автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка конструкторско-технологических методов создания изоляции элементов интегральных схем

rv. o-.

er.

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. УНИВЕРСИТЕТ ИНЗЮРМАТИКН И РЛДКОЗЛЕКТРОНЙКК

DC сэ

-э-

C4J

УЖ 021.3.049.77.002.2:001.18 (04.8-8)

МУЧАК ИВАН «ЛИШКИВ

РАЗРАБОТКА КСКСТРУКТОРСКО-1ЕХНОЛСЗ:11ЧЕСй1У МЕТОДОВ

создания шшшт эяшентов штегралшк схем

Специальность 05.2?.Gl - тЬердоте-льнал электроника, мггкроэлеьтрокмка и ианозлекгсоника

АВТОРЕФЕРАТ

знссергашт на соискание ученой Степени зсктора технических наук

Минск 133?

Работа выполнена в Международном учеоном центре.

Официальные оппоненты

-док-тор физика- математических наук, профессор Новиков А.П.

-доктор технических наук, профессор Пняшенко В.А.

доктор технических наук, профессор Сокол В.А.

Оппонируяяцая организация - Научно-производственное

объединение "Интеграл"

Залита состоится 20 ноября 1.997 года в 14.00 на васедзнии совета по защите диссертаций Д 02.15.03 в Белорусской го -сударственном университете информатики и радиоэлектроники но адресу: 220027, г. Минск, ул. П.Бровки , 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан октября 1997 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, д.ф.-м.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Микроэлектроника является одним из ведущих направлений деятельности народного хозяйства. Ее развитие во многом определяется совершенствованием Саповых технологических процессов, в том числе и получением качественной изоляции элементов. Важным фактором, определяющим совершенство конструктивно-технологического исполнения интегральных схем,является совершенство метода изоляции элементов интегральных схем,разработка новых методов изоляции, что призвано решить такие задачи как увеличение плотности упаковки элементов интегральной схемы , в частности, эа счет уменьшения площади пол изоляцию, увеличение быстродействия интегральной схемы ва счет уменьшения паразитных связей и снижения паразитных емкостей, упрощение технологии изготовления, сокращение длительности технологического цикла, повышение пробивного напряжения изо-лируриих областей, увеличение процента выхода годных изделий.

Альтернативой общепринятым методам комбинированной изоляции активных элементов, являются методы, обеспечивающие их полную изоляцию только диэлектрическими материалами.Получение такой изоляции элементов требует ускорения процесса образования диэлектрического слоя и формирования качественной многослойной структуры .Решение этих вопросов позволяет не только создать диэлектрическую изоляцию элементов от подложки,но и обладает уникальной перспективой реализации трехмерных интегральных схем,а именно интегральных схем со множеством активных слоев, разделенных диэлектриком.

Из известных методов получения многослойных структур, методы, включающие процессы э/штзксиального наращивания, эффективно внедряются на большинстве предприятий. Это связано с тем, что они включают более технологичные и типовые процессы изготовления интегральных схем, а тагае не тре-

Суют создания нового и специального оборудования, применения специфических материалов. Поэтому проблемы разработки более совершенных методов Армирования многослойных структур с применением эиитаксии являются актуальными.

Создание известными методами в кремниевой подложке много -слойных планарных структур ведется за счет высокотемпературных и длительных процессов апитаксиального наращивания , требует продолжительного высокотемпературного отлига в инертной среде. Все это вызывает значительные нарушения в кристаллической решетке кремния и приводит к изменению созданных в подложке структур.

В некоторых методах проводится эпитаксиальный рост монокристаллического слоя над протяженным слоем аморфного диэлектрика. Процесс такого наращивания не позволяет получить совершенный цонокристаллический слой необходимой толщины с приемлемой морфологией поверхности на аморфном диэлектрическом слое и тем более по всей поверхности подложки.Поэтому важнейшим этапом создания трехмерных интегральных схем является усовершенствование или разработка новых методов формирования слоев совершенного монокрис -ташшческого кремния на диэлектрических слоях возможно аа счет замены в известных методах исходной гомогенной поверхности фор-мирпованш! слоев на гетерогенную, представляющую упорядочение расположенные области аморфных и кристаллических фаз. Для этого необходимо провести ьсестороште исследования влияния размеров и свойств материала и структуры аморфной фазы на качество и морфологию, выращенного на ией.зпитаксиалыюго слоя.

Возникающая неровность поверхности зпитакеиалыюго слоя,сформированного от затравочной микробласти над аморфным дизлектричос -ким слоем известными методами,не позволяет увеличить исходный размер аморфной фазы,который был бы достаточен,чтобы впоследствии ь выращенном над ней апитаксиалыюм слое создавать интегральную схему. Поэтому для увеличения размера аморфной фазы при создании многослойной структуры необходимо диэлектрический слой создавать также в затравочных микрообластях подложки.

' Наряду со слоями,расположенными в подложке параллельно поверхности. необходимы качественные оксидные слои для получения полной изоляции элементов, расположенные в монокристаллической кремниевой подложке по нормали к ее поверхности. Они также формируются при длительном термическом окислении ( свыше 1Ю0°0), чга

вызывает значительное изменение параметров подложки и созданных в ней ранее структур.Кроме того в наиболее перспективном методе,основанном на аарашивании канавок,ва счет образующегося в них оксида, часть слоя оксида, вырастающего над поверхностью меньше части слоя оксида растущего от поверхности в монокристаллический кремний. Это безусловно приводит к тому, что общая толщина диэлектрического слоя изоляции элементов значительно больше ширины канавки. Изолирующие слои монокристаллических областей элементов занимают, в таком случае, Оольиую площадь под изоляцию, что снижает плотность упаковки элементов в интегральной схеме.

Таким образом проведение исследований с целью создания новых конструкторско-технологических методов формирования пленарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристалли -ческих областей элементов интегральных схем при уменьшенных термических воздействиях обеспечивавших повышенную плотность упаков-элементов весьма актуально. Для решения данной вадачи необходимо интенсифицировать процесс роста локальных и протяженных областей аморфных оксидов в монокристаллическом слое,а также эпитаксиаль-ного слоя на аморфном.

Цель работы:

Разработка конструктивно-технологических методов формирования структур с локальными диэлектрическими областями в монокристаллическом кремнии для интегральных схем с большой плотностью упаковки элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- изучить процесс окисления в вытравленных канавках монокристаллической кремниевой подложки порошкообразного кремния и получения слоя оксида;

- изучить процессы локального окисления монокристаллических микрообластей;

- изучить эпитаксиальный рост монокристаллических слоев на гетерогенной поверхности, содержащей микрообласти различных фаз;

- разработать феноменологическую модель роста монокристаллического кремния на гетерогенной поверхности;

- выявить взаимосвязь морфологии поверхности формируемого монокристаллического слоя с параметрами исходной гетерогенной поверхности;

- разработать ноеыз ыэгады получения диэлектрических слоев в параллельной и нормальном направлении к поверхности подложки.

Научная новизна состоит в получении следующих принципиально новых результатов:

1. Установлены закономерности огаюяения порошкообразного кремния в локальных мш^юобластях монокристаллического кремния для формирования шкшюго оксида кремния.

Установлена закономерность роста слоя оксида кремнии от поверхности монокрйсталляческой кремниевой подложки в локально заполненной порошком кремния ыикрообласти.

2. Обнаружена сильная анизотропия диффузии кислорода и направленный ускоренный рост оксида кремния при формировании диэлектрического слоя внутри ыикрообласти из ионокристаллического кремния в условиях больших упругих деформаций, развивавдихся при термическом введении в мзисрооблас-ть ионокристаллического кремния кислорода из линейного источника, что наиболее выражено при его расположении на противостороннлх поверхностях ыикрообласти.

3. Установлено, что в отличие от классической гомоэиитаюш в газофазовой системе, эпитаксия на непланарной гетерогенной ре-гудяркой поверхности подложки приводи к локаяьшм энергетическим состояниям. Локальные отклонения Ееличшы пересыщения поверхности атомами кремния от равновесного обуславливают постадийнш направленный ускоренный рост эг,ита.чсиалыюго кремния из газовой фазы.

Впервые определены основные закономерности чеакой кристаллизации, устанавливьэдко взаимосвязь морфологии поверхности кристаллизуемого слоя со свойствами материала диэлектрического слоя, степень« занятости им поверхности подложи, размерами и-формой затравочных ыикрообластей.

4. Получена феноменологическая модель роста кремния на гетерогенной поверхности, отражавшая динамику процессов в клоридкой системе, включающая термодинамический анализ, сорбцию компонентов газовой фазы и поверхностную диффузию адсорбированных атомов кремния на стадии локальной эпитаксии.

