автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы самоформирования в микроэлектронике

На правах рукописи Для служебного пользования Экз.№ ^

РГБ ОД

САУРОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ ОНТ 1939

МЕТОДЫ САМОФОРМИРОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

| 1. Ёхид.

/ ^ Москва - 1999

" Шг.

Работа выполнена в Московской Государственном институте электронной техники (Техническом университете) •

Официальные оппоненты: доктор фнтииуматемахическнх наук,

профессор, академик РАН Валнев К_А.

доктор технических наук

профессор Дьяков Ю.Н.

доктор технических наук,

профессор Королев МА.

Ведущая организация: ОАО «Ангстрем» (гЛелеяоград)

Чяппгта диссерташш состоится « 01 » июля 1999 года в/^- ^часов на заседании диссертационного совета Д 053.02.02 по присуждению ученых степеней в Московском государственном институте электронной техники по адресу: Москва, 103498, МГИЭТ.

С диссертацией шшш ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан ъ мая 1999 года

Ученый секретарь Диссертационного совета

Д.Т.Н., профессор < ВА.Волков

г

7 МЗ.№ Р. о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Решающим фактором в развитии сверхпроизводительных супер-ЭВМ перспективных поколений; новых мини-супер-ЭВМ, бортовых вычислительных устройств, сверхбыстродействующих опто-элекгронных телекоммуникационных систем, систем автоматики, работающих в реальном масштабе времени, а также микросистем, новейших микродатчиков и систем микромеханики являются новые конструктивно-технологические базисы. Так, например, современные мнкротехнологии для СБИС открывают путь для создания новых суперсистем следующего поколения с временем цикла обработки информации менее 500 пс.. Для создания базовых матричных кристаллов с временем задержки распространения сигнала 10-20 •пс/венталь и сверхбыстродействующих ДОЗУ необходимо использовать БиКМОП структуры с высоким уровнем самосовмещення и самоформирования.и вертикально шггегрированные структуры. Для получения таких результатов за рубежом в основном применяется дорогостоящее литографическое оборудование, рассчитанное, на 0,25 мкм и даже 0,1 мкм проектные нормы. Альтернативой этому служит комплексное применение методов самоформирования.

С начала 70-х годов в стране и за рубежом наметилась четкая тенденция по созданию и применению различных принципов, приемов, способов и методов точной локализации элементов, в том числе и элементов с субмикронными размерами. Особое развитие в последние годы получили методы самосовмещения (МСС) и методы самоформирования (МСФ). Большое разнообразие последних затрудняет выбор наиболее оптимальных методов при разработке конкретных типов интегральных микросхем. В связи с этим целесообразно в каждом конкретном случае рассматривать определенный комплекс МСС и МСФ.

В связи с необходимостью резкого повышения быстродействия интегральных микросхем, дальнейшего понижения их мощности потребления и увеличения степени интеграции на одном кристалле возникла необходимость в переходе сначала на мелкие, затем на тонкие и в последнее десятилетие на сверх-

тонкие и ультратонкие транзисторные структуры. В результате этого начали появляться более сложные МСС и МСФ.

Конструктивно-технологические особенности изготовления транзисторных структур с использованием различных МСС и МСФ представлены в обзоре и в работах ведущих отечественных специалистов Бубенникова А.Н., Гуляева Ю.В., Мельникова В.А., Самсонова Н.С.,' Луканова Н.М., Вернера В.Д., Валиева К.А., Федотова Я.А., Жильцова В.И. и Мартынова В.В.. Значительный вхлад в теоретическое понимание МСС и МСФ внеели Дорфман В.Д и Янушонис С.С. Большие успехи в практической реализации и внедрении МСС и МСФ были сделаны Дягилевым В.Н., Лукасевичем М.И., Шелетшым H.A., Матка Н.И., Любимовым Ю.С., Щербининым A.A., Чистяковым Ю.Д, Галушковым А.И., Путря М.Г. и многими другими специалистами ряда предприятий РФ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью диссертационной работы является разработка научных основ и конструктивно-технологических решений создания интегральных структур на основе МСС и МСФ.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- провести анализ различных типов конструктивно-технологического базиса создания интегральных структур с использованием МСС и МСФ в целях определения оптимального варианта применения МСС и МСФ для различных интегральных структур;

- разработать и классифицировать МСС и МСФ в целях комплексного применения этих методов для создания интегральных структур с уникальными параметрами;

- разработать и исследовать технологические процессы и конструктивные решения для практической реализации МСС и МСФ;

•• разработать н исследовать конструктивно-технологические решения для спадания интегральных структур и изделий на основе комплексного 1трнме-нения МСС 1. МСФ;

- разработать на основе МСС н МСФ технологические маршруты, изготовить и исследовать характеристики ряда интегральных структур. НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Проведен анализ различных -лотов конструктивно-технологического базиса создания интегральных структур с использованием МСС и МСФ. Показано, что о точки зрения создания сверхинтегрированных и сверхбыстродействующих структур, в том числе без использования субмнкронных проектных норм, наиболее эффективно применение МСС н МСФ.

2. Впервые разработана классификация МСФ применительно к технологии микроэлектроники.

3. Показана возможность нелнгографнческого создания сложных узлов интегральных структур на основе комплексного применения МСС и МСФ.

4. Показано, что в качестве конструктивных материалов для реализации МСС н МСФ используются слои различных диэлектрических и проводящих материалов, особенно поликремния. При этом основным технологическим процессом являем ся анизотропное и изотропное плазменное травление одних слоев селективно к другим,

5. Исследованы физнко-технелогические параметры различных реакторов высоко плотной плазмы, определены условия и оптимальные параметры плазменной. обработки интегральных структур, применительно к МСС и МСФ.

6. Разработаны плазменные технологии, позволяющие реализовывать основные МСФ.

7. Разработана н экспериментально подтверждена физико-математическая модель диффузии примеси в поликрешлш и из границе раздела полнкрешшй-кремннй.

8. Исследованы н установлены количественные и качественные зависимости концентрации легирующей примеси в полнкремшш от параметров поликреи-ниевой пленки.

9. На основе МСС и МСФ разработаны новые оригинальные интегральные стру-туры с субыикронными элементами, значительно меньшими, чем минимальный литографический размер.

10. Разработан конструктивно-технологический базис, обеспечивающий создание вертикально интегрированных структур.

11. Осуществлена сравнительная оценка физических параметров транзисторных структур с применением МСС и МСФ и без таковых. Показано, что при проектных нормах от 0,5 до 2 мкм быстродействие транзисторов с применением МСС и МСФ с односторонним профилем легирования активных областей в 1,52,5 раза выше.

12. Показано, что МСС и МСФ могут являться основой для комплексной реализации микросистем, включающих в себя различные типы интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов, полученных в диссертационной работе:

1. На основе применения МСС и МСФ разработаны конструкции сверхтггег-рированного биполярного транзистора, биполярного транзистора с торцевыми контактами, комплементарные биполярные структуры, КМОП-сгруктуры с регулируемой длиной канала субмикронных размеров, инжех-ционно-полевой структуры, БиКМОП транзисторной структуры, вертикально интегрированной ячейки ДОЗУ-

2. Разработаны конструкции ячеек памяти на основе вертикально интегрированных структур в кремнии, допускающих масштабирование для создания ДОЗУ уровня 4-64 Мбит.

3. Разработаны технологические маршруты реализации всех базовых МСФ,

4. Разработаны технологические маршруты реализации основных интегральных структур с применением МСС и МСФ.

5. В результате моделирования интегральных транзисторов с полицидными контактами с применением МСС и МСФ и проведенной оценки уменьшения диапазона работоспособности по току эмиттера, вследствие распреде-

ления потенциала вдоль контакта, установлена необходимость шунтирования эмитгерных полицндных контактов в зависимости от конструктивно-технологических особенностей транзистора и режима его работы. 6. Показана возможность реализации микросистемы на основе различных типов интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров в едином конструктивно-технологическом базисе и в едином технологическом цикле.

Практическая значимость работы подтверждена рядом актов об использовании результатов диссертационной работы.

