СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C23C16/40 C23C16/24 H01L21/365 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления интегральных схем сверхбольшой степени интеграции.

В настоящее время в производстве интегральных микросхем для получения маскирующих и подзатворных диоксидов кремния используются, в основном, два способа получения диоксида кремния.

а) Термическое окисление кремния в сухом кислороде; в парах воды с хлорсодержащими веществами (Технология СБИС. Под редакцией С.М.Зи, книга 1. М.: Мир, 1986, с. 143-153).

Недостатками данных способов получения диоксида кремния являются высокие температуры проведения процессов (не менее 1273^oС) и использование растворов соляной кислоты или газообразного НСl. Использование соляной кислоты ограничивается наличием воды, существенно влияющей на кинетику окисления, а газообразный НСl обладает высокой коррозионной способностью.

б) В сухом кислороде при пониженном давлении (J.Electrochem. Soc., v. 127, 8, p. 1787-1794).

в) Осаждение диоксида кремния при пониженном давлении из кремнийсодержащих соединений (Технология СБИС. Под редакцией С.М.Зи, книга 1. М.: Мир, 1986, с. 127-129).

Недостатком данных способов получения диоксида кремния является отсутствие хлорсодержащих веществ, улучшающих электрофизические свойства диоксидов кремния.

Способ получения диоксида кремния при изготовлении интегральных микросхем выбирается исходя из требований, предъявляемых к диоксиду кремния. Так, например, для получения матричных маскирующих диоксидов кремния (толщиной более 0,3 мкм) проводят окисление в парах воды. Для маскирования поликремниевых проводящих шин, для вертикального разделения слоев n- и p-типов проводимости используется осаждение диоксида кремния при пониженном давлении. То есть, исходя из функционального назначения диоксида кремния в интегральной микросхеме выбирается тот или иной способ его получения. Общими требованиями, предъявляемыми к слоям маскирующего диоксида кремния, являются его минимальная пористость (менее 0,5 пор/см²), минимальная эффективная плотность поверхностного заряда на границе Si - SiO₂ (не более 1,5е11 см^-2), минимальная плотность подвижного заряда (менее 1e11 см^-2). Для подзатворных диоксидов кремния эти требования должны быть еще более строгими. С другой стороны, для производства сверхбольших интегральных микросхем неоднородность толщины маскирующего диоксида кремния не должно превышать ±1%, а неоднородность толщины подзатворного диоксида кремния должна быть еще меньше. Такие однородные по толщине слои диоксида кремния можно получать при пониженном давлении, когда длина свободного пробега молекул и коэффициент диффузии реагентов увеличиваются примерно на четыре порядка величины, что способствует воспроизводимому получению диоксидов кремния с однородной по пластине толщиной.

Итак, наиболее перспективными процессами создания диоксидов кремния для сверхбольших интегральных микросхем являются окисление при пониженном давлении и осаждение при пониженном давлении из кремнийорганических соединений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ получения диоксида кремния осаждением из тетроэтоксисилана (ТЭОС) (пат. USA 3934060, C 23 С 11/08, 1976), включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора, подачу ТЭОС'а в реактор, осаждение диоксида кремния, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора. Получение диоксида кремния на полупроводниковых пластинах осуществляется пиролизом ТЭОС по следующим уравнениям:

Si(OC₂H₅)₂O<-->Si(OC₂H₅)₂O (адс)
Si(OC₂H₅)₂O (адс)<-->SiO₂+C₂H₅OH+C₂H₄
Недостатком данного способа получения диоксида кремния является наличие большой плотности подвижного заряда в SiO₂ (не менее 2е12 см^-2) и большой эффективной плотности поверхностною заряда на границе Si - SiO₂ (не менее 2е12 см^-2). Распределение толщины диоксида кремния по пластине имеет куполообразную форму (в центре пластины толщина диоксида кремния меньше, чем по краям пластины), так как на распределение толщины диоксида кремния по пластине оказывает влияние геометрический фактор - форма реактора. Неоднородность толщины составляет ±10%.

