Способ изготовления мдп-конденсаторов
Способ изготовления МДП-конденсаторов. Использование: приборостроение, микроэлектроника. Сущность изобретения: МДП-конденсаторы с многослойным диэлектриком. На полупроводниковую пластину наносят диэлектрические и металлические слои. Формируют группами верхние металлические обкладки. Число обкладок в группе определяют с учетом технологических и конструктивных допусков. Площади обкладок в группе формируют отличающимися по площади на величину S Величина S рассчитывается по формуле с учетом параметров, характеризующих диэлектрические слои, погрешности измерения емкостей и величины отклонения значений емкостей по площади пластины.
Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления тонкопленочных конденсаторов. Известен способ изготовления тонкопленочного конденсатора, включающий формирование диэлектрического слоя на поверхности электрода-держателя, служащего нижней обкладкой, формирование верхней обкладки определенной конфигурации, индивидуальную подгонку емкости изготовленного конденсатора к заданному номиналу путем механического, лазерного воздействия или обработки электронным лучом верхней обкладки конденсатора. Недостатком известного способа является большая трудоемкость процесса индивидуальной подгонки для получения номинала конденсаторов с высокой точностью. Кроме того, подгонка сопровождается потерей площади на кристалле, снижением электрической прочности и стабильности конденсатора. Наиболее близким техническим решением является способ изготовления МДП-конденсаторов, включающий формирование на поверхности полупроводниковой пластины диэлектрических слоев двуокиси кремния и нитрида кремния и металлических слоев, например, композиции Al-Cu-Si, фотолитографическое формирование топологии верхних металлических обкладок групповым способом, причем расчетные значения толщин диэлектрических слоев и площадей обкладок соответствуют номинальной величине емкости, измерение значений емкости конденсаторов и разделение по классам точности. Недостатком известного технического решения является низкая воспроизводимость получения изделий заданного класса точности. Это определяется следующими факторами: погрешностью формирования диэлектрических слоев заданных толщин, уменьшением величины емкости по площади кремниевой пластины от центра к периферии, причем это уменьшение по различным направлениям неоднозначно и носит случайный характер. Так, для конкретного МДП-конденсатора с конструктивно-технологическими параметрами номинал 320 пФ, допуск на отклонение от номинала 10 пФ, тип структуры: металл диэлектрик полупроводник с комбинированным диэлектриком SiO2 + Si3N4. Расчетная площадь перекрытия электродов So 3,61 мм2, расчетная толщина диэлектрических слоев d 0,33 мкм, d= 0,1 мкм, конструктивный допуск на толщины диэлектрических слоев d 0,0035 мкм, d 0,01 мкм, технологический допуск на создание расчетных толщин диэлектрических слоев d= 0,01 мкм, d 0,01 мкм. Расчеты показывают величину минимального отклонения полученного значения емкости от номинала 14,38 пФ; -19,5 пФ (то есть + 4,5% -6,1%). Таким образом, известный способ обеспечивает воспроизводимое изготовление МДП-конденсаторов II класса точности. Процесс изготовления МДП-конденсатора I и "0" классов точности будет носить невоспроизводимый характер, так как требует практически недостижимых технологических допусков на формирование диэлектрических слоев. Целью изобретения является обеспечение воспроизводимости изготовления изделий заданного класса точности. В способе изготовления МДП-конденсаторов, включающем формирование диэлектрических и металлических слоев на поверхности полупроводниковой пластины, формирование топологии верхних металлических обкладок площадью So групповым способом, причем толщина диэлектрических слоев и площадь обкладок соответствует требуемой величине емкости, измерение значений емкости конденсаторов и разделение по классам точности, металлические обкладки формируют группами, отличающимися по площади в группе, при этом количество n обкладок в каждой группе определяют согласно выражению: n , где dтех1; dтех2 технологические допуски на формирование диэлектрических слоев толщинами d1 и d2; dк1 dк2 конструктивные допуски на формируемые диэлектрические слои толщинами d1, d2 для конденсаторов требуемого класса точности согласно расчета. Площади обкладок в группе формируют с дискретным отклонением каждой последующей обкладки от предыдущей, начиная с So, на величину S + , где Спл усредненная величина отклонения действительных значений емкости по площади пластины от усредненных значений в центральной зоне с радиусом 1/4 радиуса пластины; Сизм среднеквадратичная погрешность измерения емкости измерительным прибором; o диэлектрическая постоянная вакуума; 1 2 диэлектрические постоянные диэлектрических слоев; d1; d2 толщины первого и второго диэлектрических слоев, полученных согласно расчету для Со и So. Указанное выше формирование верхних металлических обкладок МДП-конденсаторов достигается применением разработанного и изготовленного согласно указанным выше выражениям фотошаблона "металл". Фотошаблон представляет собой совокупность матриц, каждая из которых включает n обкладок, площади которых отличны друг от друга на величину дискретного отклонения S каждой последующей от предыдущей, начиная с So. Применение предлагаемого технического решения позволяет в существующих технологических допусках компенсировать вероятностный характер изготовления МДП-конденсаторов "0" и I класса точности. Изобретение иллюстрируется следующим примером. В соответствии с предлагаемым техническим решением при конструктивно-технологических параметрах МДП-конденсатора как у прототипа, а именно: номинал 320 пФ; допуск на отклонение от номинала 10 пФ, тип структуры: металл диэлектрик полупроводник с комбинированным диэлектриком SiO2 + Si3N4, расчетная площадь перекрытия электродов S3,61 мм2, расчетная толщина диэлектрических слоев d= 0,33 мкм, d 0,01 мкм, конструктивный допуск на толщины диэлектрических слоев d 0,0035 мкм, d 0,01 мкм, технологические допуски на получение расчетных толщин диэлектрических слоев d 0,01 мкм, d=0,01 мкм. Число верхних обкладок составит