Разработанные интегральные структуры с суперсамосовмещенными контактами использованы:

а) НИИ «Научный центр» - при разработке для авиакосмической радиоэлектронной аппаратуры специализированных микросхем: БИС «Мажоритарный элемент» (Н1877ВЖ1, Н1877ВЖ2), БИС «Логическая управляющая схема» (5503ХМ2-084), БИС «Контроля релейных модулей» (5503ХМ5-040), БИС «ДЦС» (5503ХМ5-044) для получения необходимых параметров по быстродействию конструкции;

б) ЦКБ «АЛМАЗ» - при разработке БИС управления частотой для изделия 59Р6, предназначенной для радиоэлектронной аппаратуры нового поколения;

в) В/Ч 35533 - при выполнении НИР по договорам «Разработка технологического процесса изготовления биполярных микромощных интегральных схем» (1995 г.) и «Разработка технологии и изготовление низкопорогового КМОП БМК 5501ХМ4» (1999 г.). Полученные научно-технические результаты использованы в разработках В/Ч 35533, что обеспечило снижение потребляемой мощности разрабатываемых БИС;

г) Разработанные конструкции и технология изготовления интегральных элементов микросхем и микросенсоров внедрены и реализованы в ГНЦ РФ Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ в рамках НИОКР «Лига-2», «Лига-11», что обеспечило возможность получения ряда КБиМОП интегральных

структур для сверхбыстродействующих СБИС, а также повышение качества интегральных микросенсоров;

д) Разработанные конструкции и тсхнологичесхие маршруты формирования интегральных элементов СБИС внедрены и реализованы в Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете)) а рамках НИОКР «Лозунг» при созданий вертикально-интегрированных ячеек ДОЗУ.

ПУБЛИКАЦИЯ И АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ.

По материалам диссертации было опубликовано 53 работы, включая 14 статей, 28 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 11 патентов и авторских свидетельств.

Результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях: 7-я отраслевая конференция "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС", г. Махачкала, 1990 г., 6 Республиканская научно-техническая конференция "Физические проблемы МДП-шггегральной электроники", г. Севастополь, 1990 г., Международная конференция и выставка "СЕН-СОР-ТЕХНО-93", Санкт-Петербург, 1993 г.. Российская конференция с участием зарубежных ученых "Мшсроэлектронкка-54", Звенигород, 1994г., Международный семинар по моделированию приборов и технологических процессов, г.Обнинск, 1994г., Всероссийская научно-техническая конференция, Москва, 1995г., 8-я научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1996 г, 9-я научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем змерения, контроля и управления", Гурзуф, 1997 г, Всероссийская научно-техшпсская конференция "Микро- и наноэлсктроника-98", Звенигород, 1999 г

На защиту выносятся следующие результаты диссертации:

1, Общий принцип разработки шггегралышх структур с субмикронлыми элементами, реализованными нелнгографнческими способами, которые заключаются в комплексном применении МСС у МСФ.

•

2. Разработанная классификация базовых МСФ.

3. Плазменные технолопш для реализации базовых МСФ.

4. Использование МСС и МСФ для улучшения параметров интегральных транзисторных структур.

5. Модель диффузии примеси в системе полщеремшш-на кремнии.

6. Результаты исследований по определению зависимостей распределения легирующей примеси в пленке поликремния от параметров пленки но-лшеремния.

7. Технологический маршрут изготовления сверхгагтс1рированной БиК-МОП транзисторной структуры.

8. Технологический маршрут вертикально интегрированных структур.

9. Конструктивно-технологический базис и принципы изготовления интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров для микросистем.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка'использованной литературы нз 245 наименований и 3 приложений. Содержание диссертации изложено на 323 страницах и включает 215 страниц текста, содержит 136 рисунков, 11 таблиц и 24 страницы приложений.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ современного состоят« в области разработки различных тшюв конструктивно-технологического базиса создмои интегральных структур с использованием МСС и МСФ. Сформулированы задачи днссертациопной работы.

Проведенный анаша состояния технологий микроэлектрошпен с использованием МСС и МСФ позволяет сделать следующие выводы: - В последние годы интенсивно велось усовершенствование известных МСС я МСФ для применения в биполярных н полевых интегральных транзисторных структурах на кремннн. Рекордное значение £ для таких интегральных транзисторных структур составило 50 ГГц при ^„=73 ГГц.

- В этой связи комплексное использование наиболее прогрессивных MCC и МСФ, освоенных на отечественном оборудовании, новых методах экстракции параметров трехмерных структур с учетом ряда специфических факторов, а также конкретно разработанных под определенные задачи программ моделирования, может дать большой эффект при проектировании и изготовлении различных изделий микроэлектроники.

- Широкое применение МСС и МСФ нашли при изготовлении трехмерных сверхшггегрировашшх элементов памяти для ДОЗУ сверхбольшой емкости.

- Наметилась тенденция использования МСС. и МСФ при изготовлении не только сверхбыстродействующих СБИС и СБИС ДОЗУ, но и специальных функциональных устройств мнкроэлопроникн, а гакзге трехмерных структур микромехяникн н микросенсорики.

- В последние годы в связи с резко возросшим интересом к структурам на основе МСС н МСФ появились работы по численному моделированию не только отдельных процессов создания интегральных транзисторных структур и их основных параметров, но и комплексных процессов самоформкровашш и самосовмещення трехмерных структур с субмккротшми размерами элементов.

- При использовании МСС и МСФ следует особо выделить метода! создания: областей боковой диэлектрической изоляции, "спейсерных" областей, самосовмещенной литографической маски, углубленных коллекторных областей, самосовмещенных электродных областей на основе полнхремкия и селективно осажденного W, узких пассивных областей базы и исток-стока, предельно узких эмиттерных областей, самоформируемой физической структуры путем одновременной диффузии бора и мышьяка га пленки поликремния.

- Особое внимание со стороны разработчиков и исследователей уделяется проблемам воспроизводимого получения ВАХ интегральных транзисторных структур на основе поликремния (или аморфного кремния) в составной системе MOHO-Si/Si(Vnon>i-Si.

Для достижения поставленной цели диссертации и в связи с изложенными выводами можно сформулировать следующие задачи работы:

1. Разработать классификацию основных МСФ.

2. На основе полученпой классификации разработать конструктивно-технологический базис реализации основных МСФ.

3. В рамках выбритого копструкттшо-технологнческого базиса разработать комплекс конструкпгано-технологических решений создания сверхинтегрн-рованных, сверхбыстродействующих интегральных транзисторных структур н микросхем на их основе. Для этого необходимо:

- разработать специальные методы плазменного травления;

- разработать модель и экспериментально исследовать диффузию примеси в системе кремний-пошпсремний;

- разработать конструкции и. технологии сверхиитегрированных БиКМОП интегральных транзисторных структур на основе МСФ и МСС;

- разработать и исследовать конструктавно-технолопиеский базис изготовления вертакально-интегрироватшой ячейки ДОЗУ;

- исследовать влияние техпологнческнх режимов ira параметры самосовмещенных биполярных транзисторов;

- исследовать особенности параметров сверхиитегрированных биполярных транзисторов, созданных с применением и без применения МСФ и МСС;

» исследовать возможности создания микросистем на основе МСФ и МСС.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ предложена классификация базовых МСС и МСФ с целью комплексного применения этих методов для создания интегральных структур с уникальными параметрами. Разработаны и исследованы конструктивные решения и технологические процессы доя практической реализации МСС и МСФ.

Изготовление микроэлектропных структур на основе метода самоформн-рования позволяет получить качественно новые результаты. При использовании данного метода размер областей формируемой структуры определяется толщиной, физико-химическими свойствами технолошческих слоев и лежит в суб-

микронной области. Так, минимальный размер формируемой структуры, определяемый разрешающей способностью процесса, для фотолитографии составляет десятые, для электронолнтографии и самоформировання- сотые доли микрона. При этом использование методов самоформировання в технологическом цикле изготовления микроструктур позволяет достичь величины абсолютной погрешности процесса порядка тысячных долей микрона.

Характерные преимущества и недостатки методов фотолитографии, электронолнтографии и самоформировання заключаются в следующем:

- формирование структур методом фотолитографии неустойчиво к случайным возмущениям, поэтому к точности процесса предъявляются высокие требования. Однако, имея предел разрешения десятые доли микрона, данный метод дает возможность проведения группового процесса и не накладывает ограничений на конфигурацию формируемых элементов интегральной структуры;

- метод элекгронолитэдрафии позволяет создавать структуры субмикронных размеров с любой конфигурацией контуров, но создание больших структур ограничивается малой производительностью, так как процесс пе групповой. Кроме того, требуется сложное, рассчитанное на субмихроиную точность оборудование;

- метод самоформировання является групповым. Он не требует субмнк-ронной точности литографического оборудования. Однако, наряду с методами фотолитографии и злектронолито графин, сн предъявляет повышенные требования к равномерности толщин и стабильности физико-химических параметров слоев, используемых для создания микроструктур. В настоящее время этот метод пока не универсален н с его помощью возможно получение структур лишь с определенной конфигурацией. По производительности и экономичности данный метод превосходит злектронолитографию, а по разрешающей способности и воспроизводимости- фотолитографию. Его использование позволяет наиболее просто реализовать элементы интегральных структур с субмнкроннымн размерами, особенно в вертикально-интегрированном, трехмерном исполнении.

