Фізико-технологічні особливості формування субмікронних структур великих інтегральних схем

АНОТАЦІЯ

Новосядлий С.П. Фізико-технологічні особливості формування субмікронних структур великих інтегральних схем.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національна академія наук України та Міністерство освіти і науки України, Інститут термоелектрики. Чернівці, 2003.

В дисертації представлені результати досліджень технологічних процесів та приладних структур великих інтегральних схем і на їх основі розроблені основні базові принципи високоефективної субмікронної технології високого рівня: модульність технологічних чистих зон з іонізацією ламінарних повітряних потоків для забезпечення високої чистоти з нейтралізацією електростатичних зарядів і індивідуальною обробкою Si-пластин; автоматизоване проектування бездефектної топології кристалів ВІС засобами САПР на основі комп'ютерних технологій з використанням математичного моделювання, верифікації, генерації тестової послідовності і контролем проектних норм конструкторсько-технологічних обмежень (КТО) приладних структур; низький рівень дефектоутворення при формуванні функціональних шарів структур кристалів з використанням гетерної технології і низькотемпературних процесів нанесення плівок; електрофізичне комп'ютерне діагностування для прогнозування надійності кристалів ВІС за рівнем нелінійності характеристик приладних структур і дисперсії електрофізичних параметрів тестових структур (ТС), сформованих згідно технологічного маршруту виготовлення кристалів ВІС; корозійну стійкість металізації і багаторівневої розводки топології структур, радіаційну стійкість затворної системи і міжфазної межі розділу Si-SiO₂; прецизійність процесів багатозарядної імплантації, проекційної літографії і плазмохімічного травлення з використанням висококонтрастного фоторезисту; конформність низькотемпературних процесів осадження функціональних шарів та їх анізотропність травлення при формуванні приладних структур; аналітичність фізико-хімічного кількісного та якісного аналізу в процесі формування функціональних шарів; прецизійність електричних параметрів ВІС за рахунок радіаційного юстування порогових напруг МОН-транзисторів багатозарядними іонами домішок і -опромінення; математичне моделювання технологічних процесів для визначення проектних норм КТО приладних структур для повної адекватності моделей елементів реальній фізичній структурі. субмікронний інтегральний електростатичний іонізація

Ключові слова: функціональний шар, тестова структура, міжфазна межа розділу, ізоконцентраційна домішка, багатозарядна імплантація, гетерна технологія, електрофізичне діагностування, поліімідна ізоляція.

АННОТАЦИЯ

НОВОСЯДЛЫЙ С. П. Физико-технологические особенности формирования субмикронных структур больших интегральных схем.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Институт термоэлектричества НАН Украины и Министерства образования и науки Украины. Черновцы, 2003.

В диссертации представлены результаты исследований технологических процессов и приборных структур больших интегральных схем и на их основе разработаны базовые принципы высокоэффективной системной технологии высокого уровня: модульность технологических чистых зон с ионизацией ламинарных воздушных потоков для обеспечения высокой чистоты с нейтрализацией электростатических зарядов и индивидуальной обработкой Si-пластин; автоматизированное проектирование бездефектной топологии кристаллов БИС средствами САПР на основе компьютерных технологий с использованием математического моделирования, верификации, генерации тестовой последовательности и контролем проектных конструкторско - технологических ограничений (КТО) приборных структур; низкий уровень дефектообразования при формировании функциональных шаров структур кристаллов с использованием геттерной технологии и низкотемпературных процессов нанесения пленок; электрофизическое компьютерное диагностирование для прогнозирования надежности кристаллов БИС по уровню нелинейности характеристик приборных структур и дисперсии электрофизических параметров тестовых структур (ТС), сформированных согласно технологическому маршруту изготовления кристаллов БИС; корозионную стойкость металлизации и многоуровневой разводки топологии БИС, радиационную стойкость затворной системы и межфазной границы раздела Si-SiO₂; прецизионность процессов многозарядной ионной имплантации, проекционной литографии и плазмохимического травления функциональных слоев с использованием высококонтрастного фоторезиста; конформность низкотемпературных процессов осаждения функциональных слоев и их анизотропность травления при формировании структур; мониторинг физико-химического количественного и качественного анализов в процессе формирования функциональных слоев; прецизионность электрических параметров БИС за счет радиационной юстировки пороговых напряжений МОН-транзисторов многозарядной имплантацией и -облучением; математическое моделирование технологических процессов для определения проектных норм КТО приборных структур при полной адекватности моделей элементов реальной физической структуре.

Предложены новые технологические решения, направленные на снижение дефектности функциональных слоев БИС с использованием внешнего и внутреннего геттеров, заменой высокотемпературных диффузионных процессов на процессы высокоэнергетической имплантации при формировании карманов и охранных областей К-МОП структур. Разработаны и внедрены: новые материалы алюминиевых сплавов с РЗМ и на их основе мишени для формирования корозионностойкой металлизации БИС; полиимидные композиции и технологические процессы формирования низкотемпературной локальной и межслойной изоляции; танталовый сплав и процессы формирования прецизионных коденсаторов с использованием легированных базовых слоев -тантала для увеличения удельной емкости и надежности. Разработаны и внедрены новые материалы, технологические процессы, методы диагностирования и способы формирования слоев, оборудование, которые улучшили физико-технологические характеристики, повысили выход годных, стабильность и надежность структур, исключив при этом дорогие отбраковочные испытания.

Ключевые слова: функциональный слой, тестовая структура, междуфазная граница раздела, изоконцентрационная примесь, многозарядная имплантация, геттерная технология, электрофизическое диагностирование, полиимидная изоляция.