Недостатком метода получения диоксида кремния термическим окислением при пониженном давлении является отсутствие очистки пластин в реакторе, что приводит к высокому значению эффективной плотности поверхностного заряда на границе Si - SiO₂, слишком большой плотности подвижного заряда в SiO₂ и большой плотности пор: не менее 2е11 см^-2, не менее 5е10 см^-2, не менее 1,5 пор/см² соответственно.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в улучшении электрофизических свойств диоксида кремния, уменьшении его пористости и увеличении однородности по толщине за счет использования хлорсодержащих веществ (С₂НСl₃ - трихлорэтилена, С₂Н₃Сl₃ - трихлорэтана, С₂Н₃Сl₂ - дихлорэтилена и других) при получении диоксида кремния. Для получения вышеназванного технического результата в способе получения диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора, подачу газореагентов, содержащих кремнийорганическое соединение, формирование диоксида кремния, прекращение подачи газореагентов, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку пластин из реактора, отличающемся тем, что дополнительно в реактор в качестве газореагентов подают кислород и хлорсодержащее вещество, представляющее собой либо трихлорэтилен, либо трихлорэтан, либо дихлорэтилен.

Технический результат может быть достигнут также в способе получения диоксида кремния, включающем загрузку полупроводниковых пластин, выполненных из кремния, в реактор с горячими стенками, откачку реактора, подачу газореагентов, содержащих кремнийорганическое соединение, формирование диоксида кремния, прекращение подачи газореагентов, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора, отличающемся тем, что в реактор в качестве газореагентов подают кислород и хлорсодержащее вещество, представляющее собой либо трихлорэтилен, либо трихлорэтан, либо дихлорэтилен.

При этом газореагенты необходимо подавать в реактор в следующей последовательности: кислород, хлорсодержащее вещество, кремнийорганическое соединение, а прекращение подачи газореагентов в реактор осуществляют в такой последовательности: хлорсодержащее вещество, кислород, кремнийорганическое соединение.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что перед формированием диоксида кремния в реактор напускают хлорсодержащее вещество и кислород.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу. Указанное выполнение предлагаемого способа приводит к тому, что при напуске хлорсодержащего вещества в реактор с кислородом образуется хлор по следующей реакции
4C₂HCl+9O₂=2НO₂+6Сl₂+8СO₂
а) Хлор химически соединяется с быстро мигрирующими примесями щелочных и других металлов с образованием летучих хлоридов, тем самым очищая поверхность подложки.

б) Хлор способствует снижению дефектности приповерхностного слоя кремния на границе кремний - диоксид кремния за счет генерирования вакансий при растяжении поверхностного слоя кремния из-за несоответствия тетраэдрических радиусов хлора (R_Cl=0,99 ) и кремния (R_Si=1,17 ), которые служат стоками для избыточных атомов кремния.

Данные факторы обусловливают улучшение электрофизических характеристик диоксида кремния, уменьшая подвижный заряд и время жизни неосновных носителей заряда в приповерхностном слое кремния.

а) Хлор подтравливает поверхность кремния, подавляя мелкоочаговые локально-термические флуктуационные образования диоксида кремния, и способствует образованию крупных устойчивых массивов зарождения диоксида кремния, тем самым уменьшая плотность микропор.

б) Подавление хлором механизма образования субмикронной структуры диоксида кремния приводит к укрупнению пор и уменьшению их плотности.

Наличие хлора в реакторе при осаждении диоксида кремния уменьшает влияние геометрического фактора на однородность толщины слоя по пластине. Такая совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки, присущие прототипу, и улучшить электрофизические параметры диоксида кремния.

