ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛОЯ НИТРИДА КРЕМНИЯ SI3N4 ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ

Слой нитрида кремния Si3N4 образуется аммонолизом дихлорсилана (SiH2Cl2) при пониженном давлении и температуре в интервале 700 – 800°C:

3SiH2C12 (г) + 4NH3 (г) ® Si3N4 (тв) + 6Н2 (г) + 6HCl (г).

Cлой нитрида кремния Si3N4 позволяет стабилизировать параметры интегральной микросхемы за счёт снижения влияния положительно заряженных ионов щелочных металлов (K+, Na+, Li+) на параметры элементов интегральной микросхемы.

Недостатками данного способа остаются низкие напряжения питания интегральной микросхемы из-за малой толщины межслойного диэлектрика и нестабильность электрических параметров интегральной микросхемы из-за наличия зарядов поверхностных состояний. Заряды поверхностных состояний также приводят к уменьшению коэффициента усиления β горизонтальных p-n-p транзисторов на малых токах, нестабильности параметров интегральной микросхемы.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ изготовления интегральной микросхемы [1], содержащей вертикальные n-p-n транзисторы, горизонтальные p-n-p транзисторы, работающие на малых токах, со структурой, содержащей подложку p-типа, n+ скрытый слой, p+ скрытый слой, эпитаксиальную плёнку n-типа, разделение p-типа, слои «база n-p-n», «эмиттер n-p-n», межслойный диэлектрик, включающий как минимум три слоя: двуокиси кремния, нитрида кремния, двуокиси кремния. При этом нижний слой межслойного диэлектрика из двуокиси кремния сформирован методом окисления, а верхний слой – методом пиролиза тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4 при температуре 650 – 750 °C (среднетемпературный оксид кремния или СТО) с добавлением триметилортофосфата (триметиловый эфир фосфорной кислоты). В результате образуется среднетемпературное фосфоросодержащее стекло (СТФСС) толщиной 0,55 ± 0,05 мкм. Толщина верхнего слоя двуокиси кремния 0,55 ± 0,05 мкм объясняется тем, что при таких её значениях достигается необходимый порог паразитного pМОП транзистора более 50 В.

При этом происходит следующая химическая реакция:

Si(OC2H5)4 → SiO2 + побочные продукты (исключая водород).

Увеличение суммарной толщины межслойного диэлектрика приводит к увеличению напряжения питания интегральной микросхемы. Среднетемпературное фосфоросодержащее стекло и маскирующий подслой нитрида кремния Si3N4 позволяют ещё более стабилизировать параметры интегральной микросхемы за счёт снижения влияния положительно заряженных ионов щелочных металлов (K+, Na+, Li+) на параметры элементов интегральной микросхемы. Однако они не приводят к нейтрализации зарядов поверхностных состояний. Недостатком данного способа остаётся нестабильность электрических параметров интегральной микросхемы из-за наличия зарядов поверхностных состояний и пониженный процент выхода годных. Заряды поверхностных состояний также приводят к уменьшению коэффициента усиления β горизонтальных p-n-p транзисторов на малых токах, нестабильности параметров интегральной микросхемы.

Для нейтрализации зарядов поверхностных состояний используют дополнительную операцию отжига в водороде H2 или в форминг газе (смесь водорода и азота) при низкой температуре (450 °C)..

Сопоставительный анализ предлагаемого метода с прототипом показывает, что заявляемый способ изготовления интегральной микросхемы от известного отличается тем, что верхний слой двуокиси кремния формируют плазмохимическим осаждением в системе реагентов тетраэтоксисилан-кислород, при температуре 380 ± 20 °C, давлении в реакционной камере 1200 ± 200 Па, и мощности высокочастотного разряда 450 ± 70 Вт.

Плёнки двуокиси кремния, осаждаемые при низких температурах (200 – 500 °C), дополнительно содержат водород.

Водород, выделяющийся при плазмохимическом осаждении, нейтрализует заряды поверхностных состояний, что способствует увеличению коэффициента усиления β горизонтальных p-n-p транзисторов на малых токах. Тем самым происходит стабилизация электрических параметров интегральной микросхемы и повышение процента выхода годных. Кроме того, применение плазмохимического осаждения двуокиси кремния в системе реагентов тетраэтоксисилан-кислород позволяет исключить технологическую операцию отжига в водороде и тем самым уменьшить цикл изготовления интегральной микросхемы.

Реализация предлагаемого способа изготовления интегральных микросхем подтверждается следующими конкретными примерами.