ABSTRACT

Novosiadly S. P. Рhysical - technological peculiarities of the submicron structures VLSI forming.- Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.27.01 - solid state electronics. - Institute of Thermoelectricity. National Academy of Science of Ukraine and Ministry of Education and Science of Ukraine, Chernivtsi, 2003.

In a thesis the outcomes of researches of technological processes and instrument structures of the large integrated circuits are represented and on their basis the base principles of a highly effective system process of a high level engineering are developed: modularity of technological pure zones with ionization of laminar air streams for a support of high cleanness with neutralizing of electrostatic charges and individual processing of Si-wafers; automated designing of flawless topology of chips of the large-scale integrated circuits by CAE tools; computer process engineerings with using of mathematical simulation, verification, automatic generation of a test sequence and control of design and technological limitations of instrument structures; controlability by the technological path of manufacture of structures of chips because of microcycles and microcommands of the computer system of handle of a system process engineering for want of continuous chips production process; low defect level for want of creation of functional layers of structures of chips with use of a hetter process engineering and low temperature processes of films deposition; electrophysical computer diagnosing for reliability prediction of chips of the large-scale integrated circuit on a level of nonlinearity of the characteristics of instrument structures and dispersion of electrophysical parameters of test structures (TS) generated according to the technological path of the large-scale integrated circuits manufacture; corrosion resistance of bonding and multilevel distributing of topology of the large-scale integrated circuits, radiation stability of the gate system and Si-SiO₂ boundary; precision of multicharge ion implantation processes, projectional lithography and dry etching of functional stratums with use of high contrast photoresist; a conformality of low temperature processes of a sedimentation of functional stratums and anisotrophycal etching for want of creation of structures; analyticity of physical and chemical quantitative and qualitative analyses during creation of functional stratums; precision of electrical parameters of the large-scale integrated circuits at the expense of radiation preliminary adjustment of threshold votagees of MOS transistors with multicharge ion implantation process and -radiation; mathematical simulation of technological processes for definition of design rules of instrument structures for want of full identification of units models of an actual physical structure.

Key words: a functional layer, test structure, interphase boundary of the unit, isoconcetrated impurity, multicharge ion implantation, hetter process neering, electrophysical diagnosing, polyimid isolation.

Актуальність теми. Ефективна національна економіка в розвинутих країнах світу базується на науковоємних технологіях, так званих “високих технологіях”. За останні роки позиції галузей високих технологій в Україні зазнали активного наступу з боку сировинних енергомістких галузей, частка яких у валовому національному продукті, а, отже, і в енергомісткості одиниці валового національного продукту, значно зросли.

Енергомісткість одиниці національного продукту у нас у декілька разів перевищує європейський і міжнародний рівні, що призводить до постійного дефіциту бюджету країни. Тому потрібно зробити структурну перебудову економіки, надавши пріоритет галузям промисловості, що споживають мінімальну кількість сировини та електроенергії, а саме, радіоелектроніці та мікроелектроніці. Такими економічно визначальними галузями є машинобудування та приладобудування, зокрема, виробництво засобів радіоелектроніки, зв'язку і телекомунікацій. Всі ці галузі тільки тоді можуть виробляти конкурентноздатні вироби, коли використовуватимуть сучасну високонадійну елементну електронну базу.

Технологія виробництва електронних компонентів належить до інформаційних технологій, що охоплюють великий спектр базових технологій від мікросхем, мікропроцесорів, мікроконтролерів, мікро-ЕОМ, схем пам'яті до комп'ютерів, засобів прийому, обробки та передачі інформації і телекомунікацій. Тому вихід з економічної кризи промисловості можливий на основі електронної галузі.

Підприємства приладобудівної і радіоелектронної галузей України становлять 76 % загальної кількості машинобудівних підприємств. Ці галузі на сучасному етапі і в перспективі потребують повної заміни номенклатури виробів, що ними випускаються, з одночасним підвищенням їх якості і надійності. Крім цього, згідно з економічною програмою розвитку України пріоритетними напрямками визначені авіаційна, суднобудівна та космічна галузі. Їх розвиток може бути забезпечений кооперацією з радіоелектронною галуззю і прикладними науками. У зв'язку з тим, що підприємства України в колишньому СРСР займали провідне місце в галузі мікроелектроніки, їх виробничий і кадровий потенціал можуть забезпечити ефективний розвиток радіоелектронної і приладобудівної галузей в Україні.

Таким чином, актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю реалізації Державної (національної) програми розвитку електронної промисловості України на 1999 - 2005 роки “Електроніка - 2005”, що є на розгляді в КМ України і профільному комітеті Верховної Ради. Створення сучасної елементної бази електронних компонентів на базі великих інтегральних схем (ВІС) із високою їх надійністю неможливо без розробки субмікронної технології мікроелектроніки з використанням сучасних технологічних модулів, у тому числі модуля 1ЕГ. Економічність запуску субмікронної технології ВІС може бути досягнута за рахунок забезпечення високого виходу придатних структур (більше 85 %) та високої надійності (10 - 50 ppm) при неперервному технологічному циклі формування структур не більше 5 - 15 діб.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження дисертаційної роботи проводились відповідно до науково - тематичних планів НДР і ДКР СКТБ “Орізон” ВАТ “Родон” з 1989 до 1997 року, сформованими на основі комплексно-цільових програм України: Мікроелектроніка; Електроніка - 2000; Зв'язок України; Украналог - 2000; Кооперація; Наука-2000; Обчислювальна техніка, а також у рамках науково-дослідних і пошукових робіт кафедр САПР і напівпровідникової електроніки Національного університету “Львівська політехніка” та кафедри радіофізики і електроніки Прикарпатського університету імені Василя Стефаника.