6. Теоретически обоснованы к экспериментально апробированы методы получения на гетерогенных поверхностях с поыоазью стандартной газовой эпитаксии креычии сплошных по подложке многослойных ст;.уг-пур с использованием различных материалов.

Практическая значимость работ и.

1. Определены оптимальные параметры локальных диэлектрических областей в монокристаллической кремниевой подложке, созданных окислением порошкообраэногоа кремния, ионной имплантацией кислорода или заполнением канавок порошком стекла, режимы проведения процессов, обеспечивающие получение пленарных структур с минимальными внутренними напряжениями.

2. Установленные ¡закономерности кристаллизации монокристаллического слоя позволяют управлять морфологией поверхности эпи-таксиального слоя и разработать новые методы создания структур с локальными диэлектрическими областями в монокристаллическом кремнии.

3. Обоснована теоретически и экспериментально подтверждена возможность получения в кремниевых структурах токопроводящих межслойных соединений любого типа проводимости при использовании порошкообразного кремния.

4. Предложен и исследован метод формирования скрытых диэлектрических областей в монокристаллическом кремнии, отличавшийся совмещением процессов образования диэлектрика в локально имплантированных кислородом или заполненных порошком стекла областях и ростом на его поверхности эпитаксиального слоя. Определены критические условия проведения этих процессов, обеспечивающие пониженную дефектность монокристаллического слоя и его управляемо-нап-равленный рост. Разработан процесс создания многослойных структур с локальными диэлектрическими областями- в монокристаллическом кремнии для изоляции элементов интегральных схем.

5. Разработана технология создания изоляции по периметру элементов, позволяющая уменьшить влияние температурных воздействий на кремниевую структуру, увеличить плотность упаковки элементов., упростить технологический маршрут, увеличить быстродействие и процент выхода годных интегральных схем.

Результаты проведенных исследований использованы в опытно-конструкторских работах "Диспут 13", "Довод 18", "Довод 21", "Магнум". Новизна разработок защищена 11 авторскими свидетельствами СССР на изобретения. Научные и практические результаты используются в учебном процессе в Белорусском университете информатики и радиоэлектроники при изучении студентами дисциплин: "Материаловедение РЭС", "Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров", "Конструирование и технология про-

изводства ЭВМ", в дипломном проектировании, а такие в Международном учебном центре при составлении учебно-методических планов для повышения квалификаций инженерных и научных кадров.

Результаты работы отмечены дипломом Центрального правления НТО РЭО им.А.С.Попова на Всесоюзном конкурсе по микроэлектронике.

Положения выносимые на защиту.

1. Закономерности окисления порошкообразного кремния в локальных областях шнокристагишческой кремниевой подложки:

- время превращения порошкообразного кремния в плотный оксид определяется размерами частиц; сгарость реакции окисле -ния - определяющий фактор.

- значительная релаксация механических напряжений в конок-рксталлическом креминии с областями окисленного порошка кремнии (примерно в два раза по сравнению с подложкой, имеющей те не области, полученные на основе окисления монокристалла).

2. Возникновение сильной анизотропии диффузии кислорода и ло!«ш>но направленный ускоренный рост оксида кремния при формировании диэлектрического слоя внутри микрообластей моногсристалли-ческого кремния.

3. Закономерность постадийного, локалыюнаправленного и ускоренного апитаксиального роста кремния на непланарной гетерогенной размерной и регулярной поверхности. Феноменологическую модель процесса, представляющую локальное изменение энергетичесгаго состояния системы с гетерогенной поверхностью, обусловленное расположением, формой и размером моиокристаллических зародышей и диэлектрических областей на кремниевой подложке.

4. Методы получения сплошных по подложке многослойных структур в гетерогенной системе, состоящей из газовой фазы и гетерогенной поверхности из регулярно чередующихся моиокристаллических кремниевых и аморфных диэлектрических слоев, представляющих собой имплантированный кислородом креминий, оксидное стекло и термический оксид кремния.

б. Конструктивно-технологические методы создания планарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристаллических областей элементов интегральных схем при уменьшенных термических воздействиях, обеспечивающих повышенную плотность упаковки элементов.

Личный вклад соискателя. Закономерности окисления порошкооб-

разного кремния в локальных областях монокристаллического кремния установлены соискателем; метод межэлементной изоляции на основе порошкообразного кремния разработан соискателем; исследование фазового состава окисленного порошка кремния проведено соискателем; установление анизотропии диффузии кислорода и исследование про -цесса ускоренного окисления монокристаллического кремния при уменьшенных температурных воздействиях за счет создания локализованных упругих деформаций в зоне окисления проведено соискателем; процесс ускоренного направленного эпителиального роста монокристаллического кремния над аморфными областями для создания пленарных многослойных структур при локализованном изменении энергети -ческого состояния гетерогенной системы разработан и исследован соискателем; метод получения многослойной структуры на гетерогенной поверхности с имплантированным кислородом разработан соискателем совместно с Достангсо АЛ.; метод создания многослойной структуры со слоем стекла разработан совместно с Достанко А.П.; метод создания многослойной структуры со слоем термически выращенного оксида разработан соискателем; метод создания пленарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристалли -ческих областей элементов интрегралышх схем разработан соискателем; все экспериментальные исследования, проектирование и испытания образцов, приведенные в диссертации, проводились соискателем.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Проблемы применения современных радиофизических методов для повышения эффективности производства и автоматизации научных исследований" (Минск, 1981); У1 Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердил телом (Минск, 19в1); Всесоюзном научно-техническом совещании ''Повышение качества бытовой радиоэлектронной аппаратуры на основе широкого внедрения микроэлектроники" ( Минск, 1982 ); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МРТИ в 1976 и 1986 г.г. и Б1Ш в 1983 г., 1986 г., 1992 г. ; XX Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития техники радиовещательного приема и акустики ( Ленинград, 1983); Республиканской научно-технической конференции " Пути совершенствования технологических процессов, материалов и оборудо-

Баиия в производстве современных изделий радиоэлектроники" (Минск, 1983); Научном совете Государственного комитета СССР по науке и технике "Новые неорганические материалы и покрытия на основе тугоплавких соединений" (Москва, 1984); отраслевом научно-техническом совещании "Состояние и перспективы применения новых материалов в изделиях микроэлектроники" (Киев, 1989); научно-технической конференции "Микроэлектроника в медицине, автомо-Оиде- и тракторостроении, сиотемах и устройствах охраны, наземного и кабельного телевидения, космической и оптоволоконной связи" (Минск, 1994); научно-технической конференции " Направления и перспективы развития микроэлектронной элементной базы, электронных блоков и узлов, устройств индикации и считывания для приборостроения, аудио-, и видеотехники, систем связи и информатики (Шшск, 1994).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит иэ введения, общей характеристики работы, 6 глав, общих выводов, приложений. Диссертация содерлшт 293 страницу, 66 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 262 наименований и приложения на 33 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ современных методов и средств формирования изоляции элементов в монокристаллическом кремнии. Насущная необходимость разработки новых более прогрессивных методов н определяет те конструктивно-технологические отличия и направления, которые считаются перспективными. Наиболее перспективной изоляцией является полная изоляция диэлектрическими материалами. Задачами современной микроэлектроники являются исследования и разработка таких процессов изоляции монокрисгаллических областей , которые бы позволили при относительном уменьшении температурных воздействий формировать изоляционные слои высокого качества с высокой интенсивностью и производительностью процесса как доеду областями, так и между областью и подложкой.

В соответствии со спецификой данной работы дается анализ современного состояния технологий получения структур "кремний- на-изоляторе". Показано, что получение качественных многое-

дойных структур состагляет основу для архитектуры трехмерныхии-. тегралымх схем.

Исследованиями установлено, что уменьшение пористости слоев стекла, полученного из паровой фазы, и тем самым использование его в ¡сачестве изоляционного слоя, могло за счет создания критических ззродыаен на поверхности его Формирования. Для этого необходимо между подложкой и стеклом создавать специальные подслои. С глчестпе такого подслоя может выступать сплав РС, критические зародыши которого используются как затравки .

В результате исследования процессов получения многослойных структур петсазано, что их формирование последовательным нанесениям слоев неприемлемо, гак как не дает возможности получить совершенный монокристаллическлй слой с протяженностью многослойной структуры, вплоть до размеров подложки, требует дополнительных температурных воздействий , ограничивает выбор диэлектрического материала.

Из извести;« метонов получения структур "кремний на-изоляторе" отдало предпочтение эпигаксиальному нзрлетваяга , таге как при эпитакснальнсм наращивании можно получить более качественные монокристаллические слоя, а -сам процесс более типичный и технологичный для технологии интегральна* схем.

