СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ Российский патент 1998 года по МПК H01L21/316 

Изобретение относится к микроэлектронике и может найти применение в технологии полупроводниковых приборов и ИС, где требуется высокое качество границы раздела подложка-диэлектрик, формируемой при температурах не выше 300^oC.

Известен способ получения пленки диоксида кремния на подложке монокристаллического кремния из тетраэтоксисилана и кислорода при атмосферном давлении рабочих газов в условиях УФ-облучения и температуре 180-280^oC [1]. Однако из-за наличия на поверхности полупроводника загрязнений в виде естественного (собственного) оксида и углеродсодержащих примесей формируемый диэлектрик не обеспечивает необходимого комплекса электрофизических параметров границы раздела для изготовления соответствующих изделий микроэлектроники.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения пленки диоксида кремния на подложке с предварительной очисткой ее поверхности от углеродсодержащих примесей [2]. В этом способе перед осаждением диэлектрического слоя на поверхности подложки последняя подвергается фотохимической подготовке при температуре 200^oC в течение 30 мин в газообразном кислороде с давлением 1-100 Па, затем без развакуумирования образца в едином технологическом цикле проводят фотохимическое осаждение SiO₂ из газовой смеси дисилана (1 об.% в гелии) и кислорода. Суммарное парциальное давление газовых реагентов составляло 200 Па. В обоих случаях для инициирования процессов осуществлялось УФ-облучение поверхности подложки ртутной лампой с характерными пиками интенсивности фотонов при λ = 185 и 254 нм. Качество границы раздела оценивалось по вольт-фарадным измерениям на структуре кремний-диоксид кремния. Плотность поверхностных состояний (N_ss) при этом составляла около 1•10¹¹ см^-2• ЭВ^-1, а напряженность электрического поля при пробое диэлектрической пленки Е_пр = (1-2)•10⁶ B•см^-1. Очевидно, что аналогичным способом диоксид кремния может быть получен и на других полупроводниковых подложках. При этом плотность поверхностных состояний для антимонида индия и арсенида галлия составляла (3-5)•10¹¹ и (7-10)•10¹¹ см^-2 • эВ^-1 соответственно, а величина электрического поля при пробое диэлектрика на этих подложках (1-2) мВ•см^-1.

Недостатком данного способа является то, что качество изготовленных структур недостаточно высокое, что ухудшает характеристики изготавливаемых приборов.

Целью изобретения является улучшение электрофизических параметров, таких, как плотность поверхностных состояний и величина пробивного напряжения диэлектрика формируемых границ раздела структур диоксид кремния-подложка.

Цель достигается тем, что в способе получения пленки диоксида кремния на подложке, включающем подготовку поверхности подложки путем обработки ее в газовых реагентах при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200 - 250^oC и последующее осаждение в едином технологическом цикле пленки диоксида кремния из газовых реагентов при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200 - 250^oC, перед подготовкой поверхности подложку обрабатывают в газовой смеси трифторида азота и водорода с парциальным давлением 500-700 Па каждого при УФ-облучении с длиной волны не выше 170 нм при температуре 100-120^oC, при этом при подготовке поверхности в качестве газовых реагентов используют смесь трифторида азота, водорода и кислорода при парциальных давлениях 500-700 Па, 500-700 Па и 100-200 Па соответственно, а для осаждения пленки диоксида кремния в качестве газовых реагентов используют смесь тетраметоксисилана и кислорода при парциальных давлениях 50-100 и 500-1000 Па соответственно.

Экспериментально показано, что поставленная цель достигается при выполнении всех трех операций, ибо на первой дополнительной операции с использованием газовой смеси трифторида азота и водорода необходимо удалить естественный оксид; при фотохимической подготовке поверхности (2-я операция) в газовой смеси трифторида азота, водорода и кислорода достигается полное удаление углеродсодержащих примесей и "залечивание" оборванных связей поверхности подложки, образовавшихся на первой дополнительной операции, фтор-радикалами. При проведении третьей операции фотохимического осаждения диоксида кремния в газовой смеси тетраметоксисилана и кислорода достигаются формирование высокостехиометрического диоксида кремния, а качество границы раздела диоксид-кремний - полупроводниковая подложка может быть обеспечено только при выполнении первых двух операций. Без проведения одной из трех названных операций не могут быть достигнуты оптимальные параметры границ раздела структур SiO₂-подложка. При этом требования к исходному материалу подложки остаются такими же, как в прототипе.

Введение дополнительной Фотохимической операции перед подготовкой поверхности подложки позволяет достаточно эффективно (до уровня 0,1 монослоя) удалять естественный оксид, что установлено рентгенофотоэлектронным спектрометром (РФЭС), встроенным в технологической модуль и позволяющим осуществлять контроль поверхности в состоянии in situ.

Как установлено экспериментально, для эффективного возбуждения реакционной смеси при проведении дополнительной операции длина волны УФ-излучения должна быть не более 170 нм, что соответствует границе поглощения трифторида азота. Действительно, облучение с λ свыше 170 нм не приводило к удалению естественного оксида с заметной скоростью.

В табл. 1 приведены результаты по УФ-облучению кремниевых подложек при различных парциальных давлениях NF₃и H₂ и температуре 100-120^oC, которая выбрана из тех результатов, что в этом диапазоне температур достигаются наибольшие скорость и эффективность удаления естественного оксида.

Из данных табл. 1 видно, что оптимальные результаты по удалению естественного оксида соответствуют указанному выше диапазону парциальных давлений газов, используемых в качестве активных реагентов на стадии проведения дополнительной операции. Действительно, недостаточное количество водорода в смеси, с одной стороны, не позволяет полностью удалить естественный оксид в пределах 30 мин обработки, а с другой стороны, нарушение баланса газов в пользу трифторида азота приводит к травлению подложки и увеличению шероховатости ее поверхности. Слишком высокое содержание водорода в смеси из-за недостаточного количества фторсодержащих радикалов также не позволяло обеспечить необходимую скорость удаления естественного оксида.