Мета і задачі дослідження. Комплексне систематичне дослідження технологічних особливостей формування функціональних шарів великих інтегральних схем і розробка наукових фізико-технологічних основ субмікронної технології формування структур ВІС, які вирішують проблему мінімізації багаточинної цільової функції дефектності та параметричної оптимізації і дозволяють збільшити роздільну здатність проекційної оптичної літографії до 0,25 мкм та зменшити дефектність функціональних шарів структур кристалів менше 0,05 см^-2 в модулі класу 10,1/0,1.

Для досягнення вказаної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні задачі:

розробка проекту технологічного модуля для виробництва структур кристалів К-МОН ВІС з проектними нормами 0,8-1,0 мкм зі ступенем інтеграції 256К-1М;

дослідження технологічних особливостей і чинників, що зумовлюють запилення і електризацію статичними зарядами чистих приміщень, і розробка, виготовлення і дослідження на цій основі комірки для обезпилення і нейтралізації електростатичних зарядів у термостабілізованому ламінарному потоці чистих приміщень;

дослідження і визначення шляхів підвищення точності суміщення і роздільної здатності проекційної оптичної літографії та анізотропії і селективності процесів плазмохімічного травлення;

розробка і оптимізація технологічного САПРу у вигляді амплітудно-фазозсувних ПФО топології ВІС на основі комп'ютерної технології з використанням моделювання, верифікації, генерації тестової послідовності функціонування, контролю проектних норм конструктивно-технологічних обмежень реального виробництва та прогнозування виходу придатних і надійності з мінімізацією багаточинної цільової функції дефектності та параметричною оптимізацією тестових структур;

дослідження механізмів преципітації кисню і вуглецю в Si-пластинах Чохральського (Ч) та впливу їх на дефектність функціональних шарів і стабільність електрофізичних параметрів структур та розробка на цій основі методів гетерної технології формування бездефектних функціональних шарів структур ВІС;

розробка моніторингу фізико-хімічних методів контролю параметрів технологічних процесів і методів електрофізичного діагностування надійності структур ВІС для забезпечення мінімальної дисперсії електрофізичних параметрів і вносимої дефектності;

дослідження і удосконалення процесів міжшарової і локальної ізоляції активних елементів ВІС і розробка низькотемпературних процесів їх формування з використанням самопоширюючого фронту горіння кремнійвмістимої суміші та поліімідних композицій і прооксидування легованого полікремнію; дослідження дефектоутворення та роздільної здатності у фотолітографічних і плазмохімічних процесах; пошук матеріалів і технологічних методів для зниження дефектності менше 0,05 см^-2 і мінімізації розкиду розмірів елементів ВІС менше 0,1 мкм;

вибір матеріалів і технології формування високо зварюваної та корозійно й електроміграційно стійкої металізації з кроком менше 2,5 мкм для структур ВІС на основі легованого РЗМ сплаву алюмінію та поліциду; вибір матеріалів, процесів формування радіаційно стійких шарів структур ВІС до -опромінення;

моделювання технологічних процесів формування функціональних шарів і приладних структур з урахуванням аномальних явищ для забезпечення 100 %-вої ідентифікації фізичних структур кристалів і мінімізації конструкторсько-технологічних обмежень та багаточинної цільової функції дефектності структур;

розробка технології високоенергетичної багатозарядної імплантації та активації домішок для зменшення доз і тривалості процесів іонного легування охоронних областей і кишень структур ВІС із забезпеченням технологічного циклу формування структур до 5-15 діб;

моделювання процесу теплопереносу корпусного виконання ВІС; мікромініатюризація операцій складання, вибір матеріалів, технології та конструкції структур для забезпечення низького теплового і перехідного електричного опору кристалів при їх монтажі в корпус або на стрічковий носій.

Об'єкт дослідження - фізико-технологічні аспекти формування субмікронних структур великих інтегральних схем.

Предмет дослідження - шляхи зниження вносимої дефектності функціональних шарів, збільшення роздільної здатності й анізотропії оптичної проекційної літографії та підвищення надійності структур ВІС.

Методи дослідження. Методами електрофізичного тестового контролю та використанням фізико-хімічних методів аналізу проведено комплекс досліджень фізико-технологічних особливостей формування функціональних шарів субмікронної технології для мінімізації багаточинної цільової функції дефектності та параметричної оптимізації електрофізичних параметрів шарів і проектних норм конструкторсько-технологічних обмежень структур ВІС.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті комплексу фізико-технологічних досліджень, наведених в даній дисертаційній роботі, створений новий напрямок субмікронної технології формування структур ВІС (0,25-1,0 мкм): розроблені базові наукові фізико-технологічні основи та елементи високоефективної субмікронної технології виготовлення структур ВІС, наукова новизна яких полягає в тому, що вперше:

1. Розроблено та оптимізовано технологічний САПР бездефектного проектування топології структур ВІС у вигляді амплітудно-фазозсувних ПФО на основі комп'ютерних технологій із моделюванням, верифікацією, генерацією тестової послідовності функціонування та контролем проектних норм конструкторсько-технологічних обмежень на базі запропонованого апаратного і програмного забезпечення.

2. Досліджені механізми преципітації кисню і вуглецю в кремнієвих пластинах Чохральського і розроблена модель кисневого гетера та визначені оптимальні значення концентрацій кисню і вуглецю в кремнієвих пластинах (Ч) для формування підзатворного діелектрика з електричною міцністю більше 610⁶ В/см та збільшення коефіцієнтів активації імплантованих домішок.