В связи с необходимостью создания более технологичной и качественной полной диэлектрической изоляции областей монокрнстал-лического ¡сремиия в подложке и создания архитектуры трехмерных интегральных схем необходимо: получить в полузамга!утом объеме ыо-нсгсристаллического кремния оксид из порошка; найти и использовать особенности термического окисления кремния в кристаллических нпк-рообдастях , а также эпитаксиального роста кремния , на гетерогенной поверхности , представляющей собой чередующиеся по поверхности области монокристалла"и амосфкого диэлектрика. В соответствии с этим подходом сформулированы цели и задачи настоящей работы.

Вр втора/ главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процесса образования оксида в изоляционных канавках подложки из порепка кремния. Эти исследования поз-воляпт решить ряд трудностей при проведении термического окисления путем снижения температуры окисления, повшзегшя скорости окисления. Данный процесс легко совместим с другими технологическими процессами при изготовлении интегральных схем.

Исследованиями установлено, что интенсивное формирование диэлектрического слоя из микроиороика идет при температуре 9001000 °С, зависит от насшной плотности порошка кремния и имеет аномальный и диффузионный характер . Аномальная стадия процесса характеризуется большой скоростью образования оксида из-за доставки окислителя по микропорам и определяется в основном скоростью реакции окисления. Она проявляется при насыпной плотности 2,0 - 2,2 г.см. В диффузионной стадии процесса окисления порошка, происходящего на порошке с насыпной плотностью до 1,9 г-см .окислитель в зону реакции доставляется через оксидный слой, а поэтому определяющее значение на процесс образования оксида оказывают законы диффузии .

Окисление порошка кремния в канавке при температуре 900"с в сухом кислороде ва время 90 мин приводит к тому, что основная часть порошка кремния превращается в аморфную , слайокристаллизо-ванную разновидность оксида кремния. Кроме насыщения диэлектрического слоя аморфным оксидом кремния, в нем присутствуют в незначительном количестве высокотемпературный гексагональный-и низкотемпературный тригональный кварц. Фазовый состав продуктов окисления порошка при температуре Ю00°С не отличается от фазового состава при 900е С , хотя количество кристаллической фазы увеличивается. При температуре 1160оС, наряду с вышеуказанными фазами оксида кремния, появляется дополнительно новач модификация оксида кремния-кристобалит. Не изменялся фазовый состав при термообработке порошка кремния в парах воды. Не замечено изменения процесса окисления порошка кремния и фазового состава по глубине канавки до 10 мкм.Образование оксидного слоя не соответствует закономерности, предсказанной Гроувои и Дилом. Наилучшие параметры изолирующего диэлектрического слоя получеки при использовании порошка кремния с насыпной плотностью 2,0- 2,2 г-см .

На основании проведенных исследований разработан метод и технологический процесс формирования диэлектрического слоя в подложке по нормали к ее поверхности. Разработанный метод межэлементной изоляции имеет много общего с методом получения аналогичной изолинии "Изопланар". Метод заключается в окислении кремния на поверхности подложки, служащей маской при создании канавок, в которых будет размещаться изолирующий слой, нанесении на рабочую "сторону моиокристаллической кремниевой подложки с канавками

суспензии порошка кремния, испарения дисперсионной среды и удаления порошка с поверхности подложки с оставлением его в канавках, окисления порошка кремния в канавках.

В разработанном методе получения межэлементной изоляции, в сравнении с методом "Изопланар", не требуется нанесения слоя нитрида кремния, подлегирования канавок примесью, соответствующей типу проводимости подложки, длительного термического окисления, сложного технологического оборудования.

Разработанный технологичесши! процесс формирования мекэле- . ментной изоляции на основе окисленного порошка кремния позволяет1 получить хорошую планарность поверхности изолирующих областей без резких перегибов и ступенек. Планарность поверхности изоляции достигается тем, что при окислении порошка увеличение объема получаемого изолирующего материала происходит в имеющийся объем пор. Заращивание канавок диэлектриком на основе порошка кремния, •по сравнению с заращиванием их о!ссидом при длительной высокотемпературной обработке монокристаллического кремния, не ограничивает максимальную глубину изоляционных канавок (2-3 m¡o<) и не сужает применение способа при разной толщине эпитаксиального слоя. Поскольку процесс окисления кратковременный и практически не приводит к окислению поверхности подложки и стенок канавок, то это позволяет уменьшить геометрические размеры областей изоляции, а также размеры элементов, и в результате увеличить степень интеграции интегральных схем. Он позволил получить оксидный слой с диэлектрической проницаемостью 3, электрической прочностью 7,5-10е В/см и плотностью токов утечки 1200 нА/смг .

В созданных оксидных слоях и на границе с подлоккой возникающие упругие напряжения релаксируют , благодаря 'заполнению растущим оксидом свободного пространства мелду частицами микропорошка.

Третья глава посвящена разработке процесса превращения монокристаллического кремния в оксид при создании локализованных упругих деформаций в зоне окисления и уменьшении температурных воздействий.

Тщательный анализ известных методов формирования многослойных структур показал, что они создавались последовательным нанесением слоев друг на друга. Выращенный таким последовательным методом на диэлектрическом слое кремниевый,не является совершенным монокристаллическим. Как видим такой подход не позволяет получить

качественную многослойную структуру.

Для получения качественной многослойной структуры с двумя монокристаллическими слоями и расположенным между ними диэлектрическим слоем необходима делить монокристаллический слой на два слоя выращенным в нем диэлектрическим слоем, что возможно за счет появления в атом процессе новых физических явлений. Исследование на ыикрообъекгах процессов окисления и эпитаксии показало, что направленность и их ход не соответствуют известным закономерностям. ' Такое отличие возникает за счет обнаруженных аффектов , которые отсутствуют в макрообъектах.

В данной главе обоснованы результаты термического окисления монокристаллического кремния при различном состоянии оксида и кремния в локальных местах микрообластей.

Классическая диффузия диэлектрикообразующей примеси кислорода в кремний с его поверхности имеет изотропный характер, а динамика процесса подчиняется линейно-параболическому закону, предсказанному Гроувом и Лилом. Кроме того, максимальная глубина обра-совавшегося слоя оксида кремния составляет около 1,5 мкм; а сам процесс получения такого слоя очень длительный и составляет десятки часов. Естественно, в таких условиях невозможно, при создании интегральных схем вырастить диэлектрический слой в монокрис-тазшическом кремнии и получить достаточную по размеру для изготовления интегральных схем структуру "моиокристаллический кремний-оксид кремния-ионокристаллический кремний".Для получения такой структуры нужно создать условия быстрого анизотропного роста оксида крешшя.

Исследования по превращению порошка кремния в оксид кремния в замкнутом объеме монокристаыического кремния показали, что скорость такого превращения большая. Исследования же по превращении ыонокристаллического кремния в оксид показали, что для увеличения скорости образования слоя оксида кремния необходимо на пути его роста в ыонокристаллическш кремнии нарушить кристаллическую структуру кремния и создать условия для доставки кислорода через онсид в вону реакции* Такое нарушение может Сыть обусловлено деформацией кристаллической решетки кремния и его оксида за счет механических напряжений, вызванных увеличением объема обра-аущегося оксида в кремнии и разностью коэффициентов термического расширения кремния и его оксида.Дефекты уменьшают сопротивление

движению кислорода и вызывают сильную анизотропию процесса дий>у-зии, которая приводит к направленному росту оксида кремния. Механические напряжения, вызывающие возмущение атомов , имеют в ло -кальных местах сжимающее или растягивающее действие.

Анализом формирования структуры ЬОКОБ обнаружено селективное термическое окисление в боковом направлении стимулируемое механическими напряжениями из-за кривизны границы раздела 31-310а и увеличения объема окисляемого кремния, правда играющее в этом методе отрицательную роль.

Таким образом, различную величину механических напряжений и их направленное действие в локальных местах мокко вызвать геометрической формой образующегося оксида и изменением протяженности границы раздела 31-510а .

Из сравнения элементарных объемов атома кремния и молекулы кислорода показано, что линейный размер единичного объема огазида увеличивается в направлении границы раздела в 1,8 раза.Исследованиями показано, чго форму оксида кремния и кривсшинейность границы раздела 51-510а можно формировать линейным источником диэле-ктрикообразующей" примеси, созданным на поверхности монокристаллического кремния.

Окисление монокристаллического кремния с линейного источкшса приводит к максимальному расширению формируемого объема оксида в направлении наибольшей стороны линейности окисляемого кремния, а поскольку объем окисляемого кремния постоянен, то создается в этом направлении определенное давление на кремний, вызывающее в кремнии возмущения, которые с- затуханием распространяются по твердому телу согласно принципу Сен-Венана, куда не достигает окислитель от линейного источника,образуя поле распространения напряжений. Если на монокристаллическом слое с обеих сторон напротив друг друга разместить два линейных источншса , то генерируемые напряжения от этих источников будут складываться. Максимальные механические напряжения в связи с этим возникают около линейного источника.'

