СЕМЕЙСТВО ИНДИКАТОРНЫХ МЕТОК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ В ИЗОЛИРОВАННЫХ КАРМАНАХ МИКРОСХЕМ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ

Областью применения предполагаемой полезной модели является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией, а именно контроль толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах в процессе механической обработки (полировки) рабочих пластин монокристаллического кремния до дна вертикальных разделительных канавок.
Известно семейство индикаторных меток для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией, состоящее из углублений различной ширины и соответственно глубиной от наименьшей до наибольшей толщины монокристаллического кремния, слоя окисла на поверхности рельефа и заполняющего рельеф слоя поликремния (см., например, статью Dielectric Isolation: Comprehensive, Current and Future / K. E. Bean, W. R. Runyan // Journal of The Electrochemical Society. - 1977. - №124. - 8C c, Fig. 10, или статью Влияние кристаллографической ориентации на обработку кристаллов кремния / К. Бин, П. Глейм // Труды института инженеров по электронике и радиотехнике. - 1969. - Том 57, №9. - С. 8-9).
Одним из основных параметров кремниевых структур с диэлектрической изоляцией является толщина монокристаллического кремния в изолированных карманах. В промышленности в качестве рабочей поверхности в кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией наиболее часто применяются монокристаллические кремниевые пластины с кристаллографической ориентацией (100). Это обусловлено более низким пороговым напряжением МОП-транзисторов, сформированных на пластинах ориентации (100), по сравнению с пороговым напряжением МОП-транзисторов, сформированных на пластинах других ориентаций. Еще одно преимущество ориентации (100) заключается в том, что травление кремния в плоскости с ориентацией (100) происходит в 30-100 быстрее, чем в плоскости с ориентацией (111), что позволяет получать более узкие вертикальные разделительные канавки V-образной формы и тем самым экономить площадь кристалла интегральной микросхемы, занимаемую участками диэлектрической изоляции.
Для формирования вертикальных разделительных канавок в кремниевых пластинах с кристаллографической ориентацией (100) в промышленности широко применяются жидкие анизотропные травители на основе щелочей. Такие травители являются ориентационными, то есть растворяют кремний в направлении (100) значительно быстрее, чем в направлении (111), благодаря чему глубину вытравленной канавки можно задавать шириной отверстия в окисной маске.
iM
Для формирования семейства индикаторных меток в окисной маске создают прямоугольные отверстия различной ширины, через которые вытравливаются V-образные канавки. Ширина маски W для травления V-образных канавок определяется по формуле (1):
i
где D - глубина канавки;
δ - боковой подтрав.
Боковой подтрав определяется по формуле (2):
max
где T - максимальное время травления, при котором формируется V-образная канавка до пересечения двух плоскостей направления (111);
100
V - скорость травления плоскости (100);
S - отношение скоростей травления плоскостей направлений (100) и (111).
1
n
Количество индикаторных меток в семействе выбирают в зависимости от необходимой точности механической обработки (полировки) рабочих пластин: как правило, от 5 до 10 меток. Индикаторные метки имеют различную глубину, и необходимая толщина монокристаллического кремния в изолированных карманах должна попадать в интервал глубин индикаторных меток D…D, где n - количество меток.
В процессе механической обработки (полировки) рабочей поверхности кремниевых структур с диэлектрической изоляцией оператор контролирует область появления семейства индикаторных меток и количество появившихся («вскрытых») индикаторных меток, по которым определяет толщину монокристаллического кремния в изолированных карманах. Визуально индикаторные метки представляют собой рамки, образованные изолирующим окислом.
Данное семейство индикаторных меток формируется в процессе жидкостного анизотропного травления кремниевых пластин ориентации (100) для получения вертикальных разделительных канавок V-образной формы. В настоящее время в промышленности широко применяется анизотропное травление вертикальных разделительных канавок в газовой фазе при пониженном давлении, позволяющее получать более глубокие разделительные канавки и, соответственно, большую толщину изолированных карманов для изготовления высоковольтных интегральных микросхем.
Наиболее близким из известных является семейство индикаторных меток для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией, состоящее из углублений различной ширины и, соответственно, глубиной от меньшей до наибольшей допустимых толщин монокристаллического кремния, вытравленных в кремнии путем анизотропного травления в газовой фазе при пониженном давлении, слоя окисла на поверхности рельефа и заполняющего рельеф слоя поликремния (см., например, патент US 7795045 от 14.09.2010, Fig. 3).
Индикаторные метки формируются путем анизотропного травления монокристаллического кремния через окисную маску в газовой фазе при пониженном давлении. Ширина индикаторных меток должна находиться в определенном интервале, которому соответствует интервал глубин меток, в пределах которого находится необходимая толщина монокристаллического кремния в изолированных карманах. После травления канавок измеряется их глубина, и дальнейшую механическую обработку изолированных карманов проводят с учетом глубин индикаторных канавок.
Индикаторные метки представляют собой вертикальные канавки, дно которых имеет плоскую часть и покрыто изолирующим окислом, имеющим большую твердость, чем монокристаллический кремний. В процессе изготовления кремниевых структур с диэлектрической изоляцией рабочие пластины из монокристаллического кремния, в которых вытравлены вертикальные разделительные канавки и индикаторные метки, покрывают слоем окисла, все углубления заполняют поликремнием для получения в дальнейшем изолированных карманов. Далее структура со стороны рабочей пластины отшлифовывается до «вскрытия» вертикальных разделительных канавок и полируется мягким полирующим диском для получения требуемой толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах.
Однако в результате полировки все семейство индикаторных меток «вскрывается» одновременно. Поскольку монокристаллический кремний имеет меньшую твердость, чем окисел в плоской части дна наиболее глубокой канавки, которая является первой индикаторной меткой, индикаторные метки меньшей глубины также «вскрываются» и становится затруднительным определить толщину монокристаллического кремния в изолированных карманах.
Техническим результатом предполагаемой полезной модели является повышение точности определения толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных семейств индикаторных меток для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией, состоящих из углублений различной ширины и соответственно глубиной от наименьшей до наибольшей допустимых толщин монокристаллического кремния, вытравленных в кремнии путем анизотропного травления в газовой фазе при пониженном давлении, слоя окисла на поверхности рельефа и заполняющего рельеф слоя поликремния, в предполагаемой полезной модели каждая метка семейства окружена вертикальной канавкой в виде ограничительной рамки, ширина которой совпадает с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния.
Чтобы добиться постепенного удаления монокристаллического кремния над индикаторными метками различной глубины, необходимо окружить каждую метку вертикальной канавкой в виде ограничительной рамки из окисла. Ширина рамки выбирается таким образом, чтобы она совпадала с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния. При наличии ограничительной рамки вокруг каждой индикаторной метки семейства в процессе полировки скорость удаления кремния над метками разной глубины выравнивается, что позволяет повысить точность контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах.
Сущность предполагаемой полезной модели поясняется фигурами.
На фигурах 1 и 2 приведены вид сбоку и вид сверху кремниевых структур с диэлектрической изоляцией. На фиг. 1 представлен вид сбоку на семейство индикаторных меток для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах микросхем с диэлектрической изоляцией, состоящие из углублений различной ширины и соответственно глубиной от наименьшей до наибольшей допустимых толщин монокристаллического кремния, слоя окисла на поверхности рельефа и заполняющего рельеф слоя поликремния. На фиг. 2 представлен вид сверху на семейство индикаторных меток, окруженное вертикальной канавкой в виде ограничительной рамки, ширина которой совпадает с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния.
Обозначение позиций:
1 - рабочая поверхность кремниевых структур с диэлектрической изоляцией, представляющая собой пластину из монокристаллического кремния ориентации (100);
2 - вертикальные канавки;
3 - слой окисла;
4 - поликремний;
5 - уровень, до которого сошлифовывается монокристаллический кремний;
6 - изолированные карманы;
7 - вертикальная канавка в виде ограничительной рамки, ширина которой совпадает с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах;
8 - индикаторные метки для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией.
Для изготовления кремниевых структур с диэлектрической изоляцией в качестве рабочей поверхности по предполагаемой полезной модели использовались пластины из монокристаллического кремния ориентации (100) 1 (см. фиг. 1), в которых одновременно с формированием разделительных канавок были получены вертикальные канавки 2 путем анизотропного травления в газовой фазе при пониженном давлении. В дальнейшем в этих канавках формировалось семейство индикаторных меток для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах, при этом ширина меток составляла от 2,1 до 8,4 мкм (см.: таблицу 1), а также ограничительная рамка, ширина которой совпадала с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния. Края рамки были скруглены для предотвращения возникновения пустот в местах пересечения канавок при заполнении рельефа поликремнием. Затем формировался слой окисла 3 толщиной 1,5 мкм путем последовательного окисления пластины при Τ=1100°С в течение 60 минут в атмосфере сухого кислорода, (330±30) минут в атмосфере влажного кислорода и 20 минут в атмосфере сухого кислорода. Далее рельеф заполнялся поликремнием 4 толщиной 4,5 мкм путем пиролиза моносилана при температуре 650°С и при пониженном давлении. Технологический процесс осаждения поликремния при пониженном давлении отличается большей длительностью по сравнению с процессом, проходящим при атмосферном давлении. При заполнении рельефа поликремнием в местах пересечения канавок при стандартной длительности процесса неизбежно возникают пустоты, для заполнения которых требуется либо увеличить толщину слоя поликремния в полтора-два раза, что дополнительно удлиняет процесс его осаждения, либо скруглить углы канавок, и тогда увеличивать толщину поликремния не потребуется. После заполнения рельефа толщину поликремния увеличили до 400-450 мкм методом осаждения при атмосферном давлении, а затем выровняли поверхность поликремния путем шлифовки параллельно обратной стороне рабочей пластины. Далее монокристаллический кремний обратной стороны рабочей пластины последовательно отшлифовали связанным абразивом и отполировали мягким полирующим диском до уровня 5, в результате чего получили изолированные карманы 6.
При полировке под микроскопом контролируют появление индикаторных меток по всей площади пластины. Если по всей площади пластины появляются индикаторные метки в необходимом диапазоне толщин, то полировку прекращают. Если же в отдельных областях рабочей поверхности пластин индикаторные метки визуально не определяются, то под этими областями располагают фрагменты папиросной бумаги (толщина бумаги составляет от 30 до 50 мкм), совпадающие по форме с участками, где индикаторные метки не «вскрыты». При дальнейшей полировке такие участки ускоренно полируются мягким полирующим диском, благодаря чему достигается одинаковая толщина монокристаллического кремния в изолированных карманах по всей пластине.
В рабочей поверхности кремниевых структур с диэлектрической изоляцией были вытравлены вертикальные канавки в виде ограничительной рамки, ширина которой совпадает с шириной наиболее широкой метки для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах 7(см. фиг. 2). Индикаторные метки для контроля толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах интегральных микросхем с диэлектрической изоляцией 8, окруженные ограничительными рамками, появлялись на рабочей поверхности пластин последовательно, после удаления ограничительных рамок вокруг соответствующих меток, что привело к повышению точности определения толщины монокристаллического кремния в изолированных карманах. Зазоры между вертикальными канавками в виде ограничительной рамки и индикаторными метками должны быть одинаковыми для уменьшения влияния величины данных зазоров на результаты полировки.