3. З метою забезпечення стійкості кристалів до -опромінення ( 10⁷ рад) проведені дослідження і розроблена радіаційно стійка технологія формування К-МОН структур з легованими полікремнієвими екранами та оксидними спейсерами; удосконалені процеси формування локальної і міжшарової ізоляції та ТПК структур.

4. Досліджено процеси високоенергетичної багатозарядної імплантації бору і фосфору та їх активації для формування кишень і охоронних областей К-МОН структур, що дозволило замінити високотемпературні дифузійні процеси на більш контрольовані із зменшеними дозами процеси імплантації та зменшити технологічний цикл формування структур до 5-15 діб; встановлено вплив ізоконцентраційних домішок кисню і вуглецю на активацію і каналювання імплантованих домішок.

5. Розроблена унікальна технологія низькотемпературного ( 100⁰С) осадження оплавлених діелектричних плівок ФСС, БФСС і просвітлюючих покрить динамічним фронтом горіння у воднево-кисневій суміші кремнійвмістимої сполуки і легованої домішки в реакторі зниженого тиску, що забезпечує планарність менше 65⁰ і конформність покриття більше 95 %.

6. Розроблена конструкція комірки обезпилення “Біон” з іонізатором ламінарного потоку, шо додатково зменшує запиленість у 12-16 разів і нейтралізує величину електростатичних зарядів до потенціалу 10...45 В та дозволяє формувати локальні чисті зони класу 10,1/0,1 в зоні класу 100 з високою стабільністю температурно- вологістного режиму в зоні обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

7. Досліджені, розроблені і рекомендовані для серійного виробництва структур великих інтегральних схем:

поліімідні композиції типу ПІД на основі діангідриду поліімідокислоти, вибрано режими і запропоновано для низькотемпературного ( 300⁰С) формування міжшарової ізоляції та захисного покриття кристалів з високою конформністю 90 % і радіаційною стійкістю ( 10⁷ рад);

спосіб ізоляції активних елементів на основі прооксидованого легованого полікремнію та імплантації малорухливих іонів цезію для формування охоронних областей локальної ізоляції і на основі канавок, заповнених дрібнодисперсними діелектричними порошками (аеросилом, корундом, карбідом кремнію, прооксидованим полікремнієм);

модель корозійного руйнування, нові, леговані рідкісноземельними металами, алюмінієві сплави і на їх основі мішені та процеси корозійно стійкої алюмінієвої металізації з використанням рідкісноземельних та тугоплавких металів;

транспарентні і просвітлюючі покриття для амплітудно-фазозсувних ПФО, що зумовлюють високу роздільну здатність ПЛ; склад однокомпонентного висококонтрастного ( 4,5) позитивного резиста, модель висококонтрастного проявлення, а також процес модифікації проекспонованого резиста в гексаметилдисалазані і запропоновано анізотропні плазмохімічні процеси травлення функціональних шарів і проявлення резиста для субмікронної оптичної літографії.

8. Розроблені гідридно-хлоридна технологія формування високоякісних кремнієвих епітаксійних структур (КЕС) для високовольтних ІС при суміщенні біполярної, К-МОН і Д-МОН технологій та танталова технологія формування високоякісного діелектрика для формування динамічного елементу пам'яті з високою питомою ємністю, уніполярністю та пробивними напругами.

9. Показано, що висока адекватність приладних структур ВІС розробленим моделям досягається за рахунок моделювання активних елементів і технологічних процесів для визначення їх проектних норм конструкторсько-технологічних обмежень з урахуванням аномальних явищ другого порядку та явищ теплопереносу.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та впроваджені моделі, методики, способи, методи, матеріали і установки використані при розробці субмікронної технології великих інтегральних схем для виробництва кристалів в технологічних модулях класу 100 або 10 по біполярній, n-МОН і К-МОН технологіях. Новизна практичних розробок захищена авторськими свідоцтвами СРСР і патентами України на винаходи та позитивними рішеннями на видачу патентів.

Розроблені принципи та елементи високоефективної субмікронної технології ВІС реалізовані в проекті технологічного модуля класу 10 (1ЕГ) в АТ “Родон” для виробництва структур кристалів великих інтегральних схем з мінімальним розміром елементів 0,8...1,0 мкм і ступенем інтеграції 256К...1М. Більшість розроблених елементів впроваджені у виробництво кристалів інтегральних схем на заводі “Логіка” АТ “Родон” у біполярному, n-канальному і К-МОН технологічних модулях виробництва кристалів ІС (ВІС) серій 140, 145, 561, 564, 580, 132, 1810, 1816, 1830, 1085, 1021, 1051, 1074, 298, 1008, причому топологія ряду серій 140, 145, 561, 564, 580, 132, 1810, 1830, 1021, 1008 неодноразово зменшувалась масштабуванням за визначеним алгоритмом для збільшення швидкодії та зменшення енергоспоживання до мінімального топологічного розміру елементів 1,5 мкм. Практична реалізація результатів дисертаційної роботи підтверджена актами про їх впровадження на підприємствах і установах.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та вирішенні основних теоретичних наукових розробок і експериментальних завдань роботи. Під керівництвом і при безпосередній участі автора розроблені оригінальні технологічні процеси, тестові структури, матеріали, обрані методи і методики досліджень. Автору належать основні ідеї більшості публікацій та винаходів, зокрема, його одноосібні публікації про: технологічний САПР на основі ТС і А-Ф ПФО [3, 13, 16, 30]; гетерну технологію [1, 20, 33, 46]; низькотемпературну технологію формування функціональних шарів [1, 4, 12, 15, 17, 19, 24, 26]; технологію формування високоякісних КЕС [7, 41, 29]; субмікронну проекційну літографію з високою роздільною здатністю та анізотропією [22, 25, 32, 35,46]; радіаційну технологію багатозарядної імплантації та -опромінення [9, 18, 28, 31]; моніторинг субмікронної технології та електрофізичне діагностування надійності структур [14, 21]; авторські свідоцтва, патенти та позитивні рішення експертизи на винаходи [36, 37, 39, 41, 42, 43]; участь у формуванні узагальнень та висновків фізико-технологічних досліджень; формування всіх розділів і висновків дисертаційної роботи. У роботах у співавторстві автору належить постановка задач, розробка структур і технологій їх формування, підготовка тез і виступів на конференції, статейних публікацій і монографії та заявок на винаходи. Здобувачем отримані нові науково обгрунтовані результати про структури і процеси, які не мають аналогів за кордоном.

