СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК ФОСФОРОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА Советский патент 1996 года по МПК H01L21/316 

Изобретение относится к технологии электронной техники, в частности к технологии осаждения пленок химическим осаждением из газовой фазы, активизированным плазмой, и может быть использовано для создания межуровневого диэлектрика и пассивирующих покрытий, при изготовлении сверхбольших интегральных схем.

Известен способ плазмохимического осаждения пленки фосфоросиликатного стекла, включающий размещение полупроводниковых подложек в реакторе, откачку реактора, введение в реактор смеси моносилана, закиси азота, фосфина и инертного газа и осаждение пленки фосфоросиликатного стекла в плазме ВЧ-разряда при температуре 200-380^оС и давлении 106,6-266 Па при соотношении ингредиентов закись моносилан с фосфином 23.

В результате воздействия плазменного разряда образуются радикалы типа SiH₃, SiH и др. При их взаимодействии с закисью азота возможно образование промежуточных соединений, которые распадаются с образованием частиц SiO₂ в газовой фазе, что обуславливает повышенную привносимую дефектность пленки фосфоросиликатного стекла (ФСС).

Кроме того, пленка фосфоросиликатного стекла, осажденная по данному способу, характеризуется недостаточной влагостойкостью.

Разводка межэлементных соединений, изготовленная с применением данных пленок, не обладает длительной стабильностью под воздействием климатических факторов.

Причиной этого является возможность образования фосфорной кислоты на поверхности прибора и ее взаимодействие с алюминием. Источником образования фосфорной кислоты является фосфор из пленки фосфоросиликатного стекла и влага, проникающая через корпус прибора и взаимодействующая с ФСС.

Вышеуказанные недостатки ограничивают использование данного способа в производстве сверхбольших интегральных схем.

Наиболее близким по технической сущности способом плазмохимического осаждения пленки фосфоросиликатного стекла являетcя cпоcоб, включающий размещение полупроводниковых подложек со структурами интегральных схем в реакторе, откачку реактора, введение в реактор смеси моносилана, закиси азота, фосфина и инертного газа и осаждение пленки фосфоросиликатного стекла в плазме ВЧ и СВЧ разряда (50 кГц-2,45 Ггц) при температуре 20-450^оС и давлении 13,3-266,6 Па при соотношении ингредиентов закись азота моносилан 50-100, фосфин-моносилан 0,03-0,08.

Однако и данный способ не лишен недостатков.

При воздействии плазменного разряда на моносилан возможны следующие реакции:
SiH₄_→ SiH₃+H(E_c= 4,07 эв)
SiH_→ Si+H(E_c= 3,09 эв)
Энергия связи N₂-O составляет 1,7 эв, а ON-N-4,98 эв.

В результате взаимодействия закиси азота с силановыми радикалами возможно образование промежуточных соединений типа
N N-i или N N-O-i-O-N N в газовой фазе.

Так как энергия связи азота с кислородом в 2-3 раза меньше энергии связи кремния с кислородом, то идет распад промежуточных соединений с образованием частиц двуокиси кремния в газовой фазе, что обуславливает повышенную дефектность пленок ФСС.

Разводка межэлементных соединений, изготовленная с применением данных пленок не обладает длительной стабильностью под воздействием климатических факторов из-за низкой влагостойкости ФСС и образования фосфорной кислоты при взаимодействии фосфора из ФСС и влаги, проникающей через корпус прибора.

Недостатки прототипа ограничивают использование данного способа осаждения пленки ФСС при изготовлении сверхбольших интегральных схем.

Целью изобретения является повышение качества пленки путем снижения дефектности и улучшения пассивирующей способности пленки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плазмохимического осаждения пленки фосфоросиликатного стекла, включающем размещение полупроводниковых подложек со структурами интегральных схем в реакторе, введение в реактор смеси моносилана, закиси азота, фосфина и инертного газа и осаждение пленки фосфорсиликатного стекла в плазме ВЧ и СВЧ разряда при температуре 20-450^оС и давлении 13,3-266,6 Па или соотношении ингредиентов закись азота-моносилана 50-100, фосфин-моносилан 0,03-0,08, в смесь дополнительно вводят аммиак при соотношении ингредиентов закись азота-аммиак 5-25.