Применение метода самоформирования в ряде известных конструкции биполярных транзисторных структур (ряд структур типа ЗБТ, БАРТ, Б1С05 и др.) позволило уменьшить расстояние между контактами к эмиттеру и базе с величины литографического размера до толщины слоя диэлектрика (менее 0,2 ыкм). В результате чего достигнуто уменьшение активной площади структуры, паразит!¡ых емкостей и сопротивлений, что, в свою очередь, позволило повы-С1пъ быстродействие (время задержки сигнала на 1 ЭСЛ) вентиль до 13 пс, граничную частоту (более 50 ГГц) и степень интеграции схем.

Как правило, в структурной схеме технологического маршрута изготовления высокоинтегрированных самосовмещенных структур можно выделить как отдельные, повторяющиеся конструктивно-технологические приемы метода са-моформнровання, так и их комбинации.

Наиболее широко известным конструктивным элементом, используемым в методах самоформнрования, является, так называемый «спейсер». В зависимости от конструкции шпегрального элемента «спейсер» может иметь различное назначите, а имение: боковой диэлектрической изоляции проводников, элемента разделения (разнесения) диффузионных областей различного типа проводимости, электрода затвора, торцевого вертикального контакт-источника принеси для формировшпи самосовмещенных диффузионных областей. В качестве материала «спенсера» широко используются слои оксида кремния, поликристаллического кремния, нитрида кремния и др.

На рис.1 представлен один из способов создания «спейсера» на основе метода самоформирования.

Рис.1. Формирование "спейсера"

а) создание опорного б) конформное©саяукн^ в) создание "спенсера" элемента слоя,

В некоторых конструкциях транзисторных структур «спейсер» выполняет комбинированную роль, а именно: выполняя функцию боковой диэлектрической изоляции, он одновременно служит для разделения диффузионных областей либо различного типа проводимости, либо разного уровня легирования. Так, в биполярных самосовмещенных транзисторных структурах «спейсер» разделяет область эмиттера п* типа проводимости и область контактов к высоколегированной пассивной базе р^ типа проводимости (Рис.2). Рис.2. Суперсамосовмещенный биполярный п-р-п транзистор

В конструкциях МОП структур со слаболегированными областями стоков и истоков «спейсер» определяет длину слаболегированной области, которая обычно составляет 0,15-0,25 мкм и отделяет силыюлегированные области стока и истока от области канала МОП транзистора. Это позволяет уменьшить эффект короткоканальности в МОП транзисторах с субмикронными длинами канала (Рис.3).

Рис.3. Самосовмещенный быстродействующий МОП транзистор

со слаболегированными областями стока и истока

вышенные требования к параметрам отдельных технологических процессов. Так,

например, требуется высокая равномерность и конформность облегания рельефа осаждаемых слоев, служащих материалом для создания «спейсера». Кроме этого, предъявляются повышенные требования к селективности и анизотропии плазменных процессов, используемых для травления этих слоев.

Вторым методом самоформирования является метод локального замещения слоя.

При практической реализации этого приема, после создания капилляра заданной длины с помощью высокоселективного травления «жертвенного» слоя, проводится конформное осаждение формообразующего слоя с последующим селективным его удалением со всех поверхностей структуры, за исключением капилляра (Рис.4).

Рис.4 Локальное замещение слоя

а) создание опорного слоя 2 легированного примесью и жертвенного слоя 1;

4

б) создание капилляра 3;

5

(л!7.......

в) осаждение формообразующего слоя 4; г) создание торцевого контакта 5

Данный конструктивно-технологический прием, наряду с формированием «спейсера», используется для создания торцевых контактов субмикронных размеров и самосовмещенных с ними диффузионных областей транзисторных структур, а также в технологическом цикле создания элементов вертикально-интегрированных структур (Рис.2).

Третьим методом самоформирования является метод модификации границ элементов.

Метод модификации границ отдельных элементов микроструктур предусматривает локальное изменение границ функционального ело* посредством избирательной обработки (травление, окисление) этого слоя относительно других вспомогательных слоев. Данный метод позволяет реализовать элементы с размерами меньшими минимального литографического, включающие в себя самосовмещенные функциональные области субмикроиных размеров.

Например, при создании КМОП структур для СБИС модификация границ поликремниевого электрода затвора позволяет одновременно с уменьшением длины канала МОП транзисторов реализовать самосовмещенные относительно краев затвора локальные низколегированные области стока, истока субмикронных размеров (Рис.5).

Использование конструктивно-технологического приема метода самоформирования, основанного на модификации границ электрода затвора, посолило при 2 мкм проектных нормах реализовать МОП транзистор С эффективной длиной канала менее 1 мкм.

Сие.5. Модификация границ поликремниевого электрода затвора

АБ

а) формирование электрода кодификации границ ■) создание самосовмещешшх

шшора I; электрода затвора 1; п -Нп* областей стока, истока

Четвертым методом самоформирования является метод модификации области структуры. Данный прием метода самоформированич позволяет косвенным способом реализовать отдельные субмикронные самосовмещенные области структуры с заданными свойствами.

Так, например, на основе данного приема отдельные изолирующие области субмнкронных размеров в полнкремнневой разводке могут быть выполнены в последовательности, отраженной на рис. 6:

Рис.6. Модификация областей при создании высокоплотной ноли-кремниевой разводки.

а) создание опорного контура 2 б) создание "спенсера" 3; в) удаление опорного контл рз 2; на исходном слое I

г) избирательная модификация поверхности исходного ело» поликремния 1;

д) удаление "спейсера"

е) создание изолирующих областей 5 в слое поликремния 1;

При этом характерные размеры получаемых изолирующих областей в поликремниевой разводке могут составлять 0,2-0,4 мкм и в основном определяются толщиной слоя, используемого для создания «спейсера», а также точностью локализации модифицированной поверхности относительно «спейсера».

Следует отметить, что современные конструкции и технологии изготовления высокоинтегрированных схем основываются на органичном использовании как отдельных конструктивно-технологических приемов метода самоформирования, так и их комбинаций, что позволяет при сохранении группового способа обработки микроэлектронньк изделий создавать элементы интегральных структур с размерами меньшими, чем минимальный литографический размер, при одновременном достижении полного самосовмещения субмикронных областей интегральных планарных, вертикально-интегрированных и трехмерных структур.

Очень большое разнообразие различных вариантов реализации приемов, способов и принципов точной локализации элементов, самосовмешения и само-

формирования делает задачу оптимизации конкретной конструкции, топологии и физической структуры интегрального транзистора далеко не однозначной. В связи с этим был проведен графический анализ основных конструктивно-технологических приемов и рассмотрена описательна модель метода самоформирования.

С точки зрения графического представления метод самоформирования основан на комплексном использовании приемов самосовмещення и самотрансформации. Под приемом самосовмещения подразумевается перенос границ из одного слоя материала на связанный с ним другой слой при помощи выбранного технологического процесса, причем количество структур, получаемых на базе одной исходной структуры, равно количеству применяемых слоев.

Процесс самосовмещения можно изобразить в виде графической причинно-следственной схемы формирования (ГПССФ) интегральной структуры, которая представляет собой точки в системе координат, обозначающие границы структуры, связанные линиями, обозначающими причинно-следственные связи возникновения границ.

Прием самосовмещения характеризуется точным воспроизведением изображения при его переносе из одного слоя в другой слой. Однако из-за двумер-ностн реальных процессов, применяемых для осуществления данного приема, при переносе изображения появляются изменения, которые носят либо паразитный, либо конструктивный характер. Это приводит к тому, что конфигурация структуры, заданная в одном слое, в процессе переноса на другой слой самотрансформируется. Тем самым под приемом самотрансформации понимается перенос границ из одного слоя в другой слой, который позволяет на базе одной исходной структуры получать количество структур (существующих неодновременно), равное количеству применяемых технологических процессоа

Метод самоформироваиия по своей сути основан на комплексном применении приемов самосовмещения и самогрансформации и является дальнейшим развитием Планерной технологии, позволяющей свести до минимума или полностью исключить литографические процессы при создании ряда областей и эле-

ментов интегральных структур.

Следует отметить, что анализ ГПССФ различных интегральных структу р позволяет делать оценку полноты использования метода самоформировання, учесть влияние месторасположения и точности локализации границ отдельных элементов на конечную конструкцию структуры, проследить причинно-следственную взаимосвязь формирования различных областей, а также выделить повторяющиеся, однотипные конструктивно-технологические приемы, используемые в технологическом цикле изготовления той или иной структуры.

Предельные размеры областей интегральных структур, воспроизводимо получаемых на основе приемов и методов самоформирования, ограничиваются в основном предельными значениями толщин формообразующих, функциональных слоев н погрешностями процессов термического окисления, осаждения и травления этих слоев и находятся в диапазоне 10-20 нм.

При создании субмикронных элементов интегральных структур с однократным использованием в технологическом процессе метода самоформирования максимальное значение относительной погрешности размера не должно превышать ±10%, а при многократном, последовательном, взаимосвязашюм использовании метода самоформирования для создания элементов вертикально-интегрированных, трехмерных структур значения относительной погрешности размера должны быть существенно меньше.