Автор, працюючи головним технологом АТ “Родон”, головним інженером і директором СКТБ “Орізон”, приймав участь у всіх етапах впровадження у виробництво нових інтегральних схем та елементів субмікронної технології для них.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробничтва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів” (Львів,1994); Міжнародній науково-технічній конференції “Досвід розробки та застосування приладотехнологічних САПР мікроелектроніки” (Львів, 1995); V Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1995); IV науково-технічній конференції “Досвід розробки та застосування приладотехнологічних САПР мікроелектроніки” (Львів,1997); VI Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (Івано-Франківськ, 1997); Міжнародній науково-практичній конференції “ Системы и средства передачи и обработки информации” (Одеса, 1997); Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів TС SET'98” (Львів, 1998); Міжнародній конференції “Высокоэффективные технологии в машиностроении” (Харків, 1998); Міжнародній науково-технічній конференції “Новые компьютерные технологии в промышленности, энергетике, банковской сфере, образовании” (Алушта, 1998); Міжнародній науково-технічній конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки CADSM'99” (Львів, 1999); Міжнародній науково-технічній конференції “Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES-99” (Krakow, Poland, 1999); Міжнародній конференції ТС SET' 2000 “International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computers Science and Engineers Training”(Lviv, Ukraine 2000); Міжнародній конференції “Композиционные материалы в промышленности (Славполиком-99) (Київ, 1999); VIII Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2001); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2001); I Українській науковій конференції з фізики напівпровідників з міжнародною участю (Одеса, 2002); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка та електромеханіка” (ІТЕМ-2003, Луганськ, 2003). IX Міжнародної нонференції з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП-IX Івано-Франківськ, 2003);

Публікації результатів досліджень роботи були здійснені у 1 монографії, 37 статтях фахових реферованих наукових журналах, із них 30 одноосібних, та інших виданнях, зокрема, 9 авторських свідоцтвах та патентах і позитивних заявках на винаходи, 54 тезах міжнародних науково-технічних конференцій і семінарів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ охоплює загальну характеристику роботи, актуальність теми і доцільність проведення досліджень, зв'язок роботи з науковими темами, сформульовані мета, проблема і задачі досліджень; коротко описані об'єкти і методи досліджень, висвітлені наукова новизна, практичне значення, реалізація та впровадження отриманих результатів, визначений особистий внесок автора, приведені дані про апробацію наукових результатів, кількість публікацій та структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі викладені проблеми, шляхи і перспектива розвитку кремнієвої комп'ютерної технології і багаторівневого моделювання ВІС, а також основи модульного виробництва з використанням групової та індивідуальної обробок кремнієвих пластин великого діаметру.

Відзначено, що існує велика кількість публікацій, присвячена питанням технічного розвитку електроніки, насамперед мікроелектроніки як провідної підгалузі світового електронного виробництва. Це зрозуміло, бо саме мікроелектронна технологія є ключовою для ери інформації, комп'ютеризації і визначає технічний рівень всього промислового і оборонного потенціалу сучасної передової країни, її машинобудівної галузі. Разом з енергетично-паливним комплексом мікроелектроніка створює фундамент промисловості розвинутої країни.

Треба також відзначити, що зменшення розмірів елементів ВІС - це не тільки підвищення швидкодії РЕА, обчислювальних машин і телекомунікаційних систем, але і зниження витрат на їх виробнтцтво, зниження енергоспоживання і підвищення якості і надійності радіоелектронних систем. Це відповідно вимагає нових підходів при формуванні задач розвитку субмікронної технології ВІС, основаних на наукових фізико-технологічних засадах. Очікується, що в даному тисячолітті електронна промисловість буде найбільшою і найефективнішою галуззю в світі.

Найфундаментальніша область технологій розвинутих країн (США, Японії, Німеччини, Південної Кореї) - це інформаційна технологія, що покриває великий спектр базових технологій від мікросхем пам'яті, мікропроцесорів, мікроконтролерів до комп'ютерів, телекомунікацій і засобів передачі даних. Сьогодні щорічні темпи світового приросту доходів від мікроелектроніки становлять 15...25 %. Саме вона забезпечує високу інтелектуалізацію будь-якої розвинутої країни.

Із ростом ступеня інтеграції ВІС ростуть затрати на будівництво відповідних чистих виробничих приміщень класу 10, 1, які створюють умови для субмікронної технології. Для ступеня інтеграції більше 256 К будівництво таких приміщень стає малоефективним внаслідок великих капіталовкладень в чисті приміщення. Крім цього, такі модулі повинні бути максимально адаптованими до технологічних змін, тобто їх треба проектувати з великим ступенем гнучкості для суміщення всіх видів технологій.

Засобом для забезпечення максимальної гнучкості виробництва може стати тільки системна субмікронна технологія ВІС, основним принципом якої є модульність із індивідуальним обробленням Si-пластин. Це забезпечить перехід на Si-пластини великого діаметра (200...300 мм), високу функціональну складність (більше 1М) з мінімальним розміром топологічного елемента 0,25...1,0 мкм і зниженням густини дефектів, спричинених операціями літографії, менше 0,05 см^-2.