Рычагообразное действие возмущенных слоев монокристаллического кремния, получившееся из-за разделения образующимся оксидом кремния, вызывает растягивающее механическое напряжение в монокристаллическом кремнии в направлении между линейными источниками окисления. Оно, в зависимости от величины, создает гетерирующие

дефекты кристаллической решетки, что увеличивает диффузию окислителя в этом месте и скорость роста оксида.

Различие термических коэффициентов расширения кремния и оксида при повышенной температуре (1200°С) вызывает растягивающее напряжение в оксиде кремния. Коэффициент диффузии кислорода через такой слой растет. Наоборот, в примыкающих к оксиду местах монок-ристалдического кремния возникает сжимающее напряжение, уменьшающее диффузию кислорода в кремний в боковом направлении, что замедляет образование оксида и приводит к соответствию толщин исходного диэлектрикообразующего материала и образующегося оксида.

Установлено, что значительное увеличение уровня напряжений до 3-10 Н/см .достаточное для аномального анизотропного роста оксида, наступает при сближении источников до 3 и менее мкм. В дальнейшем при протекании процесса роста эти напряжения релакси-руют до постоянной величины 10 Н/сме.

За время такого изменения механических напряжений происходит окисление монокристаллического кремния в области между линейными источниками. Причем максимальная толщина окисленного слон практически равна размеру линейного источника. При размере моно-кристадлического кремния между линейными источниками более 3 мкм такое окисление не наступает даже за десятки часов, а сам окисленный сдой имеет ширину больше линейного размера источника в 0.8 размера монокристаллического кремния. Как видим при таких условиях не происходит аномальный анизотропный рост оксида.

Из сказанного следует, что кинетика роста оксида кремния контролируется взаимным влиянием упругих напряжений от соседних областей, которые играют основополагающую роль в формировании диэлектрического слоя.

Таким образом осуществление диффузии кислорода с обеих сторон монокристаллического слоя, увеличивает приток атомов на границу раздела 31-Б10г и скорость образования оксида.

Изучая изменения механических напряжений и рост слоя оксида кремния между линейными источниками со временем окисления можно сказать, что схождение границ раздела 51-510 г между линейными источниками и тем самым получение микроструктуры "монокристаллический кремний-оксид кремния-монокристаллический кремний" происходит ва время роста напряжений до своего максимального значения. Получение же пленарной границы 51-510г наступает после релаксации ме-

химических напряжений.

Оксиды стекла являются поставщиками кислорода для окисления поверхности монокристэллнческого кремния, а его локальное размещение на поверхности дает линейный источник кислорода для его диффузии в кремний.Исследования и практические результаты показали, что процессы образования вышеуказанной многослойной структуры с линейным источником из стекла аналогичны процессам с кислородным линейным источником.

Таким образом, впервые получена возможность получить многослойную микроструктуру "монокристаллический кремний-стекло-монокристаллический кремний" .

Теоретически обосновано и экспериментально установлено существование в процессе, из-за упругих деформаций, эффекта активизирующего окисление монокристаллического кремния при уменьшенном температурном воздействии, что позволило получить размер лишь до 3 мкм структуры "монокристаллический кремний-диэлектрик-монокристаллический кремний".

Создан новый метод формирования линейного источника диэлект-рикообразующей примеси для получения микроструктуры, обеспечивающий необходимую концентрацию примеси на поверхности и криволиней-ность границы раздела 31-310г с начала процесса ее получения. Он позволил формировать множество таких микроструктур на подложке в едином групповом процессе.

Построена модель роста диэлектрического слоя в монокристаллическом кремнии , описывающая формирование линейного источника и процессы происходящие при таком росте, т.е. при существовании локализованных упругих деформаций.

В четвертой главе предложены результаты создания такой же многослойной микроструктуры на основе процесса эпитаксии.

Ввиду того, что структуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник", полученные за счет проявления эффекта из-за упругих де -формаций на микрообластях монокристаллического кремния имеют мик-роразмерн.то получить на таких микроструктурах интегральные схемы ми даже их отдельные элементы не представляется возможным. Исследован еще один метод на основе процесса эпитаксиального роста монокристаллического слоя на гетерогенной поверхности,представляющей собой область кристаллической и аморфной фазы.Обнаружено, что при определенном размере этих областей, т.е. затравочного

микрокристалла и аморфного диэлектрического слоя рост эпитак-сиального слоя отличается от классической латеральной эпитаксии на гомогенной кристаллической поверхности.

Согласно представлениям о газофазном процессе Тамирова и ПветкоЕа рост слоя идет на поверхности, имеющей большую концентрацию критических зародышей и пересыщение ее адсорбированными атомами более критического.

Согласно теории послойного роста, основоположниками которой являются Коссель, Странский и Фольмер, в качестве критического вародша может выступать излом ступеньки, атом, попадающий на поверхность растущего кристалла, наиболее прочно связывается в изломе ступеньки, так как в этой позиции связи атома образуются с большим числом ближайших соседей.Известно, что концентрация изломов на боковой поверхности затравочного микрокристалла,т.е. на несингулярной поверхности, значительно больше концентрации на его сингулярной поверхности.Это увеличивает длину свободного пробега адсорбированных атомов кремния с газовой среды на сингулярной поверхности кремния и аморфного диэлектрического слоя и уменьшает вероятность образования монокристаялического кремния.

Установлена зависимость длины свободного пробега атомов кремния над поверхностью аморфного диэлектрического материала от его плотности.

До определенного размера монокристаллической и аморфной фазы рост епитаксиального слоя над ними не происходит.

За счет уменьшения размера затравочного микрокристалла и диэлектрического слоя до величины длины свободного пробега атомов кремния над их сингулярными поверхностями при стандартных режимах епитаксии .т.е. меньше 3 мкы и скачкообразного увеличения концентрации кристаллических зародышей на боковой поверхности обнаруживается явление стягивания с сингулярных поверхностей атомов к боковой поверхности и встраивания их в кристаллическую решетку на изломах ступенек. Все это уменьшает пересыщение этих поверхностей атомами кремния до уровня менее критического и не вызывает на них роста слоя кремния. Присоединение атомов кремния на боковой поверхности приводит к продолжению ростовых ступенек вызывает быстрый эпитаксиальный рост монокристаллического слоя кремния в"боковом направлении затравочного микрокристалла над поверхностью аморфного диэлектрического слоя, который после перекрытия аморф-

ного диэлектрического слоя переходит в стадии ношалыюго класси ческого роста его толщины.

Выполнен теоретический анализ процесса эпитаксиалыюго роста, построенный на изучении потока атомов кремния в гетерогенной газовой системе, использующий уравнение молекулярно-кинетической теории газов , с учетом длины свободного пробега соизмеримой с размером затравочного микрокристалла и аморфного диэлектрического слоя.

Величина парциального давления в этом случае в областях сингулярной поверхности затравочного микрокристалла, аморфной поверхности диэлектрического слоя и боковой поверхности затравочного микрокристалла устанавливается разная. Градиенты давления вызывают неоднородность роста монокристаллического слоя на этих поверхностях, что приводит в единой термодинамической системе к их 'выравниванию и установлению равновесия , соответствующего нормальному классическому эпитаксияльному росту монокристаллического кремния над гомогенной поверхностью.

Экспериментальные данные подтверждают, что при вышеуказанном условии первоначальный рост слоя кремния идет только в области боковой поверхности затравочного микрокристалла. Размер затравочного микрокристалла и аморфного диэлектрического материала создают различные условия протекания эпитаксии в приповерхностных слоях гетерогенной поверхности при одинаковых режимных условиях в газовой фазе.

Естественно, происходящие явления формируют морфологию поверхности. Изменение картины непланарности поверхности после проведения эпитаксаиального наращивания,названной микрошероховатостью отражает экспериментально установленная 'закономерность

Ь = И,- [ Б'Ю"" К (с1, - ё)]°'5 где - максимальное значение шероховатости.

Величина микрошероховатости подчиняется установленной эмпирической закономерности, которая учитывает соотношение линейных размеров кремния и диэлектрического слоя К , а также свойства последнего. Увеличение плотности диэлектрического слоя приводит к увеличению микрошероховатости Ь , а изменение линейного размера его на поверхности существенно сказывается на величине микрошероховатости лишь при малой плотности.