Ш

н - Н+ . ДК ' (!)

' . V

где А -коэффициент анизотропии; ДЬ- абсолютная погрешность размера Ь; ДН/Н -относительные погрешности толщины; ДУ/У - относительная погрешность скорости травления по площади пластины.

Таким образом, практическое применение метода самоформировання для создания субмикронных элементов интегральных структур выдвигает дополнительные требования к используемым материалам и технологическим процессам в микроэлектронике, так как погрешность геометрии получаемых структур су-

шествснно зависит от погрешности воспроизводимости толщин формируемых слоев, воспроизводимости скоростей травления, окисления, осаждения и т.д. Использование прецизионных процессов плазменного травления с высокими коэффициентами анизотропии позволяет существенно уменьшить погрешность размеров и повысить воспроизводимость получения отдельных элементов интегральных структур с субмикронными размерами.

Далее в главе деляется вывод, что применение перечисленных приемов и методов самоформнрования позволяет наиболее эффективно создавать элементы интегральных структур субмикронного диапазона с размерами меньшими, чем минимальный литографический размер. Использование метода самоформирования в сочетании с вертикальной интеграцией позволяет существенно уменьшить площадь микроэлектронных транзисторных структур, снизить значения паразитных емкостей и сопротивления межсоединений, сократить количество критичных литогафических процессов в технологическом цикле изготовления ИС, и, в итоге, повысить степень шгтеграции, быстродействие, коэффициент выхода годных интегральных схем, при этом сохранив групповой способ обработки ИС, В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследованы физико-технологические параметры реакторов высокоплотной плазмы. Разработаны плазмешше технологии, позволяющие реализовать базовые МСФ.

Традиционно качество процессов травления оценивается по следующей совокупности параметров: скорость травления, селективность, однородность, возможность управления профилем травления, появление на поверхности устройств продуктов плазменных реакций и возможность их удаления, радиационные повреждения устройств, наличие лослепроцессной коррозии, привносимая дефектность, наличие эффекта загрузки.

Анализ, проведенный в главе 2, показал, что особое значение при производстве микроструктур СБИС с использованием методов самосовмещения и самоформнрования имеет комплексное выполнение ряда требований к качеству пламенных технологий, позволяющих получать размеры элементов СБИС ме-

нее 0.5 мкм, имея в наличии фотолитографические процессы, реализующие топологические нормы свыше 1 мкм.

Основные результаты данной части работы были получены с применением серии новых источников высокоплотной плазмы. В частности, это магне-тронный источник (МИ), источник индукционного (ИИ) липа и источник транс-форматорно - связанной плазмы ( ГСП).

В случае применения магнетронного источника были получены результаты, сведенные в табл.1.

Таблица 1.

Влияние плазменной обработки на электрофизические характеристики диэлектрика после проведения операции травления поликремниевых затворов.

Характеристики Тип оборудования и вид обработки

ПХО-1ОСТ-005 пхо-100т-008 МРИТ ЖХТ

Максимальная глубина области положительного заряда, мкм 0,768 0.734 0,754 0,711

Напряжение плоских зон, В -0,322 -0,289 -0,258 -0,368

Емкость плоских зон, пФ 3,953 4,572 5,640 4,258

Пороговое напряжение, В -1.126 -1,063 -0,96 -1,186

Плотность эффективного заряда, 10псм': 6.273 7.688 1,228 6.957

Анализ данных, приведенных в таблице 1 (в частности, на основании сравнения величин напряжений плоских зон и величины эффективного заряда в окисле), позволяет сделать вывод о незначительной величине привносимых в

поверхность радиационных нарушений и дефектов, появляющихся после травления Бг. Они меньше чем на образцах, полученных жидкостным травлением. Полученные данные подтверждают вывод о том, что снижение величины объемного заряда в диэлектрике при травлении происходит за счет уменьшения количества радиационных повреждений и более качественной очистки обрабатываемой поверхности.

При исследовании характеристик реактора индукционного типа было проведено изучение влияния различных процессных параметров на скорость, селек-1ивнос1ь н однородность изотропного травления окисла кремния. Эксперименты' проводились с принудительным нагревом подложки до температуры 85 ° С при давлении 133 Па в среде (5^ + Ог)- Выбор температуры, давления и газовой смеси обусловлен необходимостью получить изотропный профиль травления окисла кремния. Так предварительные эксперименты показали, что при темпера-|урс подложки ниже 80 0 С и давлении ниже 100 Па получешк изотропного профиля травления окисла, при одновременном сохранении размеров исходной фоюрсзнстивной маски, практически трудно достижимо. Требование сохранения исходных размеров фоторезистивной маски является обязательным, поскольку при проведении в дальнейшем анизотропной стадии травления критичным является размер нижней части формируемого контактного окна. Таким образом, на данном этапе необходимо было достичь максимальной скорости травления окисла кремния при обеспечении высокой селективности процесса по отношению к фоторезисту.

Параметры реактора трансформаторно-связаннои плазмы позволяют достичь приемлемых, с точки зрения производительности поштучной обработки пластин, скоростей травления. В частности, при травлении слоев окисла кремния становятся реальными скорости порядка 1 мкм/мин. Обработка проводилась при давлении 5 Па в среде СР4. (Рис. 7).

Однородность травления при этом по диаметру пластин диаметром 100 мм была на уровне 97%.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод, что разработанные конструкции плазменных реакторов позволили получить результаты, принципиально не достижимые ранее при использовании классических технологий плазменного травления. В частности, удалось решить проблему одновременного достижения высоких значений анизотропии и селективности травления при одновременно шоком энергетическом воздействии на обрабатываемую поверхность и высокой однородности, и скорости обработки.

Рис.7. Зависимость скорости травления окисла кремния от напряжения смеще-

Р-700 Вт

-Ц см.,В

ния на подложке при травлении в разряде фреона - 14 при давлении 5 Па.

Комплексная реализация приемов МСФ с применением новых плазменных технологий позволила получить:

- субмикронную щелевую структуру, фотография которой приведена на рис. 8;

- «спейсер» - содержащую структуру, представленную на рис. 9;

- пристеночные капилляры для вертикально интегрированных ячеек ДОЗУ. (Со-

ответствующие фотографии приведены на рис. 10);

- плазменную модификацию границы слоя для МСФ, для затворов субмнкроннон

длины. (Соответствующая микрофотография приведена на рис. 11).

Далее в главе делается вывод о пригодности разработанных плазменных технологий для реализации интегральных структур на основе МСФ.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследован основной конструктивный материал, применяемый в МСС и МСФ, - поликремний. Разработана и экспериментально подтверждена физико-математическая модель диффузии примеси в поликремнии и на границе раздела поликремний-кремний. Исследованы и установлены количественные и качественные зависимости концентрации легирующей примеси в поликремнии от параметров поликремниевой пленки.

Следует отметить, что для формирования интегральных транзисторных структур применяются МСС и МСФ, которые дают возможность использования различных материалов в качестве слоев для формирования интегральной структуры. Как было показано в главах 1 и 2, именно поликремннй является наиболее удобным конструктивным материалом для создания сверхбыстродействующих интегральных транзисторных структур, особенно на основе применения МСС и МСФ.

Поликремниевые пленки в технологиях на основе МСС и МСФ нашли многообразные применения. Так например, эффективно использовать слой в качестве источника легирующей примеси для формирования активных областей транзисторных структур. При этом примесные атомы внедряются путем ионной имплантации с последующим отжигом, что позволяет создавать сильнолегированные слои с малой степенью дефектности и малой глубшюй залегания р-п переходов.

Рис. 8. Щелевые структуры Рис$ Фото нитридного спейсера

Рис.$?Формирование пристеночного капилляра.

Так, в рамках задач, решаемых при исследованиях, результаты которых излагаются в данной диссертационной работе, были разработаны технологии и конструкционные варианты для создания интегральных транзисторных структур, базирующиеся на МСС и МСФ и включающие использование поликремниевых слоев.

Использование пленок 51* в качестве контакта к эмиттеру позволило не только получать воспроизводимые мелкозалегающие переходы эмиттер-база, но и более высокие коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмиттером по сравнению с традиционными биполярными транзисторными структурами. При этом выявилось, что параметры транзисторов с поликремниевым эмиттером

сильно зависят от свойств самих пленок Si*, от свойств границ раздела "поликремшй-кремний" и наличия тонкого "псевдоокнсного" слоя SiOx в структуре.

Вариации параметров зависят от характера процессов распределения легирующих примесей, что прямо определяется диффузионными процессами, воз-никающимим ш стадиях температурных обработок. Таким образом, наличие слоя поликремния обуславливает возникновение ряда проблем, связанных с особенностью термической диффузии и перераспределением примесных атомов на границах раздела слоевой структуры.

