Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19871102Elc027.shtml

Начало производства ИС с глубокими канавками, разработанных фирмой TI

УДК 621.3.049.77

TI's trench technology moves into the factory, pp.75—77.

Описаны работы, проводимые фирмой TI по созданию трехмерных ИС. Для увеличения плотности упаковки своих ЗУ фирма разрабатывает процесс травления глубоких узких канавок, в которых размещаются элементы интегральных схем: конденсаторы и транзисторы. В результате близится к завершению разработка динамического ЗУПВ, содержащего на одном кристалле память объемом 1 Мбит. Ведутся работы по созданию 4-Мбит приборов памяти. Та же технология предназначается для увеличения плотности упаковки программируемых ПЗУ и изоляции биполярных приборов.

Когда строители хотят разместить как можно больше на земельном участке, то для них существует только один путь — увеличивать высоту здания. Но разработчики кремниевых приборов пошли в обратном направлении: не вверх, а вниз. Для того чтобы реализовать большее число функций на кристалле СБИС с заданными размерами, они создают технологию трехмерных ИС, предусматривающую интеграцию в вертикальном направлении и получившую название травления канавок. Данный технологический процесс предусматривает вытравливание в кристаллической подложке углубления или канавки, используемой для изоляции или изготовления в ней элементов ИС.

Но травление канавок еще не используется в промышленном производстве, так как это процесс слишком сложный для того, чтобы удовлетворить требованиям, связанным с производительностью при массовом производстве. В настоящее время, однако, исследователи из фирмы Texas Instruments предложили новую технологию, обеспечивающую лучшее управление процессом травления. Эта технология позволила внедрить процесс травления канавок в производство СБИС и использовать его для создания динамических ЗУПВ емкостью 1 и 4 Мбит.

Дополнительная поверхность кристалла, получаемая при травлении канавок, может быть использована для формирования простых активных приборов или экономичной (с точки зрения занимаемой площади) изоляции. При этом подобная изоляция позволяет избавиться от проблем, связанных с тиристорным эффектом (защелкиванием) и характерных для обычных методов изоляции. Канавка может также использоваться для размещения изолирующего барьера или проводящего соединения между поверхностью кристалла и скрытыми слоями.

Далласская фирма — изготовитель кристаллов уже выпускает динамические ЗУПВ емкостью 1 Мбит с расположенными в канавках конденсаторами. В разрабатываемых динамических ЗУПВ емкостью 4 Мбит фирма пойдет еще дальше, размещая в одном углублении накопительный конденсатор, передающий затвор и контакт. Кроме того, исследователи из фирмы TI недавно использовали в стираемых программируемых ПЗУ новое расположение изолирующих канавок между разрядными шинами и транзисторами. В результате удалось улучшить программируемость и изоляцию между приборами, а также снизить величины паразитных емкостей. Такой подход может обеспечить уменьшение расстояния между разрядными линиями до менее 1 мкм. Исследователи используют канавки для изоляции друг от друга приборов в усовершенствованных биполярных ИС.

Развитию технологии травления канавок препятствовал ряд проблем, в том числе подтравливание под края маски и образование в процессе травления углублений по бокам дна канавки. Подтравливание может стать причиной образования пустот при последующем заполнении канавки. В эти пустоты легко могут попадать загрязнения, ухудшающие надежность. Появление V-образных углублений по обеим сторонам дна канавки может ухудшать диэлектрическую прочность конденсатора, размещенного в канавке, а также приводить в процессе термического выращивания толстого слоя окисла к увеличению в кремнии плотности дефектов, связанных с механическими напряжениями.

Использованная фирмой TI технология селективного осаждения на боковые стенки позволяет решить эти проблемы путем прецизионного регулирования профиля канавки по мере ее травления. В результате обеспечиваются такие формы поверхности и размеры, которые требуются для того, чтобы процесс травления канавок был жизнеспособным в условиях производства. Фирма TI использует сухое травление и создает канавки с прямыми, невыгнутыми боковыми стенками, свободные от дефектов на дне.

Новая технология включает в себя селективное осаждение продуктов травления на боковые стенки канавки вблизи от границы раздела между маской и поверхностью кремния. Это осаждение происходит двумя путями: путем контролируемого непосредственного распыления материала маски и путем конденсации из газовой фазы осадков, образующихся в реакторе. Осажденные материалы защищают верхнюю часть боковых стенок от эрозии (рис.1); они удаляются в процессе снятия маски.

В технологии травления углублении, созданной фирмой TI продукты травления селективно осаждаются на боковые стенки, защищая их при глубоком травлении.
Рис.1. В технологии травления углублении, созданной фирмой TI продукты травления селективно осаждаются на боковые стенки, защищая их при глубоком травлении.