Экспериментальные исследования и установленная закономер-

ность роста эпитаксиального слоя при определенных размерах фаз гетерогенной поверхности с сосредоточенными параметрами приводит к раздвоению процесса эпитаксии, т.е.проявлению анизотропии эпи -таксиального роста. Незначительные изменения микрошероховатости монокристаллического слоя с толщиной еще раз подтверждает, что в газофазовой системе с гетерогенной поверхностью рост монокристаллического слоя не имеет классического характера эпитаксии и проходит в две стадии - первоначально быстрый боковой рост от затравочного микрокристалла, т.е. на аморфны;; . областях исходной гетерогенной поверхности до их заращнвания.а потом вступает в стадию нормального роста его толщины. Установлено, что размерное явление вызывающее анизотропию эпитаксии при стандартных режимах эпитаксиального. роста . наступает при линейном размере поверхностей не превышающем 1,5 мкм, что обуславливает процесс ускоренного эпитаксиального роста монокристаллнческого кремния для создания пла-нарных структур при локализованном изменении энергетического состояния .

В пятой главе на базе двух предыдущих методов создан метод, позволяющий увеличить размер многослойной микроструктуры. Локализация процессов окисления и эпитаксии, проявление в технологическом процессе вышеуказшншх эффектов только на исходно малых микрообластях не позволяет' поотдельности создать сплошную структуру " монокристаллический кремний - аморфный диэлектрический материал-монокристаллический кремний" с размерами достаточными для построения элементов интегральной схемы.

Теоретическое и экспериментальное исследование методов создания структуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник" в микрообласти легли в основу разработки методов создания такой же сплошной многослойной структуры по подложке, пригодной для разработки архитектуры трехмерных интегральных схем.

В работе проведено исследование по созданию системы, где было бы объединение двух исходных микроструктур для формирования многослойной структуры , позволивших одновременно проявиться двум установленным эффектам , причем слои микроструктуры, полученные аа счет действия одного из обнаруженных эффектов явились бы продолжением аналогичных слоев микроструктуры, нодученной за счет другого эфрэкта.

Установлено, что формирование многослойной структуры оОгеди-

нением исходных микроструктур эпитаксиальным наращиванием приводит к соединению слоев материалов одинакового фазового состояния. Ведение эпитаксиального процесса на подложке с такой гетерогенной непланарной поверхностью, представляющей собой регулярно чередующиеся кристаллические и аморфные области увеличвает размер структуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник". Установлено, что при таком построении гетерогенной поверхности размер разнофазових областей можно увеличить в два раза. На основе механизмов синтеза диэлектрического слоя в монокристаллическом кремнии и кристаллизации кремния на аморфной поверхности в хло-ридной системе построена модель процесса и разработаны методы создания сплошной по подлодке многослойной структуры. Исследованиями установлено, что в этих методах в качестве линейного источника на поверхности микрообласти монокристаллического кремния и аморфной поверхности могут выступать островки имплантированного кислородом монокристаллического кремния подложки или стекло, размещенное в канавках. Не имплантированные же участки подложки и участки без размещения стекла представляют собой монокрис -таллические микробласти кремния и служат затравочными микрокристаллами.

Установлено, что превращение имплантированного кремнии в оксид Не изменяет при этом процесса бокового роста кремния, также как и изменение состава стекла, при его проникновении в затравочный микрокристалл.

Выявленный эффект вызывающий анизотропию эпитаксии дал возможность получить монокристаллический, а не поликристаллический кремний над скрытым слоем из порошка кремния,' выступающего в вышеуказанных методах в качестве материала для формирования диэлектрического слоя. Скрытый слой получен также на высоколегированном п- или р-типа проводимости кремнии в виде порошка и может служить в качестве токопроводника, соединяющего монокристаллические слои в многослойной структуре.

Исследованные микропорошки с минимальным размером частиц до 0,1 мкм не являются зародышами для роста кремния на гетерогенной поверхности.

Росх» эпитаксиального слоя над гетерогенной поверхностью отличается от роста над гомогенной поверхностью. Он связан со свойствами аморфного материала гетерогенной поверхности.

Естественно, что всякий рост слоя материала может вызвать или вызывает изменение морфологии поверхности.

Физические явления, происходящие в процессе эпитаксии при формировании структуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник" в гетерогенной системе с распределенными параметрами порождают рост верхнего монокристаллического слоя структуры,отличающейся от классического роста на гомогенной поверхности монокристаллической подложки.

Такая разница в росте, впервые обнаруженная, приводила к провалу поверхности монокристаллического слоя в области получаемой структуры . Это создает на подложке определенную макрошероховатость 1 .

Исследованиями впервые установлена эмпирическая закономерность изменения такой шероховатости:

1 - К • (<1, - <ш0'5

Установлено, что монокристаллический слой структуры,сформи -ровашшй за счет проявления установленных в технологическом про -цессе эффектов, имел низкую дефектность, около 10 см ,

Эта незначительная дефектность вызвана только лишь размером и плотностью аморфного диэлектрического матери -ала. Увеличение этого размера свыше 3 мкм вызывает резкое увеличение дефектности эпитаксиального слоя, что приводит к непригодности'его для изготовления интегральных схем.

Возникающая микрошероховатость поверхности монокристаллического слоя во впадине,т.е.в верхнем монокристаллическом слое стру- . ктуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник", имеет различную форму и связана с формой затравочного микрокристалла. Если затравочные микрокристаллы представляют собой микрообласти в виде квадрата, то микрошероховатости имеют форму полумесяца. Когда затравочные микрокрнсталлы представляют собой полоски, то форма микрошероховатости также имеет форму полоски.

Удельное.сопротивление верхнего монокристаллического слоя в многослойной структуре не меняется с толщиной до границы раздела а диэлектрическим слоем и соответствует удельному сопротивлению Выращенного монокристаллического слоя на подложке с гомогенной поверхностью.

Границы изменения удельного сопротивления еще раз подтверди-

ли практическое соответствие' толщин диэлектрического слоя в сформированной структуре и исходного материала для его формирования между затравочными ыикрокристаллами , а тагае явление бокового роста диэлектрического и эпитаксиалышго слоев в системе с гетерогенной поверхностью.

Выращенный на диэлектрическом слое эпитаксиашшй слой имеет монокристаллическую структуру, на что указывает положение и вид дифракционных линий на рентгенограмме кремния.

Вольт-амперные характеристики, снятые в широком диапазоне приложенных напряжений к многослойной структуре при комнатной температуре имеют омический характер и симметричный вид по отношению к полярности.

В структурах с ионным внедрением кислорода увеличение напряжения свыше 10 В вызывало деструкцию диэлектрического слоя.

Для многослойных структур со стеклом или термически выра -ценным оксидом кремния разрушение диэлектрического слоя наступает лишь при напряжениях равных соответственно 85 и 110 В.

Шестая глава, построенная на базе исследований проведенных в работе, поссвящена новому методу создания пленарных структур с диэлектрической изоляцией по периметру монокристаллических об -ластей, которые могут использоваться для создания интегральных схем, а также для построения трехмерных интегральных схем.

Получение полной диэлектрической изоляции элементов осуществлено за счет создания диэлектрических слоев в монокристаллической кремниевой подложке в боковом и нормальном направлении, и основывается на методах описанных в в предыдущих главах работы.

Анализ исследований показывает, что диэлектрические слои, выходящие на поверхность, не имеют "холмиков" и "птичьего клюва", что позволяет улучшить планарносгь поверхности. Размер формируемого оксида практически соответствует размеру исходной канавки, что позволяет улучшить планарносгь поверхности, повысить плотность упаковки элементов интегральной схемы.

Исследовано и проведено сравнение характеристик технологических процессов изоляции элементов в боковом направлении по разработанному и изопланарному методу. Разработанный метод позволил уменьшить количество технологических операций. Площадь элемента с боковым диэлектрическим слоем уменьшилась в 1,2-1,5 раза. Плотность тока утечки между полностью изолированными монокристалли-

а

ческими областями под элементы уменьшилась -до 1200 нА/см , уде -■

з 2

льная емкость составила 3-10 пФ/см , температурные воздействия уменьшились в 2-3 раза.

Разработка позволила создать высокопроизводительные процессы формирования в объеме монокристаллической подложки области для элементов интегральной схемы с полной диэлектрической изоляцией при уменьшенных температурных воздействиях.

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа известных процессов создания структур "кремний-на-изоляторе" показаны перспективы локальной эпитаксии кремния й определены проблемы получения сплошных по подложке, качественных многослойных структур такого типа.

Для решения задачи необходимы следующие условия:

- наличие сильной анизотропии коэффициента диффузии диэлект-рикообразующей примеси в монокристаллический кремний, что вызывает направленный ускоренный рост в нем диэлектрического слоя;

- локальное пересыщениея атомами кремния приповерхностного слоя гетерогенной поверхности подложки, что вызывает постадийное, локальное, ускоренно-направленное эпитаксиальное наращивание кремния на подложке. -

2. В результате комплексного исследования процессов эпитак-сиального наращивания в гетерогенной системе разработаны физико-технологические основы формирования "кремний-на-изолято-ре"-структур, базирующиеся на методах упорядоченного встраивания микрослоев на гетерогенной поверхности подложки. Установлено, что физические процессы, происходящие при зпитаксиальном наращивании на гетерогенной поверхности, представляющей собой регулярно чередующиеся Фазовые участки микронных размеров, не соответствуют классическим закономерностям таких же процессов на гомогенной поверхности. Такое несоответствие вызвано тем, что на каждой микрочасти поверхности из-за изменения локального энергетического .состояния системы можно задавать определенные условия проведения процессов.

