. Такое5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 явление нарушает структурное совершенство слоев ФСС, так как в них появляются кристаллические включения, поры, трещины, разнотолщинность, что отрицательно сказывается на величине напряжения электрического пробоя и токов утечки.Увеличение плотности мощности светового потока больше 45 Вт/см увеличиваетгтемпературу подложек выше 1300 С, что приводит к интенсивному испарению Р 20 ь из ФСС, увеличению плотности пор и трещин в оплавленном слое ФСС, а следовательно, к снижению качества и надежности интегральных микросхем.П р и м е р. Запущено три серии кремниевых подложек по шесть партий подложек в серии и по шестьдесят подложек в партии. В качестве подложек используют пластины кремния КЭФ 4,5 диаметроммм с ориентацией по плоскости (100).Все подложки проведены по базовому технологическому маршруту изготовления микросхем К 1824, включающему операции термического окисления кремния, имплантацию ионов фосфора, мышьяка и бора, химического осаждения из паровой фазы при низком давлении пленок поликристаллического кремния, нитрида кремния и нелегированного оксида кремния, создания методом плазменного травления ступенек высотой 0,7 + 0,1 мкм с углами 85 - 90, осаждения слоя ФСС толщиной 0,8 + 0,2 мкм с содержанием Р 2 ОБ: в первой серии подложек 2,0 мас. 7 ь во второй 4,0 мас, ф 4 и в третьей 6,0 мас,ф методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении (40 + 5 Па), температуре подложек 430 + 10 С и использовании 10 об.ф смесей моносилана с аргоном и фосфина с аргоном и 23 об. ф смеси кислорода с аргоном.На пяти партиях каждой серии подложек дальнейшей операцией является оплавление ФСС, затем создание металлиэации, вскрытие контактных окон к нижнему уровню разводки и формирование верхнего уровня разводки из алюминия, а на шестой партии из каждой серии подложек - оплавление слоя ФСС по условиям известного способа в потоке азота, насыщенного парами воды, при скорости потока 4,0 дм /мин,з далее создание металлизации, вскрытие контактных окон к нижнему уровню разводки и формирование верхнего уровня разводки из алюминия.Оплавление слоев ФСС как по предлагаемому, так и по известному способам осуществляют в реакторе установки лучистого нагрева типа "Эпиквар 122". Нагрев осуществляется от галогенных ламп КГ-10003, Транспорт парогазовой смеси в зону расположения подложек осуществляют путем пропускания водорода (предлагаемый) и азота (известный) через испаритель типа тюльпан с захватом паров из объема испарителя, Емкость испарителя 2,5 дм, площадь сечения 32 смэ. Испарители термостатированы и откалиброваны при 100 С на соответствующий расход паров воды и паров раствора борфтористоводородной кислоты. Используют деионизованную воду с сопротивлением 20 МОм. 40 мас,7 ьную борфтористоводородную кислоту, на основе которой готовят растворы в деионизованной воде, мас. : 14, 15, 25, 35, 37, Захват паров кислоты осуществляют потоком водорода, дмэ/ч: 118, 120, 200, 205.Инициирование фотохимической реакции диссоциации молекул борфтористоводородной кислоты до ионов фтора, бора и водорода и нагрев подложек до 840, 850, 1000, 1300, 1320 С осуществляют лучистым нагревом световым потоком с плотностью мощности на подложке 24,5, 25, 30, 45, 46 Вт/см соответственно. После отжига слоя ФСС отключают лучистый нагрев и подача газов через испаритель, реактор продувает азотом, а затем раэгружается. Далее выбираются подложки-спутники для определения плотности пор, трещин, толщины слоя, угла оплавления, а остальные подложки с активными и пассивными элементами направляются на формирование металлизации, после чего опять выбираются подложки-спутники, на которых оценивают разрывы алюминиевой металлизации. Остальные подложки передают на последующие операции в соответствии с маршрутом изготовления микросхем К 1824.После сборки в корпус микросхемы проверяются на ресурс наработки на отказ, для чего они помещаются в термобаровлагокамеру при влажности 100;, температуре 100 С и давлении 2,2 ати, После заданной выдержки на них оцениваются величина пробивного напряжения, токи утечки и длительность наработки на отказ,Толщина слоев ФСС, угол оплавления кромок ступенек и обрыв металлизации оцениваются по специальным сколам и.косым шлифам, выполненным под углом 1 с использованием растровой электронной микроскопии. Наличие пор и трещин в слоях Ф СС устанавливается медно-желатиновым методом, Время задержки при оплавлении слоев ФСС оценивается с помощью дериватометрии с шагом подъема температуры оплавления 2,5 С и с помощью поверхностного профилометра, Пробивное.вом изобретения является повышение стойкости интегральных микросхем к воздействию влаги. 30 35 40 45 50 Составитель Л.ХитроваТехред М. Моргентал Корректор М.Демчик Редактор И.Шулла Заказ 346 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 напряжение слоев ФСС после оплавления и микросхем после выдержки в термобаровлагокамере и токи утечки оценивается на установке ИППЛ-56.Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что по сравнению с известным предлагаемый способ позволяет существенно улучшить электрофизические параметры межслойной изоляции, снизить на порядок плотность пор и трещин, вдвое увеличить пробивные напряжения, существенно уменьшить количество обрывов металлизации и увеличить наработку микросхем на отказ на 1800 - 3500 ч. Указанные преимущества реализуются за счет сокращения времени задержки при оплавлении с 2 - 3 с (известный) до 0,4 - 0,5 с (предлагаемый),Благодаря повышению структурных качеств оплавленного слоя ФСС и сокращению времени задержки при оплавлении ФСС появляется воэможность уменьшения геометрических размеров элементов тонкопленочных интегральных микросхем, что актуально для повышения степени интеграции и стойкости СБИС к спецвоздействиям. Дополнительным преимущест 5 Формула изобретенияСпособ формирования межслойнойизоляции в производстве интегральных микросхем, включающий осаждение слоя фосфоросиликатного стекла с содержанием 10 Р 20 эдо 8,5 мас.из газовой фазы на кремниевые подложки с топологическим рельефом, нагрев подложек световым потоком и оплавление фосфоросиликатного стекла в потоке газа-носителя и паров воды в тече ние 1-70 с,отл ич а ю щи й с я тем, что,сцелью улучшения электрофизических параметров изоляции и повышения ресурса работы за счет сокращения времени задержки при оплавлении, нагрев подложек осущест вляют световым потоком с плотностью мощности на подложке 25 - 45 Вт/см, в качестве газа-носителя используют водород, который пропускают через 15 - 35 мас,%-ный раствор борфтористоводородной кислоты в 25 воде, нагретой до 100 С, а величину потокаводорозда поддерживают в интервале 120 - 200 дм /ч.