Селективное осаждение продуктов травления на боковые стенки позволяет не только избавиться от многих физических дефектов, но и получить канавки с контролируемыми, воспроизводимыми и ровными боковыми стенками, наклоненными к основанию под положительным углом, близким к 90°. Мойте Дуглас, один из технических руководителей лаборатории процессов полупроводниковой технологии фирмы ив Далласе, говорит: «Идеальный профиль углубления в случае динамического ЗУПВ емкостью 1 Мбит образуется гладкими боковыми стенками наклоненными под положительным углом 87°, и полусферическим дном. Такие углубления могут успешно заполняться, и при этом не будет нарушаться возможность контроля ширины линий Помимо этого селективное осаждение на боковые стенки позволяет обеспечить контроль критических размеров и защитить боковые стенки от радиационных повреждений».

Селективное осаждение на боковые стенки происходит в процессе травления углубления медленным, непрерывным и однородным образом что приводит к очень постепенному уменьшению ширины углубления. В результате обеспечивается прямолинейная форма боковых стенок с положительным наклоном без увеличения размера элементов рисунка, что могло бы происходить в случае методов травления, сопровождающихся постепенным разрушением маски, положительный наклон стенок углубления необходим для того, чтобы обеспечить надежный процесс его последующего заполнения.

Процесс фирмы TI позволяет также избавиться от таких физических дефектов в углублении как образование выступов на боковых стенках, появление зубцов на дне, а также шероховатости на боковых стенках. Так как на поверхностях, создаваемых при травлении углублений могут изготовляться активные приборы, эти поверхности не должны иметь серьезных физических дефектов.

Для того чтобы обеспечить высокую плотность упаковки динамических ЗУПВ, необходимо создавать конденсаторы минимальных размеров и большой емкости. Фирма TI изготовляет в углублениях конденсаторы большой емкости, вытравливая глубокие углубления (рис.2); чем глубже углубление, тем больше величина емкости при фиксированных размерах ячейки. Процесс фирмы TI позволяет делать канавки, достаточно глубокие для того, чтобы они проходили сквозь слаболегированный эпитаксиальный слой, в котором формируются активные приборы, до сильно легированной подложки. Канавка, достигающая этой области, должна иметь особенно хорошо сформированное дно без углублений по бокам или каких-либо других несовершенств, способных стать причиной пробоя.

Эти углубления, имеющие глубину 10 мкм, будут содержать конденсаторы динамических ЗУПВ емкостью 4 Мбит.
Рис.2. Эти углубления, имеющие глубину 10 мкм, будут содержать конденсаторы динамических ЗУПВ емкостью 4 Мбит.

Динамические ЗУПВ — это первые представители трехмерных ИС и, в частности, ИС, полученных с помощью технологии травления канавок. Динамические ЗУПВ фирмы TI емкостью 1 Мбит содержат конденсаторы, изготовленные в углублении, и 1-T (one-transistor — однотранзисторные) ячейки с площадью около 20 мкм2. В ЗУ емкостью 4 Мбит, по-видимому, будет преодолен барьер 10 мкм2. Для этого придется в одном и том же углублении создать накопительный конденсатор и транзистор связи.

При изготовлении динамических ЗУПВ емкостью 1 Мбит использование углублений позволяет создать ИС на кристалле размером около 64 мм2. Для устройства памяти это очень высокая плотность упаковки. Конденсатор, расположенный в углублении, представляет собой заманчивую альтернативу планарного конденсатора, для которого требуется окисел толщиной 10 нм, чтобы обеспечить накопление заряда 250—300 фкл (необходимого для хранения данных в динамических ЗУПВ). По словам Дугласа, имеются сведения, что окисел толщиной 10 нм не может быть ненадежным. Дуглас считает, что в случае динамических ЗУПВ емкостью 1 Мбит углубление со стенками, наклоненными под положительным углом 87°, позволяет обеспечить хорошее заполнение без заметного уменьшения емкости ячейки. В конденсаторах, расположенных в углублениях, толщина окисла составляет 15 нм. Поэтому у них несколько меньшее среднее значение пробивного напряжения и несколько больший ток утечки, чем у планарных конденсаторов с окислом такой же толщины. Однако конденсаторы в углублениях имеют чрезвычайно низкую плотность дефектов, а среднее значение напряженности электрического поля при пробое составляет 800 МВ/м.

Чтобы достичь уровня интеграции, необходимого для изготовления 1-T ячейки динамического ЗУПВ емкостью 4 Мбит, транзистор связи и конденсатор создаются на боковых стенках углубления, причем транзистор располагается поверх конденсатора (рис.3). Эта однотранзисторная ячейка с транзистором, расположенным в углублении, или ТТС (trench-transistor cell), имеет площадь 9 мкм2 при минимальном размере элементов ИС, равном 1 мкм.

В этой ячейке с транзистором, расположенным в углублении (ТТС), транзистор связи располагается над конденсатором.
Рис.3. В этой ячейке с транзистором, расположенным в углублении (ТТС), транзистор связи располагается над конденсатором.