Основной причиной аномальной диффузии и перераспределения примеси являются сложная структура поликремния и наличие областей с повышенной концентрацией стоков для диффундирующих атомов из-за формирования ква-зиокисного слоя на границе раздела Si-Si*. Его наличие изменяет распределение напряжений, приводит к реорганизации структурных связей и даже к генерации собственных междоузельных атомов кремния у границы раздела.

В процессе отжига характер объемной диффузии примеси меняется, так как размер зерен увеличивается и происходит их "упорядочение", то есть выстраивание в "колонны", идущие от подложки к поверхности поликристаллического слоя. Диффузия при этом идет как через объем зерен, так и по границам зерен. В последнем случае коэффициент диффузии примеси значительно больше объемного, т.е. диффузия носит двухпотоковый характер с сильно различающимися скоростями.

Для определения основных особенностей перераспределения примеси с целью последующего моделирования были проведены эксперименты, базирую-, щиеся на методике вторичной ионной масс-спектрометрии. В этой части результаты, изложенные в главе 4, сводятся к следующему:

1. Предварительно внедренный в подложку бор активно проникает в пленку Si* во время нагрева структуры Si*-Si, проводимого для диффузионной разгонки ионов мышьяка (Рис. 12).

2. Характер и скорость диффузии атомов мышьяка практически не зависит от концентрации атомов бора. Профили распределения атомов бора с концентрацией, различающейся более чем в три раза, идентичны. (Рис. 13).

3. Прошжновегаи атомов бора из подложки в пленку во время диффузионной разгонки атомов мышьяка сопровождается накоплегакм бора вблизи границы раздела, тогда как при одновременной диффузии бора и мышьяка такого накопления заметить не удается.

4. Во всех случаях диффузия атомов мышьяка приводит к накоплению их на границе раздела, однако, в случае встречной диффузии (проникновение атомов бора из подложки) эффект накоплеши проявлялся сильнее.

Рис. 12. Профили распределения при- . Рис. 13. Профили распределения примести атомов в структуре БГ-Б!, месных атомов в структуре образец 40-301-3-1 (ВИМС измеретм). образец 40-142-8-1 (ВИМС измерения).

Из анализа полученных результатов следует:

- Диффузия атомов мышьяка в поликристаллическом кремнии определяется

только структурой поликристалла, меняющейся в ходе диффузионного отжига и не зависит от примесного состава пленки.

- Диффузия атомов As в Si* приводит к накоплению этих атомов на границе

раздела Si-Si*. Однако, характер накопления зависит от присутствия посторонней примеси.

- При конструировании приборных структур необходимо иметь в виду, что атомы бора активно проникают в пленку Si*, накапливаясь при этом в области границы раздела Si-Si*. Анализ особенностей диффузии примеси в структуре «поликремний -на-крсмнин» обусловил необходимость моделирования диффузии с учетом основных особенностей процессов переноса в системе Si-Si

При моделировании обобщены физические процессы, протекающие в поликремнии во время отжига, которые можно представить следующим образом:

1) Диффузия примеси внутри зерен Si* ("медленная диффузия") с эффективным коэффициентом диффузии Dg. Диффузия примеси по границам зерен Si* ("быстрая" диффузия) с эффективным коэффициентом диффузии Db {Db'Dg ~ 102 4- 103).

2) Сегрегация атомов примеси на границах зерен.

При сегрегации атомы примеси химически связываются с оборванными связями на границах зерна и становятся электрически нейтральными, не давая, например, вклад в проводимость. Обычно явление сегрегации важно для таких примесей, как As, Р, и совсем незначительно для В.

3) Рост зерен поликремния во время отжига. Известно, что темп роста зерна зависит от концентрации примеси. Здесь возможны два противоположно действующих механизма. Во-первых, увеличение концентрации примеси приводит к увеличению числа вакансий, что в конечном результате приводит к увеличению темпа роста зерна. Во-вторых, рост зерна может задерживаться за счет сегрегации примеси на границах зерна и образования кластеров. Примесь, которая подвержена сильной сегрегации, оказывает большее влияние на рост зерен, чем примесь со слабой сегрегацией. Так, As, Р оказывают сильное влияние на рост зерен, а вот В практически не влияет на рост зерна.

4) Образование комплексов примеси в областях "нарушенного" поликремниевого слоя. Исследование структуры Si*/Si границы показывает, что в области ква-зиокисного слоя SiOx на границе Si*/Si существует аморфный слой Si, который, как известно, является прекрасным стоком для атомов примеси и служит базой

для образования комплексов в этой области. Кроме того, вблизи свободной поверхности (* = 0) в области окисного слоя SÍO2 при ионной имплантации примеси также возникает "нарушенный" слой Si*.

При моделировании обсуждается роль стоков при перераспределении примеси. При этом одним из новых моментов представленной модели является учет образования комплексов примеси в областях "нарушенных" слоев вблизи поверхностей х - 0, х = А. Интенсивность стоков (Gccmpi,x) была выбрана в виде: а(х)С, „ п\

где С„ Ср - концентрации активной части примеси, не связанной в комплексе, и пассивной, связанной в комплексе и, следовательно, не участвующей в процессе диффузии. Коэффициент интенсивности стока а(х) имеет зависимость от координаты х, соответствующую зависимости распределения концентрации кислорода О ( СоОО). те- °(х) ~Со(х)■ Параметры Д у определяются'или из экспериментальных данных.

Влияние предложенного механизма образования комплексов в "нарушенных" слоях поликремния на процессы диффузии имплантированной примеси в Si* при отжиге выявлялось путем численного моделирования.

Суммируя вышеизложенное, можно выделить следующее основные моменты, связанные с описанием процессов диффузии в системе "поликремнии-на-кремний":

1. Для расчета диффузии примеси в поликремнии необходимо решать систему диффузионных уравнений для концентрации примеси в зернах и концентрации примеси на границе зерен.

2. В предлагаемом подходе считается, что возникающие при отжиге пики распределения концентрации примеси на поверхности пленки Si' и на границе раздела Si'- Si вблизи окисного слоя SiO¡, связаны с появлением стоков (ловушек) для атомов примеси.

3. На следующем этапе делалось предположение, что концентрацию примеси можно "разбить" на две компоненты: подвижную с концентрацией С„ которая принимает участие в диффузии, н неподвижную с концентрацией Ср, которая захватывается ловушками.

4. В модели учитывается кластеризация. Для этой цели активная компонента примеси С, разбивается на две составляющие: С^ - компонента, которая действительно принимает участие в диффузии, и С^ - компонента, попадающая в кластер и выпадающая из процесса диффузии.

Основанный на экспериментальных данных, выбор соответствующих параметров образования комплексов позволил получить распределения концентраций имплантированного Аз, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Один из результатов расчета представлен на рис. 14. Рис. 14. Эволюция распределения мышьяка в поликремниевой пленке: кривая 1 -имплантированный А$ до отжига; остальные кривые - отжиг соответственно, по времени I = 1; 5; 10; 20 мин.

1.0Е+22 -щ

0.0 0.2 0.4

Глубина (мкм)

Далее в главе делаются выводы, что поликристаллический кремний является материалом конструктивно и материаловедчески пригодным и полезным дня

реализации МСС и МСФ в технологии микроэлектроники. Диффузия легирующей примеси приводит к ее накоплению на границе раздела Si-Si*.

При моделированию! процессов в структуре "поликремний-на-кремнни" эффекта квазихимических реакций на границах раздела, а также двухпотоковый характер диффузии примеси играют определяющую роль в результирующем ее распределении,-что н определяет электрофизические параметры структур, полученных МСС И МСФ с использованием поликремниевых слоев.

Указанные особенности поведения примесей в поликремнии необходимо учитывать при разработке конструктивно-технологического базиса сверхинтег-рированных транзисторных структур на основе МСС и МСФ. В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты разработки и экспериментального исследования конструктивно-технологического базиса сверхингегрированных транзисторных структур на основе МСФ и МСС.

Показано, что использование конструктивно-технологического приема МСФ, основанного на создании "спейсера", в разработанных конструкциях и технологических маршрутах формирования высокоинтегрированных БиКМОП транзисторных структур для СБИС, позволило реализовать боковую диэлектрическую изоляцию субмикронных размеров для поликремниевых затворов МОП структур и поликремниевых контактов к областям эмиттера и базы биполярного транзистора. При этом, одновременно удалось снизить расстояние не только между эмиттерным и базовым контактами, но и между базовым и коллекторным контактами биполярного транзистора, а также между электродом затвора и контактами к стокам, истокам МОП транзисторов с минимального литографического (1,2-1,5 мкм) до толщины изолирующего диэлектрика (0,15-0,2 мкм) (Рис. 15).