После удаления естественного оксида проводят УФ-подготовку поверхности, включающую очистку от углеродсодержащих загрязнений и модификацию поверхности подложки. Для этого к уже указанной смеси NF₃(P=500-700 Па) и H₂ (500-700 Па) добавляли кислород (100-200 Па), что позволяло эффективно удалять оставшиеся после дополнительной операции углеродсодержащие загрязнения и предотвращать интенсивное окисление приповерхностного слоя подложки. При этом при парциальных давлениях кислорода ниже 100 Па удаление углеродсодержащих загрязнений не наблюдалось, а при парциальных давлениях выше 200 Па наблюдалось окисление подложки до соответствующих оксидов. Важно отметить, что в предлагаемом диапазоне парциальных давлений наблюдалось образование на поверхности соединений O_mSiF_n (1≤m<3, n=4-m).Такая модификация поверхности может благоприятно сказываться на электрофизических параметрах границ раздела. Эти выводы подтверждены данными РФЭС и достаточно хорошо коррелируют с электрофизическими параметрами исследуемых структур. Подготовка, как и в прототипе, проводилась при температуре 200-250^oC и УФ-облучении с λ = 185, 254 нм.

Выбор наилучших условий осаждения диоксида кремния на поверхность подложки (кремний) демонстрируется данными табл. 2. При этом соблюдены оптимальные условия дополнительной операции и подготовки поверхности. Здесь же приводятся электрофизические параметры нормируемых структур Si-SiO₂.

Видно, что оптимальными парциальными давлениями газов при осаждении диоксида кремния являются: для тетраметоксисилана 50-100 Па, для кислорода 500-1000 Па при температуре 200-250^oC и УФ-облучении с λ = 185, 254 нм. Суммарный расход газов при этом должен составлять 10-100 см³ в 1 мин. Отклонение по расходу газов в ту или иную сторону ведет к ухудшению такого параметра осаждения, как однородность, которая становится хуже 10% на пластине диаметром 100 мм.

Конкретный результат реализации предлагаемого способа показан для ряда подложек в табл. З. Способ реализован в установке с предельным остаточным давлением 10^-4 Па с газораспределительной системой для газов со степенью очистки X4 при температуре подложки от 100 до 250^oC и использовано УФ-облучение от двух источников: для дополнительной операции ксеноновая резонансная разрядная лампа с длиной волны 147 нм, с интенсивностью 0,1 мВт•см^-2, для подготовки поверхности и осаждения SiO₂-ртутная лампа низкого давления с λ = 185, 254 нм с интенсивностью 10 мВт•см^-2.

Электрофизические измерения изготовленных структур проводились по стандартной методике снятия вольт-фарадных зависимостей при частотах 0,1-1 МГц. Металлическим электродом МОП-структуры служил вакуумно-напыленный алюминий с подслоем ванадия толщинами 0,5 и 0,01 мкм соответственно.

Из данных табл. 3 видно, что основные параметры структур, изготовленных по предлагаемому способу (плотность поверхностных состояний и напряженность электрического поля при пробое диэлектрика), превышают аналогичные величины, указанные для прототипа.

Предлагаемый способ позволяет расширить возможности использования МДП-технологии на полупроводниковых подложках при создании соответствующих приборов и ИС с параметрами (крутизна, частоты, электрические поля), значительно превышающими существующие.

Предлагаемый способ опробован и для других материалов, например полимерных. Таким образом, он может найти применение не только в микроэлектронике, но и в других областях науки и техники, например в медицине при формировании биосовместимых границ раздела и защиты различных материалов.

Использование: микроэлектроника, технология полупроводниковых приборов и ИС. Сущность изобретения: в способе получения пленки диоксида кремния на подложке, включающем подготовку поверхности подложки путем обработки ее в газовых реагентах при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200-250^oC и последующее осаждение в едином технологическом цикле пленки диоксида кремния из газовых реагентов при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200-250^oC, перед подготовкой поверхности подложку обрабатывают в газовой смеси трифторида азота и водорода с парциальным давлением 500-700 Па каждого при УФ-облучении с длиной волны не выше 170 нм при температуре 100-120^oC, при этом при подготовке поверхности в качестве газовых реагентов используют смесь трифторида азота, водорода и кислорода при парциальных давлениях 500 - 700 Па, 500-700 Па и 100-200 Па соответственно, а для осаждения пленки диоксида кремния в качестве газовых реагентов используют смесь тетраметоксисилана и кислорода при парциальных давлениях 50-100 Па и 500-1000 Па соответственно. 3 табл.

Способ получения пленки диоксида кремния на подложке, включающий подготовку поверхности подложки путем обработки ее в газовых реагентах при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200 - 250^oС и последующее осаждение в едином технологическом цикле диоксида кремния из газовых реагентов при воздействии УФ-излучения с длиной волны 185, 254 нм и температуре 200 - 250^oС, отличающийся тем, что перед подготовкой поверхности подложку обрабатывают в газовой смеси трифторида азота и водорода с парциальными давлениями 500 - 700 Па каждого при УФ-облучении с длиной волны не выше 170 нм при температуре 100 - 120^oС, при этом при подготовке поверхности в качестве газовых реагентов используют смесь трифторида азота, водорода и кислорода при парциальных давлениях 500 - 700 Па, 500 - 700 Па и 100 - 200 Па соответственно, а для осаждения пленки диоксида кремния в качестве газовых реагентов используют смесь тетраметоксилана и кислорода при парциальных давлениях 50 - 100 Па и 500 - 1000 Па соответственно.