Требования к профилю углубления, в котором располагается транзистор, весьма похожи на требования к углублению для конденсатора, но технология изготовления углубления при этом должна быть более точной. Так, отношение глубины к ширине такого углубления весьма велико, поскольку углубление глубиной 8 мкм должно травиться через окно размером 1,З*1,5 мкм. Гораздо сложнее и управление профилем, так как здесь речь идет о травлении углубления через квадратное окно, а не о длинной канавке. Необходимо осуществлять подгонку угла наклона боковых стенок: верхние 2 мкм, где изготовляется транзистор, наклонены под углом 85°, чтобы предотвратить образование пустот при заполнении, в то время как нижние 6 мкм, предназначенные для конденсатора, имеют стенки, наклоненные к основанию под углом 89+0,5°. Такой угол необходим, чтобы увеличить номинал создаваемой емкости и предотвратить образование острых окончаний канавок. Конденсатор, сформированный таким образом имеет, по словам Дугласа, хорошие электрические характеристики при напряжениях затвора и стока более 5 В.

В усовершенствованных биполярных ИС канавки используются в основном для изоляции приборов. Как и в случае динамических ЗУПВ, отношение глубины канавки к ширине должно быть большим: глубина 15 мкм при ширине канавки (вверху), равной 2 мкм, и глубина 8 мкм при субмикронной ширине. Боковые стенки должны быть гладкими, а точность задания угла наклона ±1°. Изолирующая канавка имеет вид длинной прорези, а не «щели почтового ящика». Обычно травить ее сравнительно легко. В то время как при использовании изоляции окислом расстояние изолируемых друг от друга областей в современных промышленных условиях обычно составляет 10 мкм, изоляция канавками позволяет уменьшить это расстояние до 2 мкм и в результате сильно увеличить плотность упаковки биполярных ИС. Изоляция канавками позволяет также избавиться от создания областей, служащих для ограничения области распространения каналов под защитным окислом. В результате существенно уменьшается емкость между коллектором и диффузионными областями, расположенными под краем окисла (diffusion-un-der-film) (рис.4).

В биполярных ИС расстояние между изолированными областями может быть уменьшено от 10 мкм (в случае изоляции окислом) до всего лишь 2 мкм (в случае изо
Рис.4. В биполярных ИС расстояние между изолированными областями может быть уменьшено от 10 мкм (в случае изоляции окислом) до всего лишь 2 мкм (в случае изоляции канавками).

В другом применении изоляции структура типа SIMOX (separation by implanted oxygen — разделение имплантированным кислородом) с изоляцией канавками глубиной 15 мкм может заменить структуру со стандартной диэлектрической изоляцией; при этом будет достигнута более высокая плотность монтажа и повысится устойчивость к радиации.

Чтобы получить достаточную производительность в условиях промышленного выпуска, скорость травления канавок должна по крайней мере в два раза превосходить скорость травления при проведении других процессов, так как глубина, протравливаемая в вертикальном направлении, в 5—50 раз больше, чем толщина пленок, которые травятся при использовании обычных технологических процессов. Этот факт потребовал проведения специальных работ, связанных с повышением селективности травления масок, контролем критичных размеров и других переменных.

При травлении канавок вопросы, связанные со структурой и повреждением поверхности во время производства, более важны, чем при других процессах сухого травления, так как поверхность вытравленных канавок, вообще говоря, должна быть активной поверхностью кремния или по крайней мере выполнять в готовой ИС функции выключенного паразитного прибора. Вновь созданные поверхности должны быть пригодными для создания активных компонентов ИС. В связи с тем, что травление носит резко выраженный ориентированный характер, микромаскировка и другие эффекты сильно сказываются на шероховатости поверхности. Без осаждения продуктов травления на боковые стенки канавки ионная бомбардировка приводила бы к повреждениям кремниевой решетки.

Когда дело дошло до выбора производственного оборудования, то исследователи из фирмы TI пришли к выводу, что реактор, в котором обрабатывается одна пластина, гораздо лучше подходит для процесса травления канавок, чем реактор, предназначенный для групповой обработки. Дуглас говорит: «Групповые реакторы намного дороже систем для травления одной пластины; при использовании в них фоторезиста в качестве маски для травления обнаруживается плохая селективность; далее, для них характерны большие неоднородности скорости травления и профиля канавки. Кроме того, эти реакторы трудно и в какой-то степени опасно очищать. По мере увеличения размеров пластины возрастает финансовый риск в случае одновременного травления целой партии пластин». Он добавляет, что процесс травления в групповом реакторе не только трудно разработать в связи с большой длительностью цикла, но и сама проверка травления пластин при их различном положении в групповом реакторе дорога и занимает много времени. Для этой проверки требуется чрезвычайно трудоемкий анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Исследователи из фирмы TI решили сами создать свою собственную установку для реактивного ионного травления одной пластины. В этом реакторе скорость травления кремния превышает 2,5 мкм/мин, а соотношение скоростей травления кремний/окисел и кремний/фоторезист превышает соответственно 150:1 и 40:1. При этом обеспечивается хороший контроль профиля вытравливаемой канавки.

Дочерние статьи:

Монте Дуглас — разработчик технологии травления канавок

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.14 (772), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.36

Electronics Vol.60 No.14 July 9, 1987 A McGraw-Hill Publication

TI's trench technology moves into the factory, pp.75—77.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Измерительное оборудование





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19871102Elc027.shtml