СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ ОКСИДА КРЕМНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/316 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в полупроводниковой технологии для получения диэлектрических слоев при низких температурах.

Актуальность разработки низкотемпературных способов получения диэлектрических слоев определяется необходимостью сохранения свойств полупроводниковых кристаллов и структур, изменения которых при использовании высокотемпературных процессов связаны с диффузионными явлениями, с разложением сложных полупроводников и разрушением элементов готовых структур при высоких температурах. Известен ряд способов получения слоев оксида кремния, в которых для активации используется плазма высокой частоты (ВЧ).

Наиболее часто используют способ получения слоев оксида кремния из смесей силана с кислородом или закисью азота [1] . Слои получают при температуре 300-350^оС в реакторе с разделенными зонами плазмы и роста слоев. При этом активируют только окислитель или смесь окислителя с инертным газом. Получаемые слои имеют показатель преломления 1,455-1,460, что близко к значению показателя преломления n = 1,458 слоев SiO₂, получаемых окислением кремния при T = 1050^оС. Однако положение максимума полосы поглощения Si-О групп в этих слоях соответствует значениям 1050-1058 см^-1. На основании этого можно сделать заключение, что получаются слои SiO_х с х = 1,75-1,86 [2] . Кроме того, слои, получаемые этим способом, имеют высокие напряжения и не пригодны для межуровневой изоляции в электронных структурах.

Известны способы получения слоев SiO₂ из кремнийорганических соединений. Преимущество использования этих исходных веществ состоит в их безопасности и дешевизне по сравнению с горючим и взрывоопасным силаном. Получаемые из кремнийорганических соединений слои имеют меньшие напряжения и более пригодны для межуровневой изоляции. Однако слои, получаемые этим способом, имеют значительные отклонения химического состава от стехиометрии. Так предлагают получать слои SiO₂ окислением тетраэтоксисилана (C₂H₅O)₄Si кислородом или закисью азота в реакторе Рейнберга [3] . Слои получали при температуре подложки Т_п = 260-330^оС и мощности ВЧ-разряда 225 Вт (0,06 Вт/см²). Слои имели показатель преломления n = 1,47 и по данным Оже-спектроскопии состав, близкий к стехиометрическому. Однако метод Оже-спектроскопии имеет высокую чувствительность при анализе поверхности и плохую точность при анализе пленок с использованием их послойного травления.

Более достоверна характеристика состава с помощью ИК-спектроскопии, приводимая в этой же работе. По данным ИК-спектроскопии коэффициент поглощения получаемых в работе [3] слоев в максимуме полосы поглощения Si-O групп α = 12 ˙10⁴ см^-1 (α = ε˙С, где ε - коэффициент экстинкции; С - концентрация SiO групп, см^-3). Для сравнения α = (28-30) ˙10³ см^-1 для слоев, получаемых термическим окислением кремния при Т = 1000^оС.

Таким образом, недостатком данного способа является то, что получаемые слои имеют состав, значительно отличающийся от слоев, получаемых при высокотемпературном окислении кремния.

Известен способ получения слоев SiO₂ окислением гексаметилдисалазана (ГМДС) Si₂NH(CH₃)₆ при соотношении P₀₂/P_ГМДС = R > 2 термическом способе активации процесса. Недостатком этого способа являются высокие температуры (Т > 800^оС) получения слоев. Кроме того, низкое значение показателя преломления m = 1,41 указывает на значительное отклонение химического состава от стехиометрии.

Наиболее близким к заявляемому является способ [4] , заключающийся в том, что слои SiO₂ получают окислением тетраэтоксисилана (ТЭОС) в плазмохимическом процессе при температуре подложек Т_n= 250-400^оС, которые вынесены из зоны плазмы. ВЧ-активации при мощности 200-400 Вт подвергается только окислитель (кислород или закись азота). Основными недостатками этого процесса являются следующие.

Источник ТЭОС должен нагреваться до 60^оС, чтобы получить необходимое парциальное давление его паров. Поэтому все коммуникации, по которым подаются пары ТЭОС, должны подогреваться до Т ≥60^оС, что значительно усложняет технологическую аппаратуру. Слои, получаемые при Т_n > 250^оС, содержат значительное количество воды и силанольных групп (Si-OH). Это связано с образованием воды как продукта разложения ТЭОС. Содержание воды в газовой фазе по данным работы [5] составляет до 30% от общего давления. Лишь только при температуре T_n > 400^оС получаются слои с низким содержанием этой примеси. Техническим результатом данного изобретения является получение стехиометричных слоев оксида кремния при температурах подложки T_n = 200-300^оС окислением гексаметилдисилазана закисью азота.

Технический результат достигается тем, что в способе получения слоев оксида кремния, включающем плазмохимическое окисление кремнийорганического соединения, нагрев пластин, активацию газов ВЧ-разрядом, слой оксида получают при температуре подложки 200-300^оС окислением гексаметилдисилазана с парциальным давлением (0,5-2,0)˙10^-2Торр, закисью азота с парциальным давлением (3,0-5,0) ˙10^-2 Торр, которые вводят за зоной ВЧ-разряда в среде гелия при парциальном давлении (1,5-3,0) 10^-2 Торр, вводимом через зону ВЧ-разряда с приложенной мощностью 80-100 Вт.