n 3
Усредненная величина отклонения действительных значений емкости от усредненного значения емкости в центре пластины для МДП-конденсаторов с толщинами слоев SiO2 0,33 мкм и Si3N4 0,1 мкм равна 5,12 пФ. Среднеквадратичная погрешность измерений действительных значений емкости 320 пФ на измерителе Е4-11 равна 0,3 пФ. Следовательно, величина дискретного отклонения от расчетного значения площади равна
+ +
Таким образом, в каждой группе необходимо выполнить три обкладки со следующими площадями:
So 3,61 (мм2);
S1 3,61 + 0,06 3,67 (мм2);
S2 3,61 0,06 3,55 (мм2). По результатам расчетов проектируют и изготавливают фотошаблон "металл" для фотолитографического формирования верхних металлических обкладок МДП-конденсатора. Фотошаблон представляет собой совокупность матриц, каждая из которых включает три обкладки с площадями So 3,61 мм2, S1 3,67 мм2 и S2 3,55 мм2. Фотолитографическое формирование верхних металлических обкладок МДП-конденсаторов с использованием фотошаблона согласно изобретению позволяет при любых соотношениях параметров диэлектрических слоев SiO2 и Si3N4, лежащих в пределах технологических допусков на их формирование, получать с пластины 2/3 всех конденсаторов, величины емкости которых соответствуют требуемым (320 10) пФ. В самом деле, при параметрах слоев: d= 0,335 мкм и d 0,095 мкм, Со 318, 33 пФ; С1 323,62 пФ, С2 309,51 пФ; при параметрах слоев: d 0,323 мкм и d 0,103 мкм Со 325,05 пФ, С1 330,45 пФ, С2 319,65 пФ. Даже в случае получения предельно допустимых толщин диэлектрических слоев 1/3 всех конденсаторов будем иметь действительные значения емкости, соответствующие требуемым: d 0,32 мкм и d 0,09 мкм, Со 333,597 пФ, С1 339,142 пФ, С2 328,053 пФ. После этого кремниевую подложку р-типа с удельным сопротивлением = 0,005 Ом х см отмывают последовательно в перекисно-аммиачной смеси, промывают в деионизованной воде, сушат и окисляют при температуре 1100 1оС в диффузионной печи в среде сухого (15 мин) влажного (30 5 мин) и сухого (20 мин) кислорода при расходе 220 л/ч до толщины слоя SiO20,330 0,01 мкм. Контроль толщины диэлектрического слоя SiO2 производят по контрольной пластине на эллипсометре ЛЭФ-3M с записью значения в сопроводительном листе. Подложку обрабатывают в перекисноаммиачной смеси, промывают в воде, сушат и на поверхность диэлектрического слоя SiO2 наносят слой нитрида кремния толщиной 0,1 0,01 мкм методом аммонолиза моносилана при температуре 730-750оС, рабочем давлении 660 мбар на установке "Лада-Н". Контроль толщины диэлектрического слоя производят по контрольной пластине на эллипсометре ЛЭФ-3М. Уплотнение слоя Si3N4 проводят в печи АДС-6-100 при температуре 1025оС в среде сухого (5 мин) влажного (20 мин) и сухого (5 мин) кислорода. После отмывки и сушки пластины на поверхность комбинированного диэлектрика методом вакуумного напыления наносят пленку Al толщиной 0,5 мкм. На поверхность металлической пленки наносят первый слой фоторезиста, сушат, формируют 1 рисунок изоляционного слоя, дубят фоторезист, наносят второй слой фоторезиста и осуществляют аналогичные операции но с использованием второго, подобного первому, фотошаблона. Пластину передают на операции химического травления пленки Al и ионно-химическое травление двойного слоя SiO2 Si3N4, маскированного двойным слоем фоторезиста и металлической пленки. После снятия фоторезиста и отмывки пластины в перекисно-аммиачной смеси и деионизованной воде, сушки, на поверхности пластины напыляют вторую проводящую пленку толщиной 1,70,15 мкм состава алюминий никель. Методом фотолитографии с использованием фотошаблона, представляющего совокупность матриц с площадями So, S1, S2, формируют конфигурацию верхнего электрода и контактной площадки к низкоомной кремниевой подложке. Затем предварительно отмытую подложку со сформированными структурами подвергают термообработке в течение 15 мин при температуре 530 1оС в потоке сухого кислорода. Далее пластины передают на замер действительных значений емкости изготовленных МДП-конденсаторов и разделение по классу точности. Применение предложенного способа позволит получать на 20-30% больше МДП-конденсаторов номинала емкости высокого класса точности за счет компенсации разброса толщин при формировании диэлектрических слоев изменением площади перекрытия обкладок по определенной закономерности.
Формула изобретения
где минимальное технологические допуски на формирование диэлектрических слоев с толщинами d1 и d2;
d1 и d2 конструктивные допуски на формируемые диэлектрические слои с толщинами d1 и d2 для конденсаторов требуемого класса точности согласно расчету,
а площади обкладок в группе формируют с дискретным отклонением каждой последующей обкладки от предыдущей, начиная с S0, на величину
где Cпл -усредненная величина отклонения действительных значений емкости по площади пластины от усредненных значений в центральной зоне пластины с радиусом, равным 0,25 от радиуса пластины;
Cизм средняя квадратная погрешность измерения емкостей измерительным прибором;
o диэлектрическая постоянная вакуума;
1 и 2 диэлектрические постоянные диэлектрических слоев;
d1 и d2 толщины первого и второго диэлектрических слоев, полученных согласно расчету для C0 и S0.