автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Физико-технологические особенности создания выпрямляющих и омических контактов в кремниевых полупроводниковых приборах и ИС с использованием титана и его соединений



У Су

• л* <,

0'. (о.оЪ

7-ЬЧ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

и ^

' . 'А'*-*

На правах рукописи Экз № 1

.; г

ШЕВЯКОВ ВАСИЛИИ ИВАНОВИЧ

ФИЗИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ И ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ В КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И ИС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТИТАНА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и

наноэлектроника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва,!998 г.

О

Научный консультант: проф., д.т.н. Королев М.А.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................7

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПРИ СОЗДАНИИ КОНТАКТОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВАХ С СУБМИКРОННЫМИ РАЗМЕРАМИ.........................................................................................19

1.1. Роль металлизации в развитии полупроводниковых приборов и ИС... 19

1.2. Омические контакты к моно- и поликристаллическому кремнию.......22

1.2.1. Требования к электрофизическим параметрам контактов. Сравнительный анализ конструктивных и технологических особенностей их создания ..................................................................................22

1.2.2. Силицидные контакты. Сравнительный анализ свойств силицидов ....30

1.2.3. Особенности твердофазного силицидообразования в системе Ti-Si____33

1.2.4. Проблемы в технологии создания самосовмещенных малопроникаю-

щих контактов и полицидных затворов на основе Т1812 в МОП- ИС (8 АЫСГОЕ-технология)...........................................................47

1.2.5. Особенности процесса окисления силицидов тугоплавких металлов...51

1.2.6. Анализ проблем, возникающих при создании омических контактов

в системах металлизации с алюминиевыми межсоединениями..........55

1.3. Контакты Шотки к кремнию.....................................................57

1.3.1. Области применения контактов Шотки.......................................58

1.3.2.Требования к электрофизическим параметрам контактов. Анализ конструктивных и технологических особенностей создания планар-ных диодов Шотки.................................................................64

1.3.3. Методы управления высотой барьера контактов Шотки..................75

1.3.4. Проблемы при создании контактов Шотки в системах металлизации

с алюминиевыми межсоединениями...........................................79

1.4.

1.5.

Анализ физических моделей образования барьера в контактах металл - полупроводник........................................................

Выводы..........................................................................

.82 90

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДОФАЗНОГО СИЛИЦИ-ДООБРАЗОВАНИЯ И ОКИСЛЕНИЯ СИЛИЦИДА ТИТАНА С УЧЕТОМ РОЛИ КИСЛОРОДА.......................................................95

2.1. Исследование способов осаждения пленок титана..........................96

2.2. Анализ факторов, влияющих на скорость твердофазного взаимодействия титана с кремнием............................................................100

2.3. Исследование зависимости фазового состава слоя силицида титана от содержания кислорода в атмосфере отжига.................................102

2.4. Модель силицидообразования в системе титан-кремний с учетом механизма диффузии кремния.................................................108

2.5. Исследование процесса выращивания пленки SÍO2 на поверхности силицида титана......................................................................111

2.6. Выводы..............................................................................125

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ МАЛОПРОНИКАЮЩИХ ОМИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ К MOHO- И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМУ КРЕМНИЮ...................126

3.1. Анализ методов определения параметров омических контактов........126

3.2. Особенности технологии алюминиевых омических контактов к поликристаллическому кремнию....................................................133

3.3. Разработка самоостанавливающегося процесса формирования сили-цидных контактов на основе термообработки системы Т1-81 во влагосо-держащей среде...................................................................142

3.3.1 Формирование проводящей двуокиси титана...............................144

3.3.2. Механизм проводимости двуокиси титана..................................147

3.3.3. Исследование кинетики окисления титана во влагосодержащей среде.....................................................................................151

3.3.4. Расчет параметров кинетического уравнения самоостанавливающегося процесса.............................................................................155

3.3.5. Исследование электрических параметров контактов Ti02.x-TiSi2/n+(p+) -Si.....................................................................................162

3.3.6. Исследование перераспределения примесей при твердофазном си-лицидообразовании в системе Ti-Si..........................................164

3.4. Выводы..............................................................................172

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ОСНОВНЫМИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ КОНТАКТОВ ШОТКИ К КРЕМНИЮ..................174

4.1. Методики исследования электрофизических параметров контактов

Шотки...............................................................................175

4.1.1. Фотоэлектрический метод определения скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в кремнии.................................175

4.1.2. Определение электрофизических параметров выпрямляющего контакта по его вольт-амперной характеристике..........................178

4.2. Исследование технологических особенностей подготовки поверхности кремния...............................................................180

4.3. Исследование зависимости высоты потенциального барьера контакта на основе силицида титана от технологических режимов процесса твердофазного силицидообразования.........................................186

4.4. Исследование технологии создания контактов Шотки с регулируемым значением высоты барьера на основе метода Шенона......................195

