СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C23C16/40 

Изобретение относится к химическому нанесению покрытий осаждением паров из металлоорганических соединений, в частности к получению пленок двуокиси кремния, используемых в микроэлектронике.

Известен способ получения пленки двуокиси кремния из смеси дисилан-закись азота в отношении 1:10. Газом-носителем является водород либо аргон. Процесс проводят при 100-500^оС, давлении в реакционной камере 1,33·10³ Па, при облучении ртутной лампой с длиной волны 254 нм и интенсивностью 0,01-5,0 Вт/см². Образующая пленка не содержит кластеров кремния (заявка Японии 59-215731, кл. Н 01 21/316, С 01 В 33/113, 1984).

Недостатком данного способа является воздействие высокой энергии до 5 Вт·см^-2 и генерация зарядов в формируемом окисле, повышение плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводника и окисла. Повышение температуры до 500^оС приводит к перераспределению примесей в формируемой полупроводниковой структуре за счет диффузионных процессов.

Известен способ низкотемпературного осаждения двуокиси кремния из силано-кислород-водородной смеси, инициируемой тлеющим разрядом (патент США N 4572841, кл. 427/39, 1986).

Кремниевую подложку помещают в камеру, производят вакуумирование системы до 10^-6 мм рт.ст. продувку азотом и подают силан, кислородсодержащее соединение и водород. При зажигании между электродами плазменного разряда (мощность 300 Вт при частоте 13,56 МГц) по всему объему камеры происходит осаждение пленки двуокиси кремния со скоростью 180-300 /мин. Коэффициент преломления пленки 1,480. Эффективная плотность энергии на подложку 1,0 3,0 Вт/см², температура подложки ниже 300^оС, предпочтительно 150^оС. Данный способ позволяет получать пленки двуокиси кремния толщиной 80 100 .

Недостатками данного способа являются:
низкая производительность процесса, обусловленная необходимостью глубокого вакуумирования (до 0,1-1·10^-6 торр) и ограниченностью количества пластин, помещаемых на электроде;
воздействие эффективной энергии разряда (1-3 Вт/см²) на формируемые слои полупроводника и растущей пленки, приводящее к загрязнению их примесями конструкционных материалов реактора;
использование энергоемких источников и сложность в их обслуживании;
невозможность получения пленок двуокиси кремния с равномерным контролируемым легированием, обусловленной разностью скоростей окисления субстрата (моносилана) и соединений В, Р, Рb, As, Sb и др.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ низкотемпературного осаждения двуокиси кремния из паровой фазы, заключающийся в том, что кремниевую подложку помещают в кварцевый реактор и осаждение пленки двуокиси кремния ведут при температуре около 200^оС под действием излучения в коротковолновой области спектра (УФ-лампа) из непрерывно подаваемой в реактор смеси моносилан-кислорот-азот.

Недостатками этого способа являются:
необходимость использования специального источника непрерывного инициирования процесса;
низкая производительность процесса;
принципиальная невозможность получения равномерных по толщине пленок двуокиси кремния в пределах одной загрузки подложек и качественных пленок на подложках большого диаметра (более 150 мм) вследствие естественной разности газодинамических, тепловых и химических характеристик реакционного потока по объему реактора.

Цель изобретения разработка управляемого процесса получения пленок двуокиси кремния, в том числе легированных на подложках больших диаметров (практически неограниченных размеров) в заданными электрофизическими параметрами, большой производительностью и малой энергоемкостью.

Цель достигается путем формирования самораспространяющегося фронта цепной разветвленной химической реакции по гомогенной газовой смеси, содержащей соединения кремния SiH_nCl_4-n (n 0,1,2,3) в количестве 0,08-0,048 об. водород-кислородную смесь (отношение H₂: O₂ (1-4): 4) и легирующие компоненты (фосфин, арсин, боран и др.) в требуемых количествах без внешнего обогрева исходной смеси и подложек.

Инициирование проводят однократно в начале процесса точечным искровым разрядом от низковольтного источника напряжения 4. Процесс проводят в горизонтальной кварцевой трубе 1 требуемого диаметра (чертеж). Соотношение диаметра подложки и реактора составляет не более07. Кремниевые либо другие типа подложки помещают на кварцевый подложкодержатель 2 перпендикулярно оси реактора с промежутком между пластинами не менее 5 мм. Длина реактора и количество подложек в загрузке определяется требованиями производства.