В предлагаемом техническом решении повышение качества пленки фосфоросиликатного стекла, осаждаемой в плазме ВЧ и СВЧ-разряда, обусловлено следующим.

Из-за введения аммиака в газовую смесь в указанном соотношении ингредиентов закись азота-моносилан обеспечивает подавление образования микрочастиц в газовой фазе за счет ослабления хода побочных реакций.

Истинный механизм предотвращения образования микрочастиц в газовой фазе и его детали авторами не выявлены.

Возможно этому способствует наличие в газовой фазе следующих радикалов:
NH₃_→ NH₂+H(E_c= 4,76 эв)
NH₂_→ NH+H(E_c= 3,9 эв)
NH_→ N+H(E_c= 3,32 эв)
Кроме того, введение аммиака в газовую смесь способствует повышению плотности пленки ФСС.

В то же время пленка фосфоросиликатного стекла обогащается азотом. При этом содержание азота в ФСС, которое без введения в газовую смесь аммиака составляло не более 2 ат. возрастает в 5 и более раз, что обуславливает улучшение пассивирующей способности пленки за счет повышения ее влагостойкости и повышение стойкости стекла к диффузии ионов металлов.

Выбор отношения ингредиентов закись азота-аммиак при осаждении пленки ФСС сделан на основе экспериментальных результатов.

При соотношении ингредиентов закись азота-аммиак менее 5 ухудшаются условия для введения фосфора в пленку, что обуславливает ухудшение качества ФСС из-за увеличения дефектности.

При соотношении ингредиентов закись азота-аммиак более 25 ухудшается пассивирующая способность пленки из-за уменьшения количества азота в ней, что наряду с увеличением привносимой дефектности обуславливает ухудшение качества пленок ФСС.

Возможность осуществления изобретения с получением положительного эффекта при использовании существенных признаков изобретения подтверждается следующими конкретными примерами.

Плазмохимическое осаждение пленки фосфоросиликатного стекла осуществлялось на установке Лада-32 с горизонтальным трубчатым реактором и горячими стенками и вводом мощности сзади.

Использовался вакуумный агрегат RVS-500 ф Alcaffe, величина давления поддерживалась путем подачи регулируемого потока азота на вход насоса.

Электродная система состоит из шести графитовых электродов и позволяет обрабатывать за один процесс до 80 подложек.

Электроды объединены через один и подключены к ВЧ генератору плазмы с максимальной частотой 120 кГц.

Соединенные графитовые электроды изолированы друг от друга при помощи керамических изоляторов.

В качестве подложек, использовались платины кремния КДБ-12 (100), прошедшие цикл изготовления кристалла КР565РУ5 до блока формирования пассивации.

Подложки крепились к электродам при помощи штырьков с использованием пинцета.

Суммарный поток газовой смеси не превышал 3000 см³ мин.

Температура осаждения пленки во всех примерах составляла 300 ± 2^оС.

Количество одновременно обрабатываемых подложек в зависимости от используемой многоэлектродной системы подложкодержателя изменялась от 40 до 80 шт.

Толщина пленки фосфоросиликатного стекла составляла 0,8 мкм.

Осаждение пленки фосфоросиликатного стекла осуществляли при давлении 133 ± 3 Па.

Конструкция реактора позволяет осуществлять его встроенную самоочистку и подачу реагентов спереди и со стороны откачки.

Использовали моносилан-концентрат ТУ 6-02-1163-79, аммиак жидкий особой чистоты ТУ 113-17-27-515-89 и закись азота особой чистоты ТУ 113-03-28-11-88.

Процесс включал следующие шаги: загрузку подложек на графитовые электроды и размещение их в реакторе, откачку реактора до остаточного давления, нагрев подложек в потоке аргона или азота, зачистку поверхности подложек в плазме азота (аргона), откачку-вакуумирование реактора, плавное увеличение потоков N₂NH₃, N₂O, РH₃, SiH₄ и их стабилизацию, включение генератора и осаждение пленки ФСС, прекращение подачи реагентов, откачку реактора, продувку реактора азотом, прекращение откачки, напуск реактора азотом до атмосферного давления и выгрузку подложек с осажденной пленкой ФСС.