Дефектність структур визначається класом чистоти приміщення, технологічним процесом формування функціональних шарів, досконалістю технологічного обладнання і реакторного оснащення. Тому мінімізація дефектоутворення повинна забезпечуватись як за допомогою названих факторів, так і спроектованою топологією кристалів ВІС з урахуванням технологічних допусків процесів формування структур реального виробництва у виді конструкторсько-технологічних обмежень на основі багаточинної цільової функції дефектності. Динамічна система контролю і моніторингу в реальному масштабі часу забезпечить високу ефективність управління комплексом аналітичних фізико-технологічних методів контролю технології формування структур ВІС. На основі експериментальних досліджень технологічного процесу формування структур ВІС розроблені базові принципи і основні елементи субмікронної технології ВІС (рис.1), що дозволить Україні при малих енерговитратах вийти на світовий ринок інформаційних технологій.

Виходячи з аналізу вимог до базового технологічного процесу формування структур ВІС в модулі типу 1ЕГ і можливих варіантів його реалізації, можна сформулювати основні (базові) принципи субмікронної технології:

1. Побудова гетерної технології формування структур ВІС за мікроциклами при забезпеченні взаємозаміни певних блоків, одиниць обладнання та агрегатів для індивідуальної обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

2. Об'єднання мікроциклів гнучкими транспортними зв'язками для адресного транспортування Si-пластин по чистим трекам без електростатичних зарядів.

3. Відмова від існуючої ідеології загальних чистих модулів і перехід на кластерні роботизовані багатокамерні установки з локальними чистими зонами обробки, які з'єднуються в технологічну лінію вакуумно-транспортними системами для індивідуальної обробки кремнієвих пластин великого діаметру.

4. Скорочення і заміна номенклатури високотемпературних дифузійно-оксидованих процесів і перехід на низькотемпературну обробку кремнієвих пластин з контрольованою мікроенергетикою процесу й електрофізикою структур.

5. Введення тестового контролю для оптимізації параметрів функціональних шарів та приладних структур ВІС, автоматизація процесів на основі їх детального моделювання і виділення значущих параметрів та мінімізація їх дефектності.

6. Розробка та організація виробництва надчистих хімреактивів, води, газів, всіх видів мікроклімату та мікротехнологій, їх застосування в локальних чистих зонах.

7. Зменшення впливу людського фактору, що забезпечується уніфікацією та автоматизацією повного циклу виготовлення структур ВІС, повне виключення міжопераційного часу зберігання та розробка елементів надчистої одежі і транспортних треків без електростатичного потенціалу.

8. Комплексне екологічне забезпечення субмікронного технологічного процесу формування структур в локальній чистій зоні, особливо при епітаксії, літографії і плазмохімії, формуванні функціональних шарів та іонній імплантації.

9. Гнучкість технології формування структур, її перебудова на нові типи і класи структур, що формуються сумісною Ві-К-Д-МОН технологією, скорочення циклу розробки топології у вигляді амплітудно-фазозсувних проміжних фотооригіналів на базі комплексного технологічного САПРу.

10. Розробка для низькотемпературних процесів нового класу обладнання, способів формування функціональних шарів та методів їх моніторингу, електрофізичного діагностування їх надійності, параметричної оптимізації та мінімізації багаточинної цільової функції дефектності.

11. Реалізація високих точності суміщення і роздільної здатності оптичної проекційної літографії та анізотропного і селективного плазмохімічного травлення функціональних шарів і високопровідної багаторівневої розводки.

Другий розділ дисертації присвячений дослідженню дефектності структур ВІС і розробці на цій основі шляхів досягнення мінімізованої дефектності функціональних шарів з високою електричною міцністю діелектричних шарів.

Темпи росту ступеня інтеграції великих інтегральних схем випереджають технологічні можливості мініатюризації, а це призводить до поступового збільшення площі кристалу, яке відбувається одночасно зі зменшенням розмірів елементів і допустимої величини дефектності функціональних шарів. Вихід придатних структур ВІС в залежності від площі кристалу і його дефектності моделюється одним із розподілів гамма, Пуассона, Мерфі, Сідса, Бозе-Ейнштейна. Використовуючи гамма - функцію дефектності функціональних шарів, вихід придатних описується співвідношенням:

де - багатофакторна цільова функція дефектності структури, А- площа кристалу, D_no- функція дефектності окремого функціонального шару.

Тому принциповим питанням субмікронної технології є мінімізація дефектності функціональних шарів як шляхом підвищення чистоти локальних зон обробки Si-пластин, так і за рахунок розробки нових фізико-технологічних основ формування функціональних топологічних шарів з використанням технологічного САПРу, побудованого на основі тестових структур. Технологія мікроклімату є одним із основних регламентів субмікронної технології для діаметра частинок 0,1 мкм в локальній зоні обробки класу 10 і 1/0,1 кластерних технологічних агрегатів.