Пример 1. Полупроводниковые пластины загружаются в реактор. Расстояние между пластинами 2,38 мм. Реактор откачивается до предельного вакуума, откачивается с аргоном в течение двадцати пяти минут (для стабилизации температурного профиля реактора), откачивается до предельного вакуума без подачи инертного газа в течение пяти минут, затем открывается затвор и проверяется герметичность реактора в течение одной минуты. Далее в реактор подается последовательно кислород, трихлорэтилен и ТЭОС. Температура осаждения поддерживается на уровне 740^oС. Рабочее давление в камере 70-75 Па. Время подачи реагентов 50 мин. После прекращения подачи трихлорэтилена, кислорода и ТЭОС реактор откачивается с инертным газом, а затем без инертного газа до предельного вакуума. Затем напускается инертный газ в реактор до атмосферного давления, и пластины выгружаются из реактора. Толщина диоксида кремния составляла 0,35-0,36 мкм, неоднородность толщины диоксида кремния по пластине 3%, эффективная плотность поверхностного заряда на границе кремний - двуокись кремния около 1e11 см^-2, плотность подвижного заряда в диоксиде кремния около 2е10 см^-2, а плотность микропор 0,3-0,5 пор/см².

Применение галогенидов позволяет увеличить производительность реактора в 1,5-2 раза и уменьшить неоднородность толщины диоксида кремния с 10 до 3%.

Пример 2. Полупроводниковые пластины загружаются в реактор. Расстояние между пластинами 3,38 мм. Реактор откачивается до предельного вакуума, откачивается с аргоном в течение двадцати пяти минут, откачивается до предельного вакуума без подачи инертного газа в течение пяти минут, затем закрывается затвор и проверяется герметичность реактора в течение одной минуты. Далее в реактор подается последовательно кислород и трихлорэтилен. Температура окисления поддерживается на уровне 900^oС, а рабочее давление 300 Па. Время подачи реагентов 90 мин. Затем прекращается подача трихлорэтилена, а затем и кислорода. Реактор откачивается с инертным газом, а затем и без инертного газа до предельного вакуума. Затем в реактор напускается инертный газ до атмосферного давления и пластины выгружаются из реактора. Толщина диоксида кремния составляла 50 , неоднородность толщины диоксида кремния по пластине (среднеквадратичное отклонение от среднего) ±0,5%, эффективная плотность поверхностного заряда на границе кремний - двуокись кремния около 5е10 см^-2, плотность подвижного заряда в диоксиде кремния около 1е10 см^-2, а плотность микропор 0,1-0,2 пор/см².

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технологии изготовления интегральных микросхем. Предлагаемый способ получения диоксида кремния включает формирование последнего при пониженном давлении с добавками хлорсодержащего вещества, улучшающего электрофизические параметры диоксида кремния. 2 с. и 4 з.п.ф-лы.

1. Способ получения диоксида кремния, включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора, подачу газореагентов, содержащих кремнийорганическое соединение, формирование диоксида кремния, прекращение подачи газореагентов, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора, отличающийся тем, что дополнительно в реактор в качестве газореагентов подают кислород и хлорсодержащее вещество, представляющее собой либо трихлорэтилен, либо трихлорэтан, либо дихлорэтилен. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газореагенты подают в реактор в следующей последовательности: кислород, хлорсодержащее вещество, кремнийорганическое соединение. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прекращение подачи газореагентов в реактор осуществляют в следующей последовательности: хлорсодержащее вещество, кислород, кремнийорганическое соединение. 4. Способ получения диоксида кремния, включающий загрузку полупроводниковых пластин, выполненных из кремния, в реактор с горячими стенками, откачку реактора, подачу газореагентов, формирование диоксида кремния, прекращение подачи газореагентов, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора, отличающийся тем, что в реактор в качестве газореагентов подают кислород и хлорсодержащее вещество, представляющее собой либо трихлорэтилен, либо трихлорэтан, либо дихлорэтилен. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что газореагенты подают в реактор в следующей последовательности: кислород, хлорсодержащее вещество. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что прекращение подачи газореагентов в реактор осуществляют в следующей последовательности: хлорсодержащее вещество, кислород.