181083. lajstromszámú szabadalom • Eljárás aktív és passzív áramköri elemeket tartalmazó félvezető eszközök, előnyösen integrált áramkörök kialakítására
3 181083 4 On Sapphire) eljárás elterjedésének egyik legnagyobb akadálya, hogy a megfelelő minőségű és méretű egykristályos polírozott zafír lemez ára sokszorosa a polírozott szilíciumszelet árának. Mind a szilícium alapú, mind pedig az egykristályos zafír alapú áramkörök előállításának egyik legfontosabb jellemzője, hogy az aktív elemek kialakítása egykristályos szilícium rétegben és egyetlen szinten történik. Voltak ugyan kísérletek nem egykristályos, azaz polikristályos vagy amorf rétegeknek aktív elem előállítására való felhasználására, azonban ezeknek az eszközöknek a minősége, tulajdonságai messze elmaradtak az egykristályos szilíciumban kialakított eszközök jellemzőitől. Aktív elem megvalósítása nem egykristályos szilícium rétegben azzal az előnnyel járna, hogy a hordozóként felhasználható anyagok köre jelentősen kiszélesedne és lehetővé válnék a szilícium vagy zafír egykristályoknál olcsóbb anyagok, például üveg, kerámia stb. felhasználása. A polikristályos szilícium rétegek aktív elemeket hordozó rétegként való felhasználása azzal az előnnyel is járna, hogy egy egyetlen szinten elkészített aktív elemcsoport, mondjuk egy integrált áramkör, valamennyi művelet befejezése után, megfelelő módon elszigetelve, hordozóként alkalmazva, felhasználható lenne egy újabb aktív elemcsoportot tartalmazó réteg kialakításához. Ily módon az aktív elemek több rétegben, egymás felett helyezkedhetnek el, ami lehetővé tenné a méretek lényeges csökkentése nélkül az elemek számának növelését egy adott felületen. A jelenleg ismeretes mikroáramköri eljárások mindegyike csupán egyetlen rétegben tartalmaz aktív elemeket. Eljárásunk alapjául az a felismerés szolgál, hogy nem egykristályos hordozóra leválasztott polikristályos vagy amorf szilícium vékonyréteg megfelelően végzett lézeres vagy elektronsugaras kezelés hatására olyan tulajdonságú lesz, amely lehetővé teszi, hogy jóminőségű aktív elemeket alakítsunk ki benne. Mivel a polikristályos szilícium réteg kialakítható minden olyan anyagon, amely ellenáll a leválasztás hőmérsékletének, az alapanyag választék jelentősen kibővíthető. Ugyanakkor a lézeres vagy elektronsugaras kezelés az egymás fölött kialakított rétegekben többször is megismételhető, így lehetővé válik többrétegű eszközök előállítása. Eljárásunkat részletesebben néhány példa bemutatásával fogjuk ismertetni. Egyik kézenfekvő és illusztrálás szempontjából legalkalmasabb példa n-csatornás IGFET elemekből álló integrált áramkör előállítására történő alkalmazás. Ebben az esetben kiinduló anyagként például polírozott, egykristályos szilícium lemezt alkalmazhatunk. Ez a szilícium szelet az adott esetben csak passzív szerepet tölt be, hordozóként használjuk. Erre a szokásos módszerekkel, például a jól ismert CVD (kémiai gőzfázisú reakció) segítségével vékony, hozzávetőleg 1000-1500 Â vastagságú szilícium nitrid réteget hozunk létre. A szilícium nitrid jó szigetelő, a szilíciumhoz jól tapad. Vastagságával szemben egyetlen kritérium, hogy az áramkör előálh'tása során szükséges és a későbbiekben részletesen is megemlítésre kerülő hőkezeléseket jól búja. Ezen a szigetelő rétegen szintén CVD módszenei, vagy egyéb eljárások alkalmazásával mintegy 5000 Â vastagságú polikristályos szilícium réteget hozunk létre. A polikristályos szilícium réteg a leválasztás során szükség szerint p- vagy n-típusúra és megfelelő adalékanyag koncentrációjúra adalékolható. Ez a réteg ilyen formában nem alkalmas jóminőségű IGFET előállítására; ebben a rétegben a töltéshordozók mozgékonysága sokkal kisebb, mint a hasonló koncentrációban adalékolt egykristályban. Ennek egyik legfőbb oka, hogy a polikristályos szilícium szemcsemérete kicsi és a szemcsehatárok szerepű dominál a vezetési mechanizmusban. Megfelelő körülmények között elvégzett lézeres hőkezelés hatására a polikristályos szilícium tulajdonságai megváltoznak. Az általunk bemutatandó esetben például úgy járhatunk el, hogy a szilícium szeletet célszerűen megválasztott sebességgel mozgó asztalon helyezzük el és a felületét például folyamatosan Q-kapcsolt üzemmódban működő Nd : YAG lézer alap- vagy első felharmonikusával besugározzuk. A sugárzás energiasűrűség tartományát úgy választjuk meg, hogy a besugárzott részen a polikristályos szilíciumréteg megolvadjon, de ugyanakkor maradandó roncsolódás még ne következzen be. Természetesen a lézeres hőkezelés számos más ismert módon is történhet, ezzel módszerünket nem kívánjuk korlátozni. Ilyen besugárzás és visszakristályosítás hatására a polikristályos szilícium szemcsenagysága jelentősen megnövekszik. Ezzel az egységnyi térfogatra jutó szemcsehatár sűrűség lecsökken. Ez önmagában is jó hatással van a polikristályos szilícium vezetőképességére. Ugyanakkor a precipitátumok, amelyek a lézeres hőkezelés előtt nagy mennyiségben vannak jelen a szilíciumban, beoldódnak, ezzel az elektromosan aktív töltéshordozók száma megnövekszik. Dy módon a lézeres hőkezelés után a polikristályos szilícium réteg tulajdonságai megközelítik az egykristályos szilíciumréteg tulajdonságait. Egy ilyen réteg már alkalmas akár egykristályos szilíciumban kialakított IGFET jellemzőit megközelítő aktív eszköz előállítására is. Ezen a polikristályos rétegen a szokásosan használt nedves oxidáció segítségével létrehozzuk az ún. téroxidot. Ezután fotolitográfiai lépés alkalmazásával a kialakítandó aktív tranzisztorok helyéről az oxidréteget szelektíven eltávolítjuk. Ezt a gate oxid növesztése, majd a gate elektródaként használt polikristályos szilícium réteg leválasztása és az áramkör követelményeinek megfelelő, fotolitográfiával történő gate-kialakítása követi. A source és drain területek és a gate adalékolás diffúzióval vagy ionimplantációval történhet. A fentebb bemutatott példában a kész áramkörök k alakítása során létrejövő felület nem alkalmas arra, hogy azon egy újabb áramköri szintet alakítsunk ki, mivel nem sík, elsősorban a téroxid létrehozásakor kialakuló oxidlépcsők következtében. Ennek kiküszöbölésére a téroxidot szelektív oxidálással alakíthatjuk ki. Ehhez az aktív tranzisztorok kialakítására szolgáló területet az oxidációval szemben maszkoló szilícium nitrid réteggel vonjuk be, a téroxid területén pedig a polikristályos szilícium réteget részben eltávolítjuk, olyan mértékben, hogy az oxidáció után a téroxid felületének felső szintje 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