Снижение температуры ниже 200^оС приводит к уменьшению количества Si-O групп в пленках и к появлению С-Н групп. Увеличение температуры выше 300^оС ведет к деструкции пленки.

При уменьшении мощности ниже 60 Вт снижается количество Si-O групп, при увеличении мощности выше 120 Вт наблюдается деструкция поверхности за счет взаимодействия с компонентами плазмы.

При давлении гелия ниже 1,5˙ 10^-2 Торр в пленке появляются С-Н группы, при давлении гелия больше 3,0 ˙10^-2 торр снижается скорость роста за счет дезактивации активированных компонентов смеси.

При снижении давления закиси азота ниже 3,0 ˙10^-2 Торр в пленках появляются С-Н группы.

При увеличении давления закиси азота выше 5˙ 10^-2 Торр наблюдается дезактивация активированных частиц.

При уменьшении давления ГМДС ниже 0,5 ˙10^-2 торр наблюдаются низкие скорости роста слоев (< 5 А/мин).

При давлении ГМДС выше 2,2 ˙10^-2 Торр в пленках появляются С-Н группы.

Таким образом, окисление ГМДС закисью азота при установленных параметрах плазмохимического процесса позволяет при низких температурах и мощностях ВЧ-разряда получать стехиометричные слои оксида кремния.

Получение слоев оксида кремния проводится в кварцевом реакторе, схема которого приводится на чертеже.

Реактор состоит из кварцевой трубы 1, индуктора 2, распыляющего кольца 3, подложкодержателя 4. Индуктор 2 изготовлен из медного прутка диаметром 2,5 мм и длиной 30 мм. Индуктор имеет диаметр 43 мм и состоит из 6 витков.

Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами.

Типичный пример.

Предварительно подготовленную подложку 5 через шлюзовое устройство помещают на локально нагреваемый подложкодержатель 4, реактор закрывают и откачивают до остаточного давления 10^-2 Торр. Подложкодержатель, расположенный на расстоянии 270 мм от края индуктора, нагревают до температуры 250^оС. По газораспределительной системе через индуктор подают гелий до парциального давления 2 ˙10^-2 Торр. Затем через распыляющее кольцо 3, расположенное на расстоянии 200 мм от края индуктора 2, подают поочередно гексаметилдисилазан (ГМДС) и закись азота и устанавливают их парциальные давления Р_гмдс = 1 ˙10^-2 Торр, P = 4 ˙10^-2 Торр. На индуктор 2 подают ВЧ-мощность 90 Вт и проводят процесс роста оксида кремния до необходимой толщины со скоростью 40 А/мин. После окончания процесса отключают ВЧ-мощность, потоки ГМДС и закиси азота, подложку охлаждают и в потоке гелия извлекают из реактора. Полученные слои по данным ИК-спектроскопии характеризуются значением коэффициента поглощения Si-O групп на частоте ω = 1065 см^-1, равным (2,8-3,0) ˙10⁴см^-1, что соответствует стехиометрическому составу слоев с х = 2. В слоях отсутствуют группы ОН и Si-OH.

Значения параметров процесса и характеристика слоев приведены в таблице.

Таким образом, данный способ позволяет получать слои оксида кремния стехиометричного состава для полупроводниковой технологии.

Использование: способ получения слоев оксида кремния, используемый в микроэлектронике для получения диэлектрических слоев при низких температурах. Сущность изобретения: получение стехиометрических слоев оксида кремния плазмохимическим окислением гексаметилдисилазана закисью азота, которые вводятся в реактор за зоной индуктора разряда при парциальных давлениях соответственно (0,5-2,0)·10^-2 и (3,0-5,0)·10^-2 , при температуре подложек 200 - 300 С в среде гелия, который вводится в реактор через зону ВЧ-разряда, при парциальном давлении (1,5-3,0)·10^-2 , и при мощности ВЧ-разряда 80 - 100 Вт. 1 ил. , 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ ОКСИДА КРЕМНИЯ, включающий размещение подложек в реакторе, откачку реактора, нагрев подложек, напуск в реактор гелия и подачу кремнийорганического соединения и окислителя, возбуждение ВЧ-разряда индуктором, расположенным вне зоны размещения подложек, наращивание на подложку слоя оксида кремния требуемой толщины, отличающийся тем, что подложки нагревают до 200-300^oС, гелий напускают через зону индуктора до парциального давления 1,5 - 3,0 · 10^-2 Торр, в качестве кремнийорганического соединения используют гексаметилдисилазан при парциальном давлении 0,5-5,0 · 10^-2 Торр, а в качестве окислителя - закись азота при парциальном давлении 3,0-5,0 · 10^-2 Торр, которые подают в реактор между зоной индуктора, и подложкой слой оксида кремния наращивают при мощности разряда 80-100 Вт.