3. В процессе окисления порошка кремния, размещенного в канавках монокристаллического кремния, происходит образование океи-

да на его частицах и стенках канавки, сращивание окисляемых части ц между собой и стенками канавки и получение при заполнении растущим оксидом пор в пороршке беспористого (плотного) оксида кремния .Показано,что плотный оксид кремния, удовлетворяющий требованиям изоляции элементов интегральных схем, формируется при окислении порошка креминия в канавке с насыпной плотностью 2,0 - 2.2 г/см3.

Изучены закономерности окисления кремниевого порошка в локальных участках монокристаллической кремниевой подложки,установлена возможность формирования этим методом диэлектрического слоя в нормальном к поверхности подложки направлении и определены оптимальные режимы техпроцесса.

Установлены закономерности окисления порошкообразного кремния: - время превращения порошка кремния в плотный оксид определяется в основном размерами частиц, влияние временно-температурных режимов процесса и толщины незначительно, скорость реакции-определяющий фактор;

- значительное снижение внутренних механических напряжений (в два раза) в монокристаллическсм кремнии, содержащем области окисленного порошка, по сравнению с подложкой, имеющей те же области, полученные на основе окисления монокристалла.

4. Установлено, что процесс локального окисления областей монокристаллического кремния малого размера в условиях упругих деформаций не подчиняются классическим закономерностям.-описанным Гроувом и Дилом из-за проявления упругих деформаций в системе, вызывающих изменение диффузии кислорода в зону реакции.

В таких условиях 'проведения технологического процесса указанный эффект вызван локальным увеличением объема окисляемого монокристаллического кремния от линейного источника и разницей коэффициента линейного расширения кремния и оксида кремния. Определен микроразмер (не превышающий 3 мкм) области монокристаллического кремния,при котором возбуждается вышеуказанный эффект. Он обусловлен возникновением в локальных окисляемых областях, особенно при встречном развитии процесса от линейных источников, больших механических напряжений, что приводит к появлению дефектов в монокристаллическом кремнии, вызывающих анизотропию и увеличение диффузии диэлектрикооСразующей примеси, из-за чего в зависимости от материала диффузанта приблизительно на два порядка уско-

ряется боковой рост оксида.

Установлено, что линейные источники диэлектрикообразующе примеси, противоположноразмещенные на микрообласти монокристаллического кремния,позволяют также получить ширину полосы сквозного аморфного диэлектрического слоя, образующегося в микрообласти, соответствующую их размеру. Установление этого факта позволило впервые получить микроструктуру "полупроводник-диэлектрик-полупроводник с оксидными стеклами, имеющими температуру плавления ниже температуры эпитаксиапьного наращивания.

На основании полученных закономерностей построена феноме-иологичная модель роста, позволяющая создать микроструктуру "монокристаллический кремний- аморфный диэлектрик- монокристаллический кремний" за счет локального роста аморфного диэлектрического слоя в монокристаллическую область, а не роста монокристаллического кремниевого слоя на аморфном диэлектрическом слое.

5. Установлено, что в процессе газофазной эпитаксии в условиях, когда размеры затравочных микрокристаллов и аморфных фаз на гетерогенной поверхности подложки соизмеримы с длиной свободного пробега адсорбированных .атомов, не наблюдается роста слоя кремния на поверхности монокристалла описанного по Косселю.С'тра-нскому и Фольмеру.В такой гетерогенной системе существует локальное пересыщение атомами кремния меньше критического, что не соответствует условию роста слоя на поверхности монокристалла, так. как согласно представлениям Тамирова и Цветкова, на ней не могут существовать критические зародыши.

Пересыщение больше критического возникает на боковой грани затравочного микрокристалла, имеющей увеличенную концентрацию изломов ростовых ступенек, являющихся наиболее благоприятным местом для встраивания атомов в кристаллическую решетку. Такое энергетическое состояние гетерогенной системы инициирует размерное явле ние, вызывающее анизотропию эиитакии.

Установлено, что в силу этих причин,при линейных размерах затравочного микрокристалла ■ 3,0 мкм , областью наиболее интенсивного присоединения адсорбированных атомов кремния на гетерогенной поверхности является его боковая грань, что вызывает быстрый рост затравки в параллельном поверхности подложки направлении. Скорость такого роста в 10 - 250 раз превышаег обычную..

Возникающий таким образом эффект приводит к существованию двух последовательных стадий роста эпитаксиального слоя кремния, параллельно и нормально к поверхности подложки, что позволяет снизить микрошероховатость поверхности верхнего эпитаксиального слоя в структуре "монокристаллический кремний-аморфный диэлектрический слой-монокристаллическая кремниевая подложка", но приводит к локальной макрошероховатости по всей площади монокристаллической кремниевой подложки с присутствующими на ней вышеуказанными структурами.

В результате обобщения экспериментальных данных найдены аналитические выражения для прогнозирования характера кристаллизации и степени планарностн монокристаллического слоя при такой эпитак-сии, учитывающие топологию исходной гетерогенной поверхности, а также степень занятости и свойства аморфного диэлектрического материала на исходной подложке.

Результатом теоретических и экспериментальных исследований процесса эпитаксии на'гетерогенной непланарной поверхности подложки стало создание пленарной структуры "монокристаллическнй кремний-аморфный дизлектрик-монокристаллический кремний" с совершенными монокристаллическими слоями,поскольку рост эпитаксиального слоя в первой стадии эпитаксии, т.е. при проявлении размерного эффекта, идет от затравочных микрокристаллов в параллельном поверхности подложки направлении на малом расстоянии между ними.

0. На основе термодинамического анализа,учитывающего механизм зародыиеобразования, избирательную адсорбцию, особенности газофазной эпитаксии, природу, сплошность и регулярность участка аморфного диэлектрика разработана феноменологическая модель формирования на кремниевой подложке с гетерогенной многофазной поверхностью структуры "полупроводник-диэлектрик-полупроводник", отражающая установленную динамику процессов в хлоридной системе. В качестве затравок могут выступать островки исходной кремниевой подложки с линейными размерами не более 3 мкм, имеющие вид точек или полосок, промежутки между которыми заполнены материалом для формирования диэлектрика.

?. Разработаны физико-технологические основы процессов эпитаксии кремния на гетерогенных поверхностях, позволившие предложить новые условия формирования структур с локальными диэлектри-

ческими областями в монокристаллическом кремнии. Они позволяют создать сплошную по подложке многослойную структуру за счет упорядоченного встраивания аморфных диэлектрических и совершенных кристаллических слоев с дефектностью не выше 103см£ в стандартных базовых условиях. Эти методы расширяют гамму материалов скрытого слоя и являются основой создания трехмерных интегральных схем.

8. Разработанные физико-технологические методы получения

многослойных структур в монокристаллической кремниевой подложке,

расположенных параллельно и нормально к ее поверхности в процессе

эпитаксиального роста, позволяют в комплексе создать изоляцию

диэлектриком элементов по их периметру. Основные электрические

параметры: утечка тока изоляции 1200 нА/см , удельная емкость 2 9.

3 40 пФ/см , уменьшение влияния температурных воздействий на кремниевую структуру в 2 - 3 раза, увеличение плотности упаковки элементов в 1,2 - 1,5 раза. Предложена технология получения полной диэлектрической изоляции элементов для интегральных схем.

В результате проведенных исследований и на основании установленных закономерностей разработана технология получения полной диэлектрической изоляции элементов интегральных схем

Основные результаты работы опубликованы в следукшх работах:

1. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Формирование пленок нитрида кремния с использованием катализаторов.//Специальная техника средств связи. Сер. TII0.-1980.-Вып. 1. -С. 173-185.

2. A.c. 096895 СССР.М. Кл. H01L 21/72 . Способ создания межкомпонентной изоляции интегральных микросхем /Ю.Л.Родионов , И.Ф. Мучак, Н.П. Голинский,Л.С.Игнатенко,Б.И.Вальков, В. Ф.Данилов, А.В.Ткач. - 2487296/18 - 25 : Заявл.10.05.77.

3. Мучак И.Ф., Ковалевский A.A. Свойства пленок оксида кремния, полученных окислением мелкодисперсного порошка кремния // Сб. Проблемы применения методов повышения эффективности производства и автоматизации научных исследований. - Минск: 1981. ч.

2. - С. 23-24.