Практическая реализация конструктивно-технологического решения создания самосовмещенного заглубленного коллектора биполярного транзистора позволила уменьшить паразитную емкость боковой части р-n перехода база-коллектор и на 20% снизить площадь и соответственно емкость донной части р-п перехода коллектор-подложка, а также уменьшить сопротивление коллектора за счет возможности формирования заглубленного самосовмещенного коллек-

торного контакта непосредственно к скрытому коллекторному слою, по сравнению с традиционными транзисторными структурами при сопоставимых минимальных нормах проектирования.

Рис.15. Сверхшггегрированная БиКМОП транзисторная структура с торцевыми поликремниевыми контактами к областям.

п-р-п биполярный транзистор

5 7

р-МОП

п-МОП

1- «спенсер» на основе диэлектрического слоя; 2 - торцевой поликремниевый контакт к области р+ - типа р-МОП транзистора; 3 - торцевой поликремниевый контакт к области п+ - типа п-МОП транзистора; 4 - торцевой поликремниевый контакт к области пассивной базы п-р-п биполярного транзистора; 5 -самосовмещенный поликремниевый контакт к эмиттеру; 6 - п*-область эмиттера; 7 - самосовмещенный заглубленный контакт к коллектору.

Использование процесса диффузии примеси из поликремния при создании самосовмещенных контактов к активным областям, позволило получить мелко-залегающие р-п переходил (0,05-0,1 мкм), а следовательно, существенно снизить паразитные емкости перекрытия за счет уменьшения боковой диффузии примеси и реализовать тонкослойные интегральные транзисторные структуры.

В разработанной конструкции сверхинтегрнрованной БиКМОП транзисторной структуры с торцевыми субмикронными (0,2-0,3 мкм) поликремниевыми контактами к областям достигается существенное уменьшение площади и паразитных емкостей р-п переходов. Так, при 1,5 мкм проектных нормах площадь активной структуры МОП транзистора составляет не более 4,5 мкмг. Данный конструктив позволил уменьшить площадь активных областей МОП трап-

зистора на 60%, паразитные емкости - в полтора раза по сравнешпо с традиционной МОП структурой, выполненной по тем же проектным нормам. Создание торцевых поликремниевых контактов к базе биполярного транзистора позволило существенно уменьшить площадь р* базового контакта и, соответственно, сни-з:гп> общую емкость р-п перехода база-коллектор.

Рассмотрены результаты исследований влияния различных типов обработки поверхности крешшя перед осаждением слоя полнкремння на профили распределения примеси в области эмиттера и коэффициент усиления самосовмещенных биполярных транзисторов. Установлено, что для уменьшения отрицательного влияния квазиокисного слоя, расположешгого на границе раздела поликремннй-хремний, на электрофизические параметры транзисторов предпочтительно использовать обработку в растворе НР:Н2О=1:50 в течение одной штуты непосредственно перед осаждением слоев полнкремння при консерва-цш! пластин в атмосфере N5.

В данной главе представлен разработанный на основе МСФ конструктивно-технологический базис создашм верпшшьно-шггегрированных структур для ДОЗУ сверхвысокой степени интеграции. При использовании 1,5 микронных проектных норм и точности совмещения 0,3 мкм, была реализована ячейка памяти ДОЗУ с площадью не более 24 мкм2 (Рис. 16), что было достигнуто только благодаря вертикальной интеграция элементов и использованию МСФ.

Разработанный конструктивно-технологический базис обеспечивает создание ячеек памяти на основе вертикально-интегрированных структур в кремнии и допускает их масштабирование для создания ДОЗУ уровня 4-16 Мбит.

Далее в главе делается вывод, что комплексное применение конструктивно-технологических приемов метода самоформнроваиия для создания элементов интегральных микросистем позволяет получать самосовмещенные тонкие мембраны для миниатюрных чувствительных элементов датчиков давления и микрофонов, кремниевые трехмерные микронасосы, клапаны, каналы, полости.

Рис. 16. Структурная схема и микрофотография вергнкально-интсгриронанной ячейки памяти ДОЗУ 4-16 Мбит.

адресные шины

т

словарная шина

/

вертикальный п-МОП транзистор

т

Вертикальный конденсатор

а)

словарная шина Б1* затвор МОП транзистора

(адресная шина)

Заглубленный

меток МОП вертикального транзистора

Щелевой вертикальный конденсатор

1а««з0.вки э.бвЕз еэвб'эе цггв

б)

Результаты комплексных экспериментальных исследований конструктивно-технологического базиса и характеристик сверхинтегрированных транзисторных структур показали, что биполярные транзисторы имеют значение коэффициента усиления в схеме с общим эмиттером более 400, напряжение пробоя р-п перехода коллектор-эмиттер более 14 В, напряжение пробоя р-п перехода коллектор-база более 30 В, напряжение пробоя р-п перехода эмиттер-база более 5 В. Для КМОП транзисторной структуры значения порогового напряжения составили 0,7 В и -1,0 В для п-МОП и р-МОП транзисторов, соответственно, а напряжение пробоя сток-исток более 15 В, при эффективной длине канала менее 1,0 мкм. Для разработанной конструкции вертикального п-МОП транзистора ячейки памяти ДОЗУ пороговое напряжение составило 0,6 В, напряжение пробоя р-п перехода сток-подложка более - 12 В, напряжение пробоя р-п перехода исток-подложка - более 20 В, напряжение пробоя сток-исток - более 12 В, значение удельной крутизны - более 20 мкА/В2.

Анализ результатов исследования влияния технологических режимов на параметры самосовмещенных биполярных транзисторов показал, что при выборе конкретной тонкослойной физической структуры биполярного транзистора необходимо учитывать внутренние механизмы взаимодействия лепгрующих примесей между собой и со структурными дефектами.

Экспериментальные исследования влияния технологических режимов на параметры мелкозалегающнх базовых и эмиттерных областей и характеристик!! самосовмещенных биполярных транзисторов выявили специфическую зависимость среднего значения коэффициента усиления транзистора от продолжительности термического отжига. Показано, что в течение первых десяти минут отжига при температуре 1000°С в режиме резкой выгрузки пластин из диффузионной печи коэффициент усиления остается практически постоянным. При последующем отжиге в течение 20 минут происходит его уменьшение, связанное с особенностями диффузии бора и мышьяка при наличии тонкой пленки БЮЛ переменного состава на границе раздела поликремний-кремний. Затем наблюдается дальнейшее увеличение коэффициента усиления с увеличением времени

отжига, что связано с существенным уменьшением интегральной концентрации бора в активной области базы, а после отжига продолжительностью более 35 минут изменения значения коэффициента усиления не наблюдается.

Экспериментально подтверждено, что формирование тонкослойных структур возможно при одновременной диффузии бора н мышьяка из пленок по-лнкремння при использовании двойного легирования ионами В* и Аз* пленки поликремния и проведения затем одновременной диффузии легирующих примесей в атмосфере азота.

Сравнительная оценка параметров сверхинтегрироваиных биполярных транзисторов, созданных с применением и без применения МСФ и МСС, показывает, что быстродействие транзисторов с применением МСС и МСФ с односторонним профилем легирования активных областей в 1,5-2,5 раза выше в пределах проектных норм от 0,5 до 2 мкм. Рассчитанные зависимости отношения плотности эмигтерного тока вдоль контакта к его плотности у края транзистора со стороны металлического контакта к полициду для различных величин ширины транзистора и значений поверхностного сопротивления полицида позволяют проводить оценку диапазона работоспособности самосовмещенного биполярного транзистора.

Проведены исследования возможности создания интегральных микросистем на основе МСФ и МСС. Показано, что МСФ и МСС позволяют реализовать основные преимущества микроэлектронных технологий при изготовлении компонентов интегральных микросистем, а именно одностороннюю, высокопроизводительную, групповую обработку пластин, возможность уменьшения отдельных элементов структур, вплоть до нескольких десягых микрона с сохранением их характеристик, хорошую совместимость с интегральной технологией изготовления СБИС.

Причем, для изготовления данного класса микродатчиков и микроисполнительных устройств широко используется комбинация приемов метода самоформирования, таких, как самосовмещенное локальное замещение слоев, модифика-1Ц1Я границ элементов и областей структуры. Использование методов самофор-

шфованиа при разработке конструкции и технологии изготовления мгасросенсо-ров позволяет существенно повысить их прецизионность за счет исключения влияния ка параметры сенсоров процессов рассовмещения топологических слоев относительно друг друга в технологическом цикле изготовления интегральных структур. Разработанные конструкции мнкросеисоров с использованием МСФ позволяют реализовать на кх основе кгпгеллектуальпые, полностью ии-тегрнроранные микросистемы, так как формирование с?нсоров требует незначительного количества дополнительных технологических операций, и онн могут формироваться в едином технологическом цикле с созданием разработанных БпКМОП структур для СБИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении можно сформулировать основные результаты и выводы по диссертационной работе:

1. На основании аналзоа различных тапов конструктивно - технолопгче-стсого базиса создашм шггегральных структур обоснозано, что с точки зрения создания сверхинтегргфовагашх и сверхбыстродействующих структур, в том числе без исполъз'овагата субшжрошсах проектных норм, наиболее эффективно применение МСС и МСФ. Показано, что МСС н МСФ гзлжотся наиболее эффективными для создания трехмерных интегральных структур, в том числе структур шпсромехашки и шпсросенсоргаш.

