СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ОКСИДА КРЕМНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C30B33/04 H01L21/316 C30B29/18 

Изобретение относится к области «низкотемпературных технологий» микро- и наноэлектроники и может быть использовано при создании, например, оксидов кремния, алюминия и других полупроводников и металлов.

Известны различные способы выращивания диэлектриков в атмосфере кислорода, в частности:

- получение «тонкой» (100-300 А) оксидной термической пленки в атмосфере кислорода при облучении кремния светом видимого и близкого инфракрасного спектра с интенсивностью 3 Вт/см² [1. United States Patent US 5,639,520 от 17.06.1997 «Application of optical processing for growth of silicon dioxide»];

- получение оксидных пленок хорошего качества путем осаждения диоксида на кремний и последующего низкотемпературного отжига (500-600°C) в атмосфере азотосодержащих соединений (NH₃, N₂O) с одновременным облучением ультрафиолетом [2. United States Patent US 5,970,384 от 19.10.1999 «Methods of heat treating silicon oxide films by irradiating ultra-violet light»];

- получение высококачественной оксидной пленки путем плазмохимического осаждения оксида и последующего облучения его инфракрасным светом [3. United States Patent US 7,754,286 B2 от 13.07.2010 «Method of forming a silicon dioxide film»];

- получение оксидных пленок путем осаждения поликремния или же аморфного кремния с последующим их термическим окислением [4. United States Patent US 6,407,012 B1 от 18.06.2002 «Method of producing silicon dioxide film, method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, display and infrared irradiating device»].

Такие способы имеют недостатки:

- не обеспечивают низкотемпературное (менее 500-600°C) получение «толстых» (более 0,5 мкм) низкотемпературных диэлектриков;

- невысокую радиационную стойкость (менее 10⁶ рад);

- необходимое качество, т.е. плотность поверхностных состояний (N_ss<10¹¹ см^-2), максимальная величина критического поля (Е_кр>2·10⁵ В/см) и минимальный разброс пороговых напряжений (ΔV_t<0,1 В).

Последний недостаток устраняется в способе изобретения, взятом за прототип [1. United States Patent US 5,639,520 от 17.06.1997 «Application of optical processing for growth of silicon dioxide»], в котором используется получение «тонкой» (100-300 А) оксидной термической пленки в атмосфере кислорода при облучении кремния светом видимого и близкого инфракрасного спектра с интенсивностью 3 Вт/см².

Недостатком прототипа и аналогов является сложность получения при относительно низкой температуре (менее 500-600°C) плавления алюминия «толстых» (более 0,5 мкм) оксидов.

Техническим эффектом данного изобретения является создание технологии получения высококачественных низкотемпературных оксидов кремния:

- с характерными для высокотемпературных термических оксидов параметрами, т.е. плотностью поверхностных состояний (N_ss<10¹¹ см^-2), максимальной величиной критического поля (Е_кр>2·10⁵ В/см) и минимальным разбросом пороговых напряжений (ΔV_t<0,1 В);

- с повышенной радиационной стойкостью (более 10⁶ рад).

Указанный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе нагрев кремния в атмосфере кислорода 250-400°C осуществляют при плотности потока электронов φ в интервале 2,5·10¹²-10¹⁴ см^-2·с^-1 с энергией 3,5-11 МэВ.

Предлагаемый способ реализуется, например, с помощью устройства, представленного на чертеже.

В кварцевую трубу 1 керамического контейнера 2, продуваемую инертным газом - азотом N₂ и кислородом O_2, помещают кварцевую лодочку 3, в которой размещены кремниевые пластины 4 (10 штук), которые облучаются электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-6 при плотности потока φ=10¹³ см^-2·с^-1 с энергией 6 МэВ, который обеспечивает температурный режим на первой пластине 400°C, что позволяет осуществить за 30 минут облучения рост оксида толщиной 1,0 мкм.

Следует отметить, что величина энергии электронов уменьшается на 8% от пластины к пластине за счет потери энергии электронов при взаимодействии с кремнием, поэтому облучение проводят 2 раза, меняя положение пластин в кварцевой лодочке.

Следует отметить, выбранные диапазоны мощности излучения и времени проведения процесса определяются конкретным типом полупроводника или металла.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что МОП-структуры, изготовленные на кремниевой подложке номиналом КЭФ-4,5 Ом·см с ориентацией <100> и толщиной оксида 1,0 мкм, выращенного в атмосфере сухого кислорода при облучении электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-6 при плотности потока 10¹⁴ см^-2·с^-1 в течение 30 минут и температуре на поверхности пластин, равной 400°C, имели параметры N_ss<10¹¹ см^-2, ΔV_t=0,1 В, Е_кр>2·10⁵ В/см, характерные для высокотемпературных термических оксидов.

Экспериментальные исследования радиационной стойкости «низкотемпературного» оксида к дозе гамма-излучения, равной 10⁷ рад источника ⁶⁰Со на установке МРХ-100, показали изменение порогового напряжения МОП-структуры на 0,2 В.

Физическая суть процесса заключается в термическом разогреве материала полупроводника потоком электронов за счет выделения энергии при рассеянии электронов на атомах кристаллической решетки и образовании озона в результате ионизации молекул кислорода, которые инициируют рост оксида полупроводника при низких температурах. В процессе роста пленки оксида полупроводника воздействие электронов с энергией более нескольких сотен кэВ генерирует сверхравновесные «точечные» дефекты по Френкелю (вакансия - межузельный атом) [5. Болтакс Б.И. «Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках». Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1972, с.159-160], которые приводят к ускоренной радиационно-стимулированной диффузии атомов кислорода к границе раздела "оксид полупроводника-полупроводник".

Следует отметить, что мощное облучение электронами в упомянутом выше диапазоне температур и плотностей потока приводит к «закалке» оксида полупроводника, улучшению границы раздела оксид-полупроводник и резкому уменьшению чувствительности к действию проникающего гамма-излучения.

Изобретение относится к области низкотемпературных технологий микро- и наноэлектроники и может быть использовано для создания радиационно-стойких интегральных схем и силовых полупроводниковых приборов. Оксид кремния получают путем нагрева кремния в атмосфере кислорода до температуры 250-400°C потоком электронов плотностью в интервале 2,5·10¹³-10¹⁴ см^-2·с^-1 с энергией 3,5-11 МэВ. Технический результат изобретения состоит в получении высококачественных низкотемпературных оксидов кремния с характерными для высокотемпературных термических оксидов параметрами: плотностью поверхностных состояний (N_ss менее 10¹¹ см^-2), максимальной величиной критического поля (Е_кр более 2·10⁵ В/см), минимальным разбросом пороговых напряжений (∆V_t менее 0,1 В) и повышенной радиационной стойкостью (более 10⁶ рад). 1 ил.

Способ низкотемпературного выращивания оксида кремния путем нагрева кремния в атмосфере кислорода, отличающийся тем, что нагрев осуществляют до температуры 250-400°C потоком электронов плотностью в интервале 2,5·10¹³-10¹⁴ см^-2·с^-1 с энергией 3,5-11 МэВ.