4.4.1. Физические особенности контактов Шотки к кремнию с мелкозале-гающим р-п-переходом.........................................................195

4.4.2. Развитие аналитической модели зависимости высоты от параметров промежуточного высоколегированного слоя...............................197

4.4.3. Исследование технологических особенностей формирования

мелких п+- и р+- слоев в кремнии методом атомов отдачи...............208

4.4.4. Исследование электрофизических характеристик контактов Ti/p+-n-Si

и Ti/n+-p-Si........................................................................209

4.5. Разработка конструктивно- технологического метода улучшения обратных В АХ диодов Шотки с расширенной металлизацией.........213

4.6. Выводы..............................................................................224

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОНТАКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОВОДЯЩЕГО ОКИСЛА ТИТАНА В КАЧЕСТВЕ СЛОЯ ДИФФУЗИОННОГО БАРЬЕРА В СИСТЕМАХ МЕТАЛЛИЗАЦИИ С АЛЮМИНИЕВЫМИ МЕЖСОЕДИНЕНИЯМИ................................................................................226

5.1. Исследование термостабильности В АХ контактов Шотки Al-Ti/Si и

Al-ТЮ2.х-Ti/Si..................................................................226

5.2. Исследование электрических характеристик контактов А1/ТЮ2-Х......234

5.3. Результаты сравнительного анализа параметров различных контактных систем металлизации в составе ИС.....................................236

5.4. Особенности технологии барьерного слоя ТЮ2.Х в МОП ИС с поликремниевыми затворами........................................................240

5.4.1. Исследование латерального роста силицида титана......................241

5.4.2. Разработка процесса локальной модификации проводимости слоев окисла титана.....................................................................242

5.4.3. Технологические особенности модифицированной технологии

"SALICIDE! 5.5. Выводы.....

248 .253

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ БАРЬЕРА В РЕАЛЬНЫХ КОНТАКТАХ МЕТАЛЛ - КОВАЛЕНТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК....................................................................................255

6.1. Влияние физических и конструктивно -технологических факторов

на высоту барьера контактов металл - ковалентный полупроводник255

6.1.1. Влияние конструктивных параметров на высоту барьера контактов металл - высокоомный полупроводник......................................255

6.1.2. Влияние физических и конструктивных параметров на высоту барьера контактов металл - низкоомный полупроводник...............276

6.2. Численное моделирование удельного переходного сопротивления омических контактов к кремнию.................................................278

6.3. Выводы.............................................................................282

7. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОРИГИНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИС НА ОСНОВЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК И ПРОВОДЯЩЕГО ОКИСЛА ТИТАНА. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ....................................................................................284

7.1. Разработка технологии биполярных транзисторов с металлическим коллектором на основе транзисторных структур со скрытым эмиттером..................................................................................284

7.1.1. Методика исследования параметров многослойных структур на основе формирования косого среза полупроводниковой подложки химическим ее травлением.....................................................................284

7.1.2. Разработка технологии транзисторных структур со скрытым эмиттером...................................................................................291

7.1.3. Анализ электрофизических параметров транзисторных структур с металлическим коллектором......................................................297

7.1.4. Многоярусные ЭСЛ - дешифраторы на основе транзисторов с металлическим коллектором.............................................................302

7.2. Оригинальные примеры применения диодов Шотки в элементах биполярных ИС....................................................................304

7.3. Разработка технологии проводящих кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов с использованием пленок тугоплавких соединений титана..................................................................307

7.3.1. Обоснование выбора материала проводящего покрытия кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов.......................................307

7.3.2. Особенности технологии проводящих покрытий кантилеверов на основе тугоплавких соединений титана............................................310

7.4. Чувствительный элемент микромеханических болометров на основе проводящего окисла титана.....................................................319

7.5. Выводы..............................................................................323

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...........

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................

.324 .330 357

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Основные направления развития современной микроэлектроники - увеличение степени интеграции и повышение быстродействия. Эти фундаментальные параметры в существенной степени зависят от размеров элементов полупроводниковых приборов и ИС. Для решения указанных проблем используют ряд технических идей: масштабированное уменьшение размеров элементов с помощью методов литографии, применение сухих процессов травления, совершенных методов изоляции активных элементов полупроводниковых устройств и т.п.