4. A.c.677595 СССР.М.Кл. H01L 21/265. Способ создания межкомпонентной изролящш /Ю. А. Родимонов, И.Ф. Мучак,А.С. Игнатенко, Н.П. Голинский,B.C.Вальков. - 2491085/18-25 : Заявл. 27.06.77.

5. Мучак И.Ф., Ковалевский A.A. Окисленный мкелкодисперсний порошок кремния- перспективный диэлектрический материал для межкомпонентной изоляции микроэлектронной аппаратуры //Техника средств связи. Сер. МА. 1982. Bun. 1. -С. 76-81.

6. A.c. 695456 СССР. М. Кл. H01L 21/31 Способ изготовления межкомпоиентой изоляции интегральных схем /В.А. Лайунов, А.С.Игнатенко, И.Ф. Мучак, Ю.А. Родионов, Б.С. Вальков, Н.П.Голинский.-2553586/18-25: Заявл. 12.12.77.

7. Мучак И.Ф. Исследование процессов обработки оютсных пленок на основе мелкодисперсного порошка кремния // Сб. Взаимодействие атомных частиц с твердым телом.- Минск: 1982.ч.З.-С.158-160.

8. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Разложение моногидридов крешшя и германия с использованием платнно-ренневой шпинели в качестве катализатора // Техника средств связи. Сер.МА.- 1982. -Bun. 1. -С. 82-88.

9. A.c. 686553 СССР. М.Кл. H01L 21/31. Способ изготовления межкомпонентной изоляции интегральных схем /Мучак И.Ф. -2620092/ 18-25: Заявл. 24.05.78.

10. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Исследование процесса травления пленок нитрида кремния в ортофосфорной кислоте //Техника средств связи. Сер. ТПО.- 1982.- Вып. 3. -С. 126-129.

11. Драгун A.M., Мучак И.Ф., Мучак Г.И. Стимулированное получение диэлектрика между слоями материала // Сб. Микроэлектроника в медицине, автомобиле- и тракторостроении, системах и устройствах охраны, наземного и (сабельного телевидения, космической и оптоволоконной связи,- Минск: 1994.,-С. 18.

12. Получение диффузионных и диэлектрических слоев интегральных схем / И.Ф.Мучак, В.Ф.Данилов, В.С.Пуаиревский, Г.И.Мучак . Под ред. В.И.Рёутского.- Минск: МУЦ. 1S93. 83 с.

13. Мучак И.Ф., рс-утский В.И.,Мучак Г.И. исследование процессов создания многослойных струкутур // Сб. Микроэлектроника в медицине, автомобиле- и .тракторостроении, системах и устройствах охраны, наземного и ¡сабельного телевидения, космической и оптоволоконной С11ЙС.И, - Минск: 1904. -С. 9-10.

14. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Кинетика осаждения и свойства тонких полукристаллических пленок кремния, полученных восстановлением дихлорсилана //Техника средств связи. Сер.ТОО.- 1932. -Вып. 3. -С. 44-49.

15. Мучак К.<2., Ковалевский A.A. Формирование пленок в процессе окисления поликристачлического кремния // Электронная техника. Сер. Материалы.- 1983,- Вып. 1. -С. 34-37.

16. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Влияние высокотемпературной обработки в парах воды на свойства пленок нитрида кремния //Техника средств связи. Сер. ТПО.- 1984.- Вып. 1. -С. 76-82.

17. Мучак И.Ф., Ковалевский A.A. Создание изоляции для микро-алектронных приборов // Техника средств свяви. Сер.ТГО.-1084. -Вып.1. -С. Q3-88.

18. Ермоленко H.H., Мучак И.Ф. Синтез диэлектрического материала из оксида кремния для изоляции полупроводниковых приборов // Сб. Перспективы развития техники радиовещательного приема и акустики.- Ленинград: 1983. -С. 153.

19. Реутский В.И., Мучак И.Ф., Мучак Г.И. Исследование процессов анизотропного эпитаксиального роста ионокристаллического кремния //Сб.. Направления .и перспективы развития микроэлектронной здемнтной базы , электронных блоков и узлов, устройств ин-дшсации и считывания для приборостроения, аудио- и видеотехники, систем связи и информатики.- Минск: 1994. -С. 15-16.

20. Ермоленко H.H., Мучак И.Ф. Некоторые общие закономерности синтеза диэлектрических пленок иэ оксида кремния для изоляции полупроводниковых приборов //Приборостроение.-1984.-Вып.6.-С.76-78.

21. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Разложение моносилача в га-еоаой фазе с использованием катализатора Со Fe Pt Ni на поликмид-ном носителе // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника.-1933. -Вып. 4. -С. 60-65.

22. A.c. 898524 СССР. М. Кл. H01L 4/00. Тонкопленочный конденсатор / И.Ф. Мучак, В.А. Голосов, А.М. Галунов,М.Г. Гальперин, А ЛЬ Клнмксвич,В.В. Храмцов -Опубл. 1982. Вып. 2.

23. Мучак И.Ф. Кинетика осаждения и свойства пленок двуокиси титана, полученных по реакция окисления тетрахлорида титана активированной перекисью водорода // МРС ТТЭ. Сер. ЭР. -1933. -N 20. Доп.ГОШ N 3 -7100.

24. А. с. 722443 СССР. М. Кл. HQ1L 21/31. Способ изготовления

тонкопленочных токопроводников /A.M.Галунов, В.А.Голосов, И.О. Мучак, A.C. Игнатенко, Ю.А.Родионов.В.В.Храмцов.- 268378Б/18-26: За-явл. 10.11.78.

25. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Процесс формирования пленок диоксида кремния в системе дихлорсилан-вода // Прикладная химия. -198Б.- ВЫП.2. -С. 333-340.

26. Мучак И.Ф. Исследование процесса травления пленок нитрида кремния в ортофосфорной кислоте //MPC ТТЭ.Сер. ЭР.- 1983.- N 23. Дсп. ВИМИ N 3-7181.

27. Мучак И.Ф. Синтез диэлектрического материала иа оксида кремния для изоляции полупроводниковых приборов // Сб. Пути совершенствования технологических процессов, материалов и оборудования в производстве современных изделий радиоэлектроники. -Минск: 1983. ч.1. -С. 55-Бб.

28. Влияние материала покрытия на переходное сопротивление контактной пары электрических соединений радиоэлектронной аппра-туры /Н.В.Домбровский, H.H.Ермоленко, И.Ф.Мучак, В.С.Шульпенкоэ. //Электронная техника. Сер. Микроэлектроника.- 198Ô.- Вып. 2.-С. 44-БО.

29. Мучак И.Ф. Технологический процесс изоляции полупроводниковых приборов на основе оксида кремния // Приборостроение. -1988. -Bun. 8. -С. 29-31.

30. Исследование легкоплавких композиционных материалов для встречноштырьковых конденсаторов /З.Ф.Манченко, И.А.Тихонов, С.Г. Котов, И.Ф.Мучак. // Приборостроение.- 1986.- Вып.8. -С.76-77.

31. A.c. 1375Б88 СССР. СОЗ С 3/14. Легкоплавкое стекло / H.H. Ермоленко, Н.Ф.Карпович, И.Ф.Мучак, С.Г.Котов, И.А.Тихонов,П.А.Ла-вринович . Заявлено 23.02.83.Опубл. 1987. Бюл. 7.

32. Особенности формирования проходных изоляторов в корпусах микросхем / И.Л. Раков, З.Н.Щадимо, А.П,Молочко, И.Ф.Мучак , Н.П.Соловей. //Приборостроение.- 1987.- Вып.9. -С. 86-87.

33. Карпович Е.Ф., Тихонов и.А., Мучак И.Ф. Электричеокиа свойства композиционного материала, синтезированного для вотрэч-ио-штырьковых конденсаторов //Приборостроение.-1988. Вып.Ш.-С, 54-Б6.

3-4. A.c. 1377263 СССР. М. Кл. СОЗ С 29/00. Способ ИВГОТОалв-ния металлостеклянных изделий /И.Л.Раков.И.Ф. Мучак, Н.П.Соло-аей ,А.П. Молочко . Заявлено 1987. Опубл. 29.02.88. Бюл. 8.

35. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Влияние уоловий осаждения на

величину прогиба монокристаллических пленок германия // Электронная техника*. Сер. ТОПО.-1989.-Вып. 2. -С. 8-10.

36. Максимов В.Г.,- Мучак И.Ф., Шахлевич Г.М. Под ред. Достан-KQ A.n. Покрытие в технологии РЭС /ЭС/. МРТИ. 1989. ч.1.- БЗ с.

37. A.c. 1Б317Б4 СССР. H01L £1/205. Способ изготовления изоляции интегральных микросхем /И.Ф. Мучак , А.П.Достанко.В.И. Крючков,В.И.Хитько,М.И.Пикуль,H.H.Ермоленко, И.Л.Раков, Г.И.Мучак. -438421/24-2Б: Заявл. 29.08.88. 1989.

38. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Интенсификация реакции разложения моногермана германия // Техника средств связи. Сер.МА. -1987. -Вып. 1-1. -С. 96-100.

39. Мучак И.Ф. Эффекты глубинного образования слоев в технологии СБИС // Пиборостроенив.- 1989.- Вып. 11. -С. 26-29.

40. Ковалевский A.A., Мучак И.Ф. Влияние материала затвора на пороговое напряжение КМДП СБИС //Техника средств связи. Сер. МА.-1687.-Вып. 1-2. -С. 91-96.

41. Выбор критерия оценки технологии и конструкции в проиэ -водстве интегральных схем, герметизируемых полимерными материалами /Н.Н.Ермоленко, И.Ф.Мучак. Е.А.Дубовик,К.А.Тихонов,Л.И.Мои-сеенко. //Приборостроение.- 1990.- Вып.12. -С. 6-9.

42. A.c. 1671082 СССР. H01L 21/76. Способ изготовления структур интегральных сх?м с диэлектрической изоляцией элементов /И.Ф.Мучак, А.П. Достанко, И.Л. Раков,H.H.Ермоленко,А.Л.Мучак,Заявл. 22.12.89.1990. '

43. Мучак И.Ф., Ермоленко H.H. Структуры кремний-на-изоляторе интегральных микросхем, формируемые с использованием центров кристаллизации // Приборостроение.- 1991.- Вып. 13. -С.32-35.

44. A.c. 1701072 СССР. М. H01L 21/286. Способ изготовления изоляции полупроводниковых интегральных схем /й.ф. Мучак .А.П.До-станко ,Д.И. Семеников, Н.Н.Ермоленко, Л.И.Мучак, В.Е.Борисов. -4340077/26: Заявл. 18.06.90.

46. Покрытия в технологии РЭС /ВС/ /В.В.Есженков, Б.Г. Максимов, И.Ф.Мучак, Г.М.Шахлевич. - Минск: МРТИ. 1992. ч. 2,- 52 с.

46. Достанко A.n., Мучак И.Ф. Скрытые слои - элементы трехмерных интегральных схем // Электронная промышленность.- 1992. -N 4. -С. 29-34.

47. Распеределение температур в кремниевых структурах при их обработке сканирующим электронным лучом /А.П.Достанко, Г.М.шахлевич, Ю.Ч.Гайдукевич, Г.В.Сущеня, И.Ф,Мучак . // Вести АНБ. Сер. ФНТ. -1993.- N 4. -С. 82-86.

•18. Реутсюш В.И., Мучак И.Ф., Мучак Г.И. Многослойная структура для трехмерных интегральных схем // СО. Направления и перспективы развития шкроэлектронной элементной баеы, электрон-низ бло(сов и узлов, устройств индикации и считывания для приборостроения, аудио- н видеотехники, систем связи и информатики. -Минск: 1994. - С.б.

49. Мучак Г.И., Мучак И.Ф. Исследование и разработка метода создании многослойной структуры на основе термически выращенного оксида кремния // Сб. Направления и перспективы развития микроэлектронной элементной базы, электронных блоков и узлов, устройств индикации и считывания для приборостроения, аудио- и видеотехники, систем связи и информатики. -Минск; 1094. -С. 31-32.

РЭВШЕ

Мучак 1ван П1л1пав1ч

Распрацоука канструктарска-тэхналаПчных метадау стварэння 1валяцы1 элементау 1нтэгральных схем

Клнчавыя слову: пам1дэлементная 1еаляцыя, лакальная воб -ласць, дыэлектрычш слой. Шкрапарашок крэмн!ю, крын1ца к1сларо-ду, эп1таюс1йнае нарошчванне. гетэрагенная паверхня, поуная 1эа-ляцьы .

Даследаваш прадасы фармавання 1гадяцы1 элемента-/ Шгэгра -яьных схем з иэтай распрацоук! канструктарска-тэхналаг1чных ас-ноу стварэння структур з лакальным1 абласцям! у мона-31 1 мета -дау 1х рэал1зады1 пры вытворчасц1 1С высокай ступен1 1нтэграцы1.

Прапанавана 1нтэнс1ф1каваць атрнманне дыэлектрьгчнага слою у ыона-31 за кошт акЮлення м1крапарашку крэмн1ю Ц1 м1кравобласцей крзмн1евай падлодк1 ад л1нейнай крын1цы кЮлароду. Вывучана Ф1з1-ка гэгах праоэсау 1 даюцца прапановы па 1х выкарыстанню пры стварэнн! 1заляцы1 элементау 1С.

У вын1ку комплегеснага даследавання працэсау эп1такс1йнага нарошчвання. на гетэрагеннай паверхн1 з чаргаваннем абласцей мона-крышталевавай 1 аморфнай фаз распрацаваны ф1з!ка-тэхналаг1чныя асновы фармавання структур "крэмн1й-на-1залятары" з якасным мо-накрьшталевым слоем. Высветлены адрозненн1 такога росту ад працэсау на гомагеннай паверхн1.

Распрацаваны метады атрымання суцзльнай па падлозшы структуры "крэмн1й-на-1залятары", для якой у якзсц! схаванага дыэлектрычнага слою могуць выступаць тэрм1чна апрацаваныя вобласц1, у як1я 1мплантаваны к1сларод , шкло ц! вырашчаны тэрм1чна Э10г .

Распрацаваныя метады стварэння м1жэлементнай 1заляци1 1 структур "крэмн1й-на-1залятары" дазвол1л1 атрымаць поуную дыэлек-трычную 1заляцыю абласцей монакрышталевата крэмн1ю 1-могуць еду -жыць матэрыялазнаучай асновай стварэння трохпамерных 1С.

аз

РЕЗЮМЕ

(,*учак Иван Филиппович

Разработка конструкторско-технологических методов создания изоляции элементов интегральных схем

Ключевые слова: нежэлементная изоляция, локальная область, диэлектрический слой, микропорошок кремния, источник кислорода, эпитассиальное наращивание, гетерогеннач поверхность, полная изоляция.

Исследованы процессы формирования изоляции элементов интегральных схем с целью разработки конструкторско-технологических основ "создания структур с локальными диэлектрическими областями а моно-Б! для производства ИС большой степени интеграции.

Предложено интенсифицировать получение диэлектрического слоя в ысно-31 за счет окисления микропорошка кремния или мик -рообластей кремниевой подложки от линейного источника кислорода. Изучена физика этих процессов и даются предложения по их нс-польБовашоо для изоляции элементов ИС.

В результате комплексного исследования процессов эпитаксиа-лыюго наращивания на гетерогенной поверхности с чередующимися областям!! монокристаллической и аморфной фаз разработаны физико-технологические основы формирования структур "кремний-на-иаолп -торе" с качественным монокристаллическим слоем. Выяснены отличия такого роста от процессов на гомогенной поверхности.

Разработаны методы получения сплошной по подложке структуры "кремшш-на-изолятсре", в которой в-качестве скрытого диэлектрического слоя могут служить термически обработанные области ин -планированные кислородом , стекло или термически выращенный

Разработанные методы создания межэлементной изоляции и структур "кремний-на-изоляторе" позволили получить полную диэ -лбктрическую изоляцию областей монокристалдического кремния и могут служить материалсведческой основой создания трехмерных ИС.

ABSTRACT

Muchak Ivan Phillppovich

The development of the construction-technological production methods of the Integrated circuit elements isolation

Key words: lnterelements Isolation, local region, dlelect. -rlc layer, silicon mlcropowder, oxygen sources, epitaxial grows, heterogenous surfacc, complete isolation.

The isolation formation processes of IS elements have been Investigated in order to develop the consructlon-technologocal principles of local dlelectrlcal field structure design in sing le-crystal Si for LSIC production.

It Is proposed to raise the rate of dielectric layer formation In single-crystal Si as a result of Si micropovfder or Si substrate microfield oxidation from an oxygen linear source.Physics of these processes has been investigated and proposals in terns of their application for IC element isolation are made.

As a result of complex exemination of epitaxial growing processes on the geterogenous surface with single-crystal and amorphous phase alternating fields the geterogenous surface with single-crystal and amorphous phase alternating fields the pliy-sicotechnologlcal principles, of "silicon-on-isolator" (SOI) structure with a hlghguallty single-crystal layer formation have been developed. The distinctions between this glowing and the processes on the homogenous surf act have been ascertained.

We have designed the production methods of a continuous-over-substrate "silicon-on-isolator" structure, In which oxigen implanted thermaly processed fields, glass or thermaly grown SlOg can act as a buried dielectric layer.

The developed methods of Interelement isolation and "slli-con-on-isolator" structure production allowed to create complete dielectric isolation of single-crystal Si fields and can be a . basic material for 3-d IC production.