2. Впервые разработана классификация МСФ применительно к технологии микроэлектроники и показана возмоашость нелитографического создания сложных узлов интегральных структур на основе комплексного применения МСС н МСФ.

3. На основе исследования фнзшсо - технологических параметров различных реакторов высокоплотной плазмы, определены условия п оптимальные параметры плазменной обработки интегральных структур, применительно к МСС и МСФ. Разработаны плазменные технологии, позволяющие рсалнзовыватъ ос-

иовные приемы МСФ, в том числе для получения интегральных структур с размерами элементов порядка 0,04 - 0,06 мкм.

4. Разработана и экспериментально подтверждена физнко - математическая модель диффузии примеси в поликремнии и на границе раздела поликремний - кремний. Показано, что диффузия легирующей примеси приводит к ее накоплению на границе раздела поликремний • кремний.

5. Осуществлен сравнительный анаша электрофизических параметров транзисторных структур с применением МСС и МСФ и без таковых, который показал, что быстродействие транзисторов с применением МСС и МСФ с односторонним профилем легирования активных областей в 1,5 -2,5 раза выше в пределах проектных норм от 0,5 до 2 мкм.

6. Разработаны и запатентованы конструкции и технологии изготовления целого ряда самосовмещекных биполярных, МОП, комплементарных биполярных интегральных структур, а также интегральных мнкродатчиков.

7. На основе МСФ разработаны конструкции и технологические маршруты целого ряда сверхинтетрированных транзисторных структур, таких, как БнКМОП, вертикально - интегрированная ячейка ДОЗУ и другие.

8. Показана возможность реализации микросистем на основе различных типов (БнКМОП, биполярные, КМОП) интегральных транзисторных структур и интегральных сенсоров (давления, магнитного поля) в едином конструктивно -технологическом базисе н в едином технологическом цикле.

Общим результатом работы является то, что в диссертации предложен и обоснован прштцип разработки интегральных структур, который заключается в комплексном использовании МСФ. В рамках сформулнрозфшого принципа были разработаны конкретные конструктивно - технологические решения, которые позволили реализовать и исследовать многие типы интегральных транзисторных структур и ряд сенсоров.

Таким образом, в диссертации разработаны научно - методологические основы создания сверинтегрированных структур на основе конструктивно - технологического базиса, использующего МСС и МСФ, и продемонстрирована pea-

лшация этого подхода при разработке различных интегральных транзисторных структур, мапгато чувствительных сенсоров я сенсоров давления.

Все вышеперечисленное создает основу для разработки сверхскоростных СБИС а России и решения важной научно - технической проблемы - создания элементной базы нового поколения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующий работах:

1. А.В.Глухов, В.Н.Дягнлев, М.Н.Ковалева, Ю.А.Парненов, Сауров А.Н., ВХСтарнщш. Биполярный транзистор интегральных схем // A.C. N 1141947 (СССР) Заявл. 05.03.83, N 3560829

2. Галперют В.А., Гордеев ДД, Парыенов Ю.А., Сауров А.Н. Биполярный транзистор интегральных схем // A.C. N 12205221/25 (СССР), Заявл. 25.07.84, N3767645.

3. Бгапсероз А.И., Галперин В.А.. Гордеев ДД., Дягилев В.Н., Ма/ска Н.М., Парфенов Ю.А. Сауров А.Н., Старшщн В.К. Способ Пзготозлешш МДП-тралзистора хпггегральных схем // A.C. N 1292592 (СССР), Заявл. 15.04.85, N3881546/25.

4. Гордеев Д.Д., Нестеров А.Э., Пгрмепоп Ю.А., Сауров АН. Способ изготовления ИПЛ структур // A.C. N 1281080 (СССР).Заавл. 15.04.85, N 3902792/25.

5. В.ДВернер, ДД.Гордеез, В.Н.Дтгклев, Ю.А.Парменов, Сауров А.Н., А.Н.Сергеев, ВХСтернцын. Способ изготовления югтетралымх схем "Степланар" // A.C. N 1326132 (СССР).Заявл. 10,10.85, N 3961898.

6. Париенов Ю.А. Сауров А.Н. Разработка сверхинтегрнрованной биполярной транзисторной структуры для СБИС // Тезисы Всесоюзной научной конференции "Состояние н перспективы развита шпфоэлектронной техники", г.Минск, 1985г., ч.1, с. 106.

7. Галушков А.И., Парменов Ю.А. Сауров. А,Н. Современные технолопш создания биполярных СБИС // Тезисы докладов 7 научно-технической конференции молодых ученых н специалистов "Методы и средства созда-

!шя полупроводниковых приборов и ИС", ИЭ и ВТ АН Латвийской ССР, г.Рига, 1987г с. 138-139.

8. Дягилев В.Н., Парменов Ю. А.,'Сауров А.Н. Технология СТЕПЛАНАР создания быстродействующих цифровых БЙС // Тезисы, VI Координационное совещание "Развитие методов прое ктирования н изготовления интегральных ЗУ", М., МИЭТ, 1988г., с. 113.

9. Галушков А.И., Лойко К.Е., Парменов Ю.А. Сауров А.Н. Экспериментальные исследования влияния квазиокисного слоя на границе раздела поликремний - кремний на характеристики биполярных транзисторов с поликремниевыми контактами II Сборник научных трудов МИЭТ "Физика, технология и схемотехника СБИС", М., 1989 г., с.44-51.

10. Веселое В.Ф., Галушков А.Н, Сауров А.Н., Ячиков А.Н. Исследование увеличения концентрации примеси на границ раздела поликремний-

• кремний // Тезисы докладов 7 отраслевой конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС", г. Махачкала, октябрь 1990 г., с.202.

И.Галушков А.И., Сауров А.Н. Разработка ы исследование технологии изготовления самосовыещешюй МДП транзисторной структуры с заглубленный затвором и субмикронной длиной канала // Тезисы докладов б Республиканской научно-технической конференции "Физические проблемы МДП-шггегральиой электроники", г. Севастополь, июнь 1990 г.

12. Галушков А.И., Зу&нко Ф.Г., Романов И.М., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А. Интегральный полупроводниковый датчик магнитного поля на основе двухколлекгорного биполярного транзистора с подавлением боковой ин-жекщш эмиттера // Тезисы докладов 4 научно-технической конференции "Сенсор-91", г.Леншсград, июль 1991 г., с.103-104.

13. Галушков А.И., Макаров А.Б., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A. Исследование и разработка комплекта магниточувствительных ИС КМОП типа // Международная конференция и выставка "СЕНСОР-ТЕХНО 93", Санкт-Петербург, июнь 1993 г.

Н.Чаплыган Ю.А., Сауров А.Н., Шелепин H.A. Разработка и освоение производства интегральных преобразователей физических величин на базе технологии БИС // Международная конференция СЕНСОР-ТЕХНО-93". Санкт-Петербург, июнь 22-23,1993г., с.88.

15. Галушков А.И., Макаров А.Б., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелетт H.A. Разработка и исследование комплекта интегральных мапшточувстви-тельных КМОП ИС // Научно-практическая конференция "Высшая школа России и конверсия", Москва, ноябрь, 1993г., с.108-109.

16.Галушков А.И., Макаров А.Б., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A. Пороговая мапштоуправляемая интегралтная схема // научно-технический журнал "Электронная промышленность", N 8, 1993 г., с.34-35.

17.Галушков А.И., Сауров А.Н., Шабратов Д.В. КМОП-структура с субмикронными размерами поликремниевых контактов к областям стока и истока // Сборних научных трудов МИЭТ "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", М., 1994 г., с.89-95

18. Галушков А.И., Путря М.Г., Сауров А.Н., Шелепин H.A., Ячиков А.Н. Разработка н Исследование способов формирования столбиковой структуры для изготовления вертикальной ячейки ДОЗУ 16-64 М с субмнкронньми размерами элементов // Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка и ис-следоваш?е кремниевых датчиков я элементов памятя-СБИС ДОЗУ", М., 1994 г., с.74-81.

19. Галушков А.И., Дягилев В.Н., Сауров А.Н., Шелепин H.A., Ячиков А.Н. Разработка конструкции и технологии формирования вертикальной ячейки ДОЗУ уровня 4-16 Мбит // Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элгменгов памяти СБИС ДОЗУ", М., 1994 г., с.49-66.