Для повышения качества пленок двуокиси кремния, улучшения адгезии проводят предварительную обработку подложек хлористоводородной смесью. С этой целью реактор с помещенными внутрь подложками вакуумируют до остаточного давления 1·10^-3 мм рт. ст. и включают искровой разряд. Далее реактор вакуумируют до остаточного давления 1·10^-3 мм рт.ст. и продувают рабочей смесью 3, содержащей водород-кислород и кремнийсодержащее соединение до давления 35-60 мм рт.ст в зависимости от требуемой толщины пленки двуокиси кремния, и с помощью искрового разряда 4 производят поджог смеси. При давлении фронта реакции от торца трубы, в которой вмонтирован искровой разрядчик, вдоль оси реактора происходит поочередное нанесение пленки SiO₂ на поверхность кремниевых подложек. Время взаимодействия фронта реакции с поверхностью одной пластины составляет тысячные доли секунд. При этом возможно получение пленок SiO₂от мономолекулярных слоев до 10 нм. Для получения более толстых пленок проводят повторный цикл без предварительной обработки подложек.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа:
возможностью создания многокомпозиционных структур с разрешающей способностью разнотипных легированных слоев в пределах разрешения метода (т.е. мономолекулярных слоев);
исключением воздействия эффективной энергии на подложку;
получением равномерных полей температур во фронте реакции как по диаметру, так и по длине реактора, что снимает механические напряжения в пленках;
отсутствием нагрева подложки и реакционной смеси, что исключает влияние факторов дефектообразования в пленках и снижает энергетические затраты;
повышением производительности процеcса вследствие возможности его проведения в реакторах нужных геометрических размеров.

П р и м е р нанесения пленки двуокиси кремния. В кварцевый реактор диаметром 150 мм с помещенными внутрь пластинами кремния КДБ10(100) диаметром 100 мм создают разрежение 10^-3 мм рт.ст. и вводят смесь H₂ и Сl₂ в отношении 1:1 до давления 40 мм рт.ст. и с помощью искрового разряда зажигают ее. После эвакуации продуктов реакции реактор заполняют рабочей смесью, содержащей четыреххлористый кремний, водород, кислород, соединение легирующего компонента (или без него) до давления 50 мм рт.ст. и подают искровой разряд. После прохождения фронта реакции реактор вакуумируют и заполняют его сухим инертным газом (Ar, HE, N₂). При необходимости нанесения толстых слоев цикл повторяют без предварительной обработки подложек хлористоводородной смесью. Результаты нанесения пленок SiO₂ представлены в табл.1.

В табл.2 приведены данные по получению пленок SiO₂ легированных фосфором из смеси, содержащей 0,8 об.

Использование предлагаемого изобретения позволит разработать новый технологический процесс получения пленок двуокиси кремния, в том числе легированных, для использования, например, в создании трехмерных полупроводниковых приборов, повысить производительность процесса и снизить его энергозатраты.

Использование: в микроэлектронике. Сущность изобретения: осаждение из газовой смеси инициируется однократным разрядом в течение 0,001 - 0,01 с, а газовая смесь содержит 0,006 - 0,048 об.% соединения типа SiM_n Cl_4 - n, водород и кислород при их соотношении 1 - 4 : 4. 1 з. п.ф-лы, 1 ил, 2 табл.

1. Способ получения пленок двуокиси кремния, включающий осаждение в газовой смеси, содержащей соединение кремния и кислород, отличающийся тем, что осаждение инициируется однократным искровым разрядом в течение 0,001 0,01 с, при этом газовая смесь дополнительно содержит водород и, при необходимости, легирующие добавки, а в качестве соединения кремния берут соединение типа SiH_nCl_4 - n в количестве 0,006 0,048 об. при соотношении содержания водорода и кислорода (1-4):4. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осаждении легированных пленок двуокиси кремния берут добавки летучих соединений фосфора, бора и мышьяка в количестве 0,001 0,005 об.