Отношения Q/Q 55; Q/Q выбирались таким образом, чтобы обеспечить С_р ≈ 3,5 мас.

Отношение Q/Q варьировалось от 3 до 30.

Всего было проведено 6 процессов.

Толщина пленки определялась неразрушающим способом при помощи прибора MPV-SP фLeitz согласно дРО.7629 891.6020300003ТК.

Прирост привносимых дефектов (Δ) определен при помощи прибора Sur fscane-4500 как разницу между количеством частиц размером более 0,5 мкм после осаждения на исходных подложках и нормировали к приросту привносимых дефектов для способа-прототипа (Δ_пр).

Концентрацию фосфора определяли рентгено-флуоресцентным методом при помощи прибора ф.Ригаку (Япония).

Дополнительно контролировали содержание азота в пленке (C_N) при помощи проведения количественного ВИМС-анализа на приборе IMS-4F ф.Камека и нормировали к содержанию азота в ФСС, осажденной по способу-прототипу (C_Nп).

Для испытаний использовались специальные тестовые структуры, позволяющие определять скорость коррозии при помощи метода поляризационного сопротивления.

Показатель преломления (n) определялся при помощи лазерного эллипсометра.

Плотность дефектов определялась по следующей формуле:
D , где 1 доля годных структур, не пробитых при данной напряженности поля,
n количество пробитых конденсаторов,
Σ количество измеренных конденсаторов,
s площадь тестовой структуры, равная 16 мм.

В таблице представлено отношение плотности дефектов в каждом конкретном случае к плотности дефектов, характерной для прототипа (D/D_n, отн. ед.).

Дополнительно определялось отношение скорости коррозии (V_к) для групп приборов с пассивацией пленкой ФСС к скорости полученной при реализации способа-прототипа (V_кп).

Испытательной средой служил раствор ортофосфорной кислоты.

Примеры способа плазмохимического осаждения пленки фосфоросиликатного стекла представлены в таблице.

Примеры 1-3 в таблице иллюстрируют предлагаемый способ осаждения пленки ФСС.

В примере 4, 5 состояние ингредиентов закись азота-аммиак выходило за заявляемые пределы.

В примере 6 приведены результаты реализации способа-прототипа.

Результаты, приведенные в таблице показывают, что предлагаемый способ (пр. 1-3) позволяет улучшить качество пленки ФСС за счет снижения дефектности и улучшения пассивирующей способности пленки.

Из таблицы очевидна нецелесообразность использования способа, при реализации которого соотношение Q/Q вы- ходило за заявляемые пределы.

По сравнению с прототипом заявляемый способ позволяет улучшить качество пленки ФСС путем снижения дефектности и улучшения пассивирующей способности пленки. При этом привносимая дефектность уменьшается вдвое, скорость коррозии уменьшается в 1,5 р.

Использование: технология электронной техники, для изготовления межуровневого диэлектрика и пассивирующих покрытий. Сущность изобретения: полупроводниковые подложки со структурами интегральных схем размещают в реакторе, откачивают реактор, вводят в реактор смесь моносилан, закись азота, фосфин, инертный газ и аммиак, осаждают пленку фосфорсиликатного стекла в плазме ВЧ и СВЧ разряда при температуре 20 - 450^oС и давлении 13,3 - 266,6 Па. Соотношение ингредиентов в смеси закись азота-моносилан 50 - 100, фосфинмоносилан 0,03 - 0,08, закись азота - аммиак 5 - 25. Способ позволяет повысить качество пленок путем снижения дефектности и улучшения пассивирующей способности. 1 табл.

СПОСОБ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК ФОСФОРОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА, включающий размещение полупроводниковых подложек с структурами интегральных схем в реакторе, откачку реактора, введение в реактор смеси моносилана, закиси азота, фосфина и инертного газа и осаждение пленки фосфоросиликатного стекла в плазме ВЧ и СВЧ разряда при температуре 20 - 450^oС и давлении 13,3 - 266,6 Па при соотношении ингредиентов закись азота-моносилан 50 - 100, фосфин-моносилан 0,03 - 0,08, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пленок путем снижения дефектности и улучшения пассивирующей способности, в смесь дополнительно вводят аммиак при соотношении ингредиентов закись азота-аммиак 5 - 25.