20. Галушков А.И., Дорофеев O.A., Жуков ДГ., Сауров А.Н. Исследование влияния поликремнневого контакта к эмиттеру на характеристики биполярного транзистора // Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка и не-

следование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", М., 1994 г., с. 119-130

I

21.Галушков А.И., Шабратов Д.В., Сауров А.Н. Методы самосовмещения и самоформирования в технологиях изготовления СБИС II Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектрошпса-94". 28 ноября - 3 декабря 1994г. Звенигород. Тезисы докладов, часть1, с.341-342.

22.Галушков А.И., Жуков Д.Г., Сауров А.Н., Я чихов А.Н. Исследование влияния технологии формирования поликремниевых контактов на параметры самосовмещенных транзисторных структур для СБИС // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94". 28 ноября - 3 декабря 1994г. Звенигород. Тезисы докладов, часть 1, с.343-344.

23.Галушков А.И., Дягилев В.В., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А., Шелепин H.A., Ячиков А.Н Разработка конструкции и технологии формирования

. ячейки ДОЗУ уровня 4-16Мбит // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлеетроника-94". 28ноября -Здекабря 1994г. Звенигород. Тезисы докладов, часть 1, с.345.

24. Дягилев В.В., Сауров А.Н., Шелепин H.A. Разработка элементной базы и технологии изготовления аналого-цифровых КБиМОП БИС // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Мнкроэлекгроника-94". 28 ноября - 3 декабря 1994г. Звенигород Тезисы докладов, часть 1, с.347.

25. Голишников A.A., Долгополов В.М., Зарянкин Н.М., Путря М.Г., Сауров А.Н. Установка магнетронного реактивно-ионного травления в скрещенных электрическом и магнитных полях "ПЛАЗМА ТЦ-001" // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94". 28 ноября-3 декабря 1994г. Звенигород. Тезисы докладов, часть 1, с.53

26.Вернер В.Д., Дягилев В.В., Кузнецов Е.В. Сауров А.Н. Разработка конструкции и технологии изготовления комплементарной биполярной транзисторной для высокопроизводительных СБИС // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94". 28 ноября -3 декабря 1994г Звенигород. Тезисы докладов, часть 1, с.77.

27. Галушков А.И., Певчих К.Э., Сауров А.Н. Адаптивные модели технологических процессов в САПР полупроводниковой технологии // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Микроэлектроннка-94". 28 ноября-3 декабря 1994г., Звенигород. Тезнсы докладов, часть 1, с.589.

28. Дягилев В.В., Сауров А.Н., Шелепин H.A. Разработка конструкции и технологии формирования элементов памяти СБИС ДОЗУ емкостью 4-16Мбнт//Сборник научных трудов. Москва, МГИЭТ, 1994г., с.67-73.

29. Годовицнн И.В., Дягилев В.В., Манжа Л.П., Путря М.Г., Сауров А.Н. Экспериментальное исследование возможностей формирования субмнкронной маски для изготовления щелевой изоляции и разработки вертикально-интегрированных элементов СБИС ЗУ емкостью 1б-64МБнт // Сборник научных трудов . Москва, МГИЭТ, 1994г., с.82.

30.Вериер В.Д., Дягилев В.В., Кузнецов Е.В., Сауров А.Н. Разработка конструкции и технологии изготовления комплементарной биполярной транзисторной структуры для высокоскоростных СБИС // Сборник научных трудов. Москва, МГИЭТ, 1994г., с. 96.

31. Галушков А.И., Певчих К.Э., Сауров А.Н., Ставничнй Я.А. Аналитические модели для оптимизации технологических процессов // Международный семинар по моделированию приборов и технологических процессов. 5-7 июля 1994г. г. Обнинск

32. Певчих К.Э., Сауров А.Н., Ставничнй Я.А. Проблемно-ориентированная САПР технологии полупроводников // Российская конференция с участием зарубежных ученых "Мнкроэлек1роника-94". 28 ноября-3 декабря. Звенигород. Тезисы докладов, часть 1, с.645.

33. Галушков А.И. Голишников А.А.,Путрж М.Г., Рыбачек E.H., Сауров А.Н. Исследование влияния плазменной обработки на свойства поверхности щелевых кремниевых структур вертикальных ячеек памян ДОЗУ // Всероссийская научно-техническая конференция. Тезнсы докладов. Москва. МИ-ЭТ 5-17 ноября 1995г.

34. Всрнер В.Д. Путря М.Г. Сауров А.Н. Шелспин H.A. Исследование и разработка переспейтеных технологических процессов в НПК ТЦ МИЭТ // На-учно-иформацион-ный журнал •"Электронная промышленность", 4-5/95

35. Сауров А.Н. Сам сформирование в микроэлектронике // Всероссийская на-учно-техннчсская конференция. Тезисы докладов. Москва. МИЭТ 5-17 ноября 1995г.

36. Галушков А.И., Сауров А.Н.Чаплыгин Ю.А. Магниточувствительный биполярный транзистор // Патент на изобретение N2055419 (РФ). 27.02.96.

37.3ншш В.Н., Сауров А.Н., Синицын Е.В., Уманцев A.B. Микроэлектронный датчик малых давлений // Тезисы докла-дов 8 н-т. конференции "Датчики и преобразова-тсли информа-цкн систем из-иерсния, кон-троля и управления", том 2, Гурзуф, май 1996 г.

38. Сауров А.Н. Биполярный транзистор // Патент на изобретение.Ы 2084047 от 10.07.97.

39. Галушков А.И., Сауров А.Н, Новые аспекты использования методов самосовмещения при изготовлении сенсоров магнитного поля // IX научно-техническая конференция «Датчики н преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», тезисы докладов, Крым, 23-3 30 мря, 1997 г... том 1.

40. Сауров А.Н. Методы саиоформирования в микроэлектронике // Научно-технический журнал «Известия вузов», ЭЛЕКТРОНИКА, 1997, N5., с.41-47

41. Сауров А.Н. Специальные методы плазменного травления в технологии самоформирования // Научно-технический журнал «Известия вузов», ЭЛЕКТРОНИКА, J997, N6, с.60-68

42. Вернгр И.В., Корнеев В.И., Сауров А-Н. Особенности диффузии шшлани-рованной примеси в структуре «поликремний-ад-крещшн» // Научно-технический журнал «Известия вузов», ЭЛЕКТРОНИКА, 1997, N3-4, с.39-43

43. Сауров А.Н. Комплементарная биполярная транзисторная структура интегральной схемы // Патент на изобретение N 2111578 (РФ) от 20.05.98

44. Сауров А.Н. Биполярный транзистор интегральной схемы // Патент на изобретение N 2108640 (РФ) от 10.04.98.

45. Сауров А.Н. Вертикальный МДП-транзистор интегральной схемы II Патент на изобретение N 2108641 от 10.04.98

46. Сауров А.Н. Графическая модель метода самоформировання интегральных структур // Научно-технический журнал «Известия вузов», ЭЛЕКТРОНИКА, 1998, N1,0.61-70

47.Галушков А.И., Сауров А.Н. Методы самоформировання в технологии сверхбыстродействующих БИС // Всероссийская научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника-98», Звенигород, тезисы докладов, том 1, 1998 г.

48. Галушков А.И., Сауров А.Н. Использование' конструктивно-технологических приемов метода самоформирования для создания структур с субмикронными размерами элементов // Всероссийская научно-техническая конференции «Микро- и наноэлекгроника-98», Звенигород, тезисы докладов, том 1,1998 г.

49. Галушков А.И., Демидова Ю.Б., Кудрявцев А.Н., Луканов Н.М., Сауров А.Н. Высокоэффективная сверхсамосовмещенная Бн-КМОП технология // Всероссийская научно-техническа> конференция «Микро- и наноэлектроника-98», Звенигород, тезисы докладов, том I, 1998 г.

50. Галушков А.И., Луканов Н.М., Романов И.М., Сауров А.Н. Разработка методов формировашм и исследование электрофизических характеристик поликремниевых контактов к областям 1ранзнсторных структур для УБИС // Всероссийская научно-техническая конференция «Микро- и наноэлек-троннка-98», Звенигород, тезисы докладов, том 1, 1998 г.

51. Галушков А.И., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А. Магниточувствителышй биполярный транзистор // Патент на изобретение №2127007 от 27.02.99.

52. Галушков А.И., Сауров А.Н. Методы саыоформирования - основа технологии создания микроисполюггельных элементов МЭМС // XI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», тезисы докладов, Крым, 23-30 мая, 1999 г.,. том 1.

53. Галушков А.И., Сауров А.Н. Элементы поверхностной микрообработки и методы самоформирования в технологии создания чувствительных эле-ментовдля интеллектуальных сенсоров давления // XI научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля н управления», тезисы докладов, Крым, 23-30 мая, 1999 г.,. том 1.