Однако, несмотря на значительный прогресс в большинстве областей технологии микроэлектроники, технология металлизации, в частности технология контактной металлизации (омических и контактов Шотки) в значительной степени сдерживает эффективное развитие современных полупроводниковых приборов и ИС. Вызвано это тем, что система металлизации является едва ли не единственной консервативной (с точки зрения уменьшения размеров) составляющей в "системе жизнеобеспечения" полупроводниковых приборов и ИС. С повышением степени интеграции металлизация занимает все большую площадь и начинает вносить значительный вклад в основные параметры схем: площадь кристалла, быстродействие, показатель качества, помехоустойчивость, надежность и др. В частности, если с уменьшением размеров быстродействие логических элементов ИС возрастает, то быстродействие межсоединений системы металлизации снижается из-за уменьшения поперечного сечения проводников межсоединений и соответствующего увеличения погонного сопротивления. В результате, начиная с некоторого уровня интеграции, задержки в межсоединениях могут превышать задержки сигналов в самих логических элементах. С уменьшением поперечного сечения проводников межсоединений появляется ряд и других проблем. Появляется проблема электромиграционной стойкости проводников, существенно

усложняются технологические приемы травления при создании рисунка проводников с воспроизводимыми размерами и др.

Качественно новые проблемы возникают и при создании контактной системы металлизации. Так, с уменьшением размеров существенно повышается переходное сопротивление омических контактов. При формировании контактов с субмикронными размерами с применением традиционных технологий оно составляет величину ~ 10-1000 Ом. Т.е. падением напряжения в таких контактах уже нельзя пренебрегать в сравнении с общим падением напряжения в микроструктурах. Контакты начинают вносить значительный вклад в быстродействие полупроводниковых устройств. Актуальными являются задачи формирования малопроникающих омических контактов к диффузионным областям в кремнии малой глубины, обеспечения их дальнейшей тепловой устойчивости и др.

Таким образом, наличие множества специфических проблем в технологии создания эффективных контактных систем металлизации современных полупроводниковых приборов и ИС обусловило интенсивные исследования в последнее время в данном направлении как у нас в стране, так и за рубежом.

Важность данного направления работы для развития отечественной микроэлектроники подтверждена включением его в Государственную Научно- техническую программу "Перспективные технологии и устройства микро- и наноэлектроники".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью работы было развитие физико- технологических основ создания в составе кремниевых полупроводниковых приборов и ИС с мелкозалегающими р-п- переходами омических контактов и контактов Шотки, характеризующихся повышенной тепловой устойчивостью, улучшенными основными электрофизическими параметрами и повышенной их воспроизводимостью.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

- развить физическое представление о барьерообразовании в реальных контактах металл - ковалентный полупроводник, позволяющее объяснить существующие экспериментальные сведения о зависимости высоты барьера контактов от конструктивно- технологических параметров;

- разработать приближенные аналитические модели омических и выпрямляющих контактов к кремнию, позволяющие удовлетворительно рассчитать основные параметры реальных контактов;

- исследовать закономерности влияния кислорода, содержащегося в среде отжига и в пленке металла на кинетику процесса твердофазного силици-дообразования в системе Ть81, и разработать способ силицидообразова-ния, отличающийся технологической простотой и характеризующийся повышенной воспроизводимостью толщины формируемого слоя дисилици-да титана (С54);

- исследовать эффект перераспределения примесей в кремнии в процессе силицидообразования и последующих термообработок и разработать технологическое решение, позволяющее минимизировать этот эффект;

- разработать технологический способ одновременного формирования самосовмещенных силицидных омических контактов и полицидных затворов МДП- транзисторных структур, позволяющий уменьшить латеральный рост силицида;

- провести комплексное исследование процесса выращивания пленок окисла кремния на поверхности силицида титана и установить закономерности влияния технологических факторов на электрическую прочность окисла;

- исследовать закономерности поведения электрофизических параметров (высота барьера, коэффициент неидеальности) от технологических условий формирования контактов Шотки к кремнию п- и р- типа на основе силицида титана;

-10- исследовать конструктивно - технологические особенности метода Ше-нона - как метода создания контактов Шотки с регулируемым в широких пределах значением высоты барьера на основе одного барьерообразующе-го металла;

- исследовать закономерности влияния зарядового состояния маскирующего окисла на параметры обратной ветви ВАХ планарных контактов Шотки с расширенной металлизацией и разработать конструкции и технологические приемы формирования контактов, отличающихся улучшенной обратной ветвью ВАХ;

- провести поиск материала слоя диффузионного барьера и разработать технологию формирования термостабильных силицидных контактов в системах металлизации с алюминиевой разводкой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующих результатах:

1. Впервые установлено, что на высоту барьера в реальных локальных контактах металл - ковалентный полупроводник в значительной степени влияют механические напряжения, встроенные в приповерхностную область полупроводника, величина и характер распределения которых вдоль контакта зависят от конструктивного оформления контакта и технологических условий его формирования.

2. Предложена физическая модель барьерообразования в реальных контактах металл -высоколегированный ковалентный полупроводник, учитывающая влияние на высоту барьера эффекта модуляции ширины запрещенной зоны полупроводника от уровня его легирования и механических напряжений, встроенных в приповерхностную область полупроводника, связанных с конструктивным оформлением контакта и параметрами легирующей полупроводник примеси. Введено представление о физически однородных и физически неоднородных контактах, основанное на выявленных особенностях распре