Дослідженнями показано, що значне зменшення запиленості в чистих зонах можна досягти за рахунок створення чистих ламінарних повітряних потоків з допомогою обезпилених комірок типу “Біон” зі сітковим або голчастим іонізаторами. Вони дають змогу не тільки додатково знизити запиленість повітряних ламінарних потоків у 12...16 разів, але і забезпечують нейтралізацію електростатичних зарядів до величини потенціалу < 100 В з оптимальною концентрацією аероіонів у зоні дій оператора (6...8)10³ см^-3 та температурну стабільність меншу ± 0,1⁰С. Розроблений експериментальний вимірювач концентрації аероіонів у зоні ламінарного повітряного потоку під дією сіткового або голчастого іонізатора. Сформульовані вимоги до субмікронної технології формування структур К-МОН ВІС в модулі 1ЕГ, включаючи ЕППЗП на основі “Flаsh”, “Flotox” і “Strata Flash” комірок з інжекційним і тунельним підзатворним діелектриком в умовах локальних чистих зон технологічного модуля. Проектування бездефектної субмікронної топології ВІС у вигляді амплітудно-фазозсувних ПФО забезпечує технологічний САПР, побудований на основі комп'ютерних технологій і тестових структур з використанням математичного моделювання, верифікації, генерації тестової послідовності, контролю проектних норм КТО реального виробництва та мінімізації багаточинної цільової функції дефектності структур ВІС.

Однією з важливих задач субмікронної технології ВІС є забезпечення високого ступеня чистоти і досконалості кристалічної структури кремнію в активних зонах приладних структур у технологічних операціях формування функціональних шарів. Розроблено низку методів гетерування і модель преципітованого кисневого гетера як із ізоконцентраційної домішки кисню в Si-пластинах (Ч), так і імплантованого кисню і вуглецю в Si-пластинах (ЗП) та КЕС, що зумовлює формування бездефектних зон. Висока стабільність таких електрофізичних параметрів як часу життя носіїв заряду, струмів втрат, рухливісті носіїв заряду, термічних напружень, порогової напруги, зарядового стану міжфазної межі розділу Si-SiO₂ забезпечується гетеруванням дефектів і домішок при виконанні операцій технології формування структур ВІС як зовнішнім, так і внутрішнім гетерами.

Із підвищенням ступеня інтеграції ВІС та вимог до стабільності їх електричних характеристик зростає важливість проблем створення високоякісних тонких оксидних плівок інжекційного та тунельного підзатворного діелектрика як одного із основних елементів субмікронної технології ВІС.

Проблема формування тонкого високоякісного підзатворного діелектрика вирішувалась такими шляхами: 1) зниженням щільності дефектів оксидних шарів гетерною технологією; 2) підвищенням електичної міцності діелектрика при зменшенні його товщини технологіями нітридизації та оксидування при наявності ізоконцентраційних домішок кисню і вуглецю; 3) зниженням заряду на міжфазній межі розділу Si-SiO₂; 4) зниженням густини пасток в об'ємі оксидного шару.

Для вирішення цієї проблеми досліджено вплив розчинів ZnCl₂ i H(AuCl₄) в деіонізованій воді на ефективність сформованого підзатворного оксиду товщиною 250...350 А⁰ при електричній міцності Е 410⁶ В/см. Мінімальна дефектність у межах 0,05...0,1 см^-2 досягається при концентраціях 0,05 % мас. для ZnCl₂ і 0,2 % мас. для H(AuCl₄). Досягнуто стабілізації зарядового стану міжфазної межі розділу хімічною обробкою в розчині надоцтової кислоти в пергідролі і амонолізом поверхні підзатворного оксиду з утворенням оксинітриду кремнію Si_xO_yN_z, який ефективно гетерує домішки і дефекти та пастки. Встановлені оптимальні концентрації кисню і вуглецю в Si-пластинах (Ч). Заміна алюмінієвого електроду затвора на полікремнієвий (поліцидний) забезпечує високу електричну міцність підзатворного діелектрика товщиною 100...350 А⁰ в межах (1...2)10⁷ В/см.

У третьому розділі подані результати фізико-технологічних досліджень технологій формування високоякісних функціональних шарів та їх властивостей для структур великих інтегральних схем.

Підвищення ступеня інтеграції ВІС (більше 64 К) вимагає вдосконалення як процесів міжшарової локальної ізоляції елементів, так і розробки багаторівневої розводки з використанням легованих алюмінієвих і полікремнієвих провідників.

Описані недоліки методів локальної ізоляції “Locos” і міжшарової ізоляції на основі фосфоросилікатного скла. Метод Locos забезпечує одержання планарної поверхні з наполовину втопленим у кремнієву підкладинку шаром польового оксиду, самосуміщеного з охоронними областями. Проте з підвищенням ступеня інтеграції більше 64 К виникає низка проблем, що затруднює подальше зменшення елементів за рахунок утворення ефектів “пташиного дзьобу”, “білої смуги” та “вузького каналу”.

На основі аналізу цих явищ розроблені оригінальні й актуальні технологічні процеси локальної ізоляції на основі: спейсерної технології нітридною (оксидною) маскою; локального прооксидування легованого полікремнію з профілюванням вікон в активних зонах; технології ізоляції канавок, заповнених дисперсним діелектриком. Латеральна дифузія охоронних борних областей усувається заміною високотемпературного процесу дифузії бору на іонну імплантацію малорухливих іонів цезію. Така структура формує охоронні області з пороговою напругою паразитних транзисторів на рівні 45 ... 50 В.

Низькотемпературні процеси силанової технології формування діелектричних і провідних пластів описуються математичною моделлю у вигляді:

де S - швидкість відкачки реактора; Т - температура в зоні осадження; Р_РН3, Р_О2(NH3) - парціальні тиски фосфину, кисню або аміаку; С - концентрація моносилану; D_P, D - діаметри реактора і Si-пластини.

З метою зниження температури вперше розроблено оригінальний процес осадження оплавленої міжшарової ізоляції у вигляді фосфоро-, борофосфоросилікатного скла при температурі 100⁰С з високою конформністю ( 95 %) самопоширюючого фронту ланцюгової хімічної реакції в гомогенній суміші, яка містить сполуку кремнію SiH_nCl_4-n (n = 0,1,2,3,4) в кількості 0,01...0,1 % ат, воднево-кисневу суміш (Н₂:О₂ = 1:4) і легуючої добавки у вигляді сумішей РН₃, В₂Н₆ в аргоні з концентрацією (4...20 %) з використанням електроіскрового запалювання.