На рисунке 1 показан пример схемы электрической интегральной микросхемы стабилизатора напряжения [2], а на рисунке 2 – структура элементов интегральной микросхемы. Интегральная микросхема содержит вертикальные n-p-n транзисторы (1), горизонтальные p-n-p транзисторы (2), работающие на малых токах. Данные элементы имеют структуру, содержащую подложку p-типа (3), n+ скрытый слой (4), p+ скрытый слой (5), эпитаксиальную плёнку n-типа (6), разделение p-типа (7), слои «база n-p-n» (8), «эмиттер n-p-n» (9), межслойный диэлектрик (10). Межслойный диэлектрик имеет как минимум три слоя: двуокиси кремния SiO2, нитрида кремния Si3N4, двуокиси кремния SiO2.

Предлагаемый способ позволяет повысить коэффициент усиления p-n-p транзистора в 4,3 – 18,8 раза при рабочих токах базы 0,1 – 1 мкА, стабилизировать напряжение источника опорного напряжения и выходное напряжение интегральной микросхемы стабилизатора напряжения,  повысить выход годных структур в 1,8 – 2,4 раза. Если вышеуказанные условия не соблюдаются, эффект не достигается.

Рисунок 1. Схема электрической интегральной микросхемы стабилизатора напряжения [2]

Рисунок 2. Структура элементов интегральной микросхемы [2]

Режимы формирования и параметры pnp транзистора, интегральной микросхемы стабилизатора напряжения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Режимы формирования и параметры p-n-p транзистора, интегральной микросхемы стабилизатора напряжения

Анализ таблицы 1 показывает, что наибольший коэффициент усиления достигается при удельной емкость НК. А наименьшая плотность токов утечки достигается при загрузке пластин в реактор при температуре 400 – 450 °С, толщине слоев нитрида кремния 3 – 5 нм, дополнительной обработке в азоте в течение 2 – 5 минут и отжиге в аммиаке при давлении 20 – 160 Па. Скорость осаждения пленок нитрида кремния не более 0,35 нм/мин и наилучшая однородность толщины нитрида кремния по пластине и по загрузке достигаются при температурах осаждения не выше 710 °С и давлении в диапазоне 22,5 – 30 Па. При толщине слоев нитрида кремния менее 2 нм, температурах осаждения ниже 650 °С, уменьшении длительности дополнительной обработки в азоте и давлении при отжиге в аммиаке менее 20 Па происходит повышение плотности токов утечки, снижение производительности оборудования и уменьшение выхода годных структур. При загрузке пластин в реактор при температурах выше 450 °С, температурах осаждения выше 710 °С, давлениях при осаждении выше 30 Па происходит ухудшение однородности осаждения, снижение дельной емкости НК, снижение выхода годных структур.

В качестве подложек использовались пластины КДБ-12 (100) диаметром 150 мм. Пленки двуокиси кремния получали в реакторе поштучной обработки тетраэтоксислана и кислорода марки 4.0. Температура осаждения варьировалась от 360 до 400 °С. Давление в реакторе изменялось от 1000 до 1400 Па, а мощность ВЧ-разряда от 380 до 520 Вт. (В таблице 1 большие диапазоны). Толщина пленок двуокиси кремния измерялась при помощи методом интерферометрии на установке MPV-SP фирмы Leica. Остальные операции выполнялись в соответствии с технологической документацией на изделие.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента усиления β p-n-p транзистора от тока базы Iб [2]

На рисунке 3 показана зависимость коэффициента усиления β p-n-p транзистора от тока базы Iб. Анализ таблицы 1 и рисунка 1 показывает, что наибольший коэффициент усиления p-n-p транзистора и наиболее стабильные параметры интегральной микросхемы стабилизатора напряжения (напряжение источника опорного напряжения, выходное напряжение микросхемы стабилизатора) достигаются при температуре 380 ± 20 °C, при давлении в реакционной камере 1200 ± 200 Па, и мощности высокочастотного разряда 450 ± 70 Вт (вариант 3).

Таким образом, предлагаемый способ изготовления интегральной микросхемы позволяет решить задачу нейтрализации зарядов поверхностных состояний, повышения стабильности электрических параметров, уменьшения цикла изготовления и увеличения процента выхода годных ИС.

Техническим результатом является повышение стабильности электрических параметров, повышение процента выхода годных интегральной микросхемы и уменьшение цикла её изготовления.

Список литературы:

1. Конструкторская документация «Кристалл. Структура элементов», СФНК.430109.069Д.
2. LD1117 series. Low Drop Fixed and Adjustable positive voltage regulators, 2004.