У зв'язку з необхідністю використання низькотемпературних процесів формування функціональних шарів запропоновано метод отримання поліімідних композицій типу ПІД і досліджено їх властивості для міжшарової ізоляції і пасивуючого захисного покриття ВІС. Такі поліімідні плівки забезпечують: високу здатність до планаризації поверхні ( 60⁰); низьку щільність дефектів у сформованому пласті ( 0,05 cм^-2); усунення впливу на зарядовий стан міжфазної межі розділу Si-SiO₂; високу технологічність формування плівки як для міжшарової ізоляції, так і для захисного покриття; високу конформність осадження плівки ( 90⁰); анізотропність травлення контактних вікон та їх профілювання; малі технологічні та енергетичні витрати, високу екологічну чистоту; високу термостійкість ( 300⁰C), радіаційну й електричну міцність ізоляції ( 2 10⁶ В/см).

Приймаючи до уваги, що в К-МОН ВІС різного рівня складності струми втрат паразитних транзисторів під ізолюючими оксидними областями викликають деградацію електричних характеристик приладних структур, знижують їх стійкість до тиристорного ефекту і радіаційного опромінення, була досліджена технологія самосумісної ізоляції з використанням легованих полікремнієвих екранів і оксидних спейсерів. Така технологія забезпечує радіаційну стійкість ( 10⁷ рад) і базується на стандартній К-МОН технології з уведенням додаткових операцій: нарощування тонкого термічного оксиду для формування в ньому контактів до Si-підкладинки; нанесення плівки полі-Si* методом піролізу моносилану і селективного його легування As⁺ і В⁺ за типом провідності Si-підкладинки (_s 50 Ом/); травлення полі - Si* по краях ізолюючих областей для розділення екранів на n⁺ і р⁺ тип; формування бічної спейсерної ізоляції по краях полікремнієвих екранів.

Підвищення ступеня інтеграції біполярних ВІС досягається удосконаленням КЕС, що дозволяє сумістити біполярну, К-МОН і Д-МОН технології за рахунок структури n^--n^---p^-, гідридно-хлоридної технології та зменшенням проектних норм конструкторсько-технологічних обмежень на перехідну область Si-підкладинка - епітаксійний шар і на зміщення захованого шару з використанням гетерних полікремнієвих шарів та анізотропної імплантації вуглецю в області захованого шару. Це дозволяє знизити товщину епітаксійного шару до 5...7 мкм, а дефектність таких плівок до значення 0,01...0,5 см^-2 при рості пробивної напруги колекторних переходів до значення 120 В.

Розводка в багаторівневих ВІС займає до 70 % площі кристалу. Тому вимоги до розводки ВІС при збільшенні ступеня інтеграції збільшується, особливо до верхнього рівня алюмінієвої металізації, яка повинна мати малий крок і та високу корозійну й електроміграційну стійкість. Дослідження корозійних явищ в інтегральних схемах дозволили розробити леговані рідкісноземельними і тугоплавкими металами алюмінієві сплави і на їх основі мішені для магнетронного формування алюмінієвих плівок. Показано, що висока корозійна стійкість алюмінієвої металізації досягається зближенням електродних потенціалів і збільшенням пасивуючої здатності металізації за рахунок РЗМ. Розроблена технологія з використанням тонкоплівкової металізації Al-1Ho або Al-1Si-1Ho впроваджена в виробництво структур ВІС. Це дало можливість знизити корозійні руйнування металізації майже на один-два порядки. На основі проведених досліджень розроблена корозійна модель руйнування тонкоплівкової алюмінієвої металізації у вигляді:

де d, S - товщина провідника і площа руйнуючої області корозії; _і⁰ - різниця катодних і анодних електродних потенціалів; Р_і - сума катодної і анодної поляризованостей; І_н - струм навантаження; А - молярна маса матеріалу провідника; n - число електронів, які беруть участь в електродній реакції; F- число Фарадея; - густина матеріалу провідника; Е_акт1, Е_акт2 - енергії активації корозійного і дифузійного процесів; n_з, l, b- число, довжина, ширина границь зерен; Z_еф.г.з- ефективний заряд іонів, що рухаються по межі металевих зерен; z - ширина провідника; Т- температура.

Для підвищення швидкодії багаторівневих ВІС проведені експериментальні дослідження поліцидної розводки, сформованої силановою технологією газохімічних реакцій на аморфному кремнії, яка забезпечила рекордно низький питомий опір (менше 10 мкОмсм) та покращила термопольову стабільність затворної системи і контактів польових транзисторів.

Унікальною є технологія формування уніполярних тонкоплівкових конденсаторів на основі легованих шарів -танталу. Такі ТПК, маючи велику питому ємність, широко використовуватимуться в динамічних комірках пам'яті, активних RC-фільтрах та приладах зарядового зв'язку. Дуже низькі значення струмів втрат (10^-10...10^-11А) при напрузі 120...130 В забезпечують як високу електричну стабільність із-за відсутності пасток в оксиді, так і високу радіаційну стійкість до -опромінення (із-за наявності РЗМ і вуглецю) інтегральних схем. Ступінь легування базових шарів -Та забезпечує уніполярність конденсаторів у широкому робочому діапазоні температур і напруг. Розроблена математична модель анодування діелектрика на основі шарів -танталу в розчині лимонної або щавелевої кислот: