СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/205 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии осаждения пленки двуокиси кремния из газовой фазы, и может быть использовано при производстве сверхбольших интегральных схем.

Цель изобретения повышение качества пленки путем снижения дефектности и повышения электрической прочности.

Поставленная цель достигается тем, что по способу формирования пленки на кремниевой подложке в реакторе пониженного давления, включающему продувку реактора, осаждение на подложку пленки двуокиси кремния из газовой фазы, включающей кремнийсодержащее соединение и окислитель, при температуре 650 - 850^oС и пониженном давлении термообработку кремния в сухом кислороде при температуре осаждения, продувку реактора проводят закисью азота при давлении 40 266 Па в течение 3 20 мин, а термообработку пленки в кислороде проводят при давлении 80 400 Па в течение 15 30 мин.

Проводимая перед осаждением пленки двуокиси кремния продувка реактора закисью азота при давлении 40 266 Па в течение 3 20 мин при температуре осаждения обеспечивает отсутствие дефектообразования при контакте следов закиси азота, например, с моносиланом, в отличие от контакта кислорода с моносиланом в этой области температур, в то время как качество образующейся системы Si-терм. SiO₂ остается практически таким же, однако из-за cнижения плотности "ослабленных" участков SiO₂ cнижается его дефектность.

Термообработка пленки в кислороде при давлении 80 400 Па в течение 15 - 30 мин позволяет обеспечить полное прокисление Si-включений в объеме пленки, что обуславливает снижение дефектности при обеспечении надежной работы вакуумных агрегатов.

При продувке реактора закисью азота при давлении ниже 40 Па в течение менее 3 мин образуется несплошная пленка термического SiO₂ из-за усиления образования SiO при данных условиях, что обусловливает ухудшение границы раздела Si-SiO₂ и, следовательно, повышение дефектности и снижение электрической прочности.

При продувке реактора закисью азота при давлении более 266 Па в течение более 20 мин не происходит дальнейшего улучшения границы раздела и качества пленки при увеличении длительности процесса.

При термообработке пленки в кислороде при давлении ниже 80 Па в течение менее 15 мин при температуре осаждения не достигается полное прокисление Si-включений в объеме пленки, что обусловливает невысокую электрическую прочность, повышенную дефектность, и, следовательно, низкое качество двуокиси кремния.

При термообработке пленки в кислороде при давлении более 400 Па в течение более 30 мин при температуре осаждения не происходит дальнейшего повышения качества пленки, а именно снижения дефектности. При этом ухудшается надежность вакуумных агрегатов.

При температуре термообработки ниже 650^oC наблюдается ухудшение качества двуокиси кремния из-за снижения интенсивности окислительных процессов при возрастании длительности процесса и снижения производительности.

При температуре термообработки в кислороде более 850^oC b неравной температуре осаждения повышается длительность процесса без дальнейшего улучшения качества двуокиси кремния из-за инерционности резистивного нагрева (при снижении воспроизводимости процесса).

Возможность осуществления изобретений с получением положительного эффекта при использовании всей совокупности положительных признаков изобретения подтверждается следующими примерами.

Осаждение пленки двуокиси кремния осуществлялось на подложке диаметром 100 мм на установке Изотрон-4/150 c горизонтальным трубчатым реактором с горячими стенками, изотермической зоной. Использовался вакуумный агрегат 2АВР-160.

Величина давления поддерживалась путем подачи регулирующего потока азота на вход насоса. Загрузка-выгрузка бесконтактная, консольного типа. Загрузка-размещение подложек в реакторе групповая, по 25 пластин в кассете. Расстояние между подложками примерно 10 мм. В качестве исходных реагентов использовались моносилан-концентрат ТУ 6-02-1163-79 и закись азота марки "медицинская".

Величина потока моносилана при осаждении не превышала 50 см³/мин, а закиси азота 3000 см³/мин. Величина давления при осаждении составляла 133,3 Па. Температура при продувке реактора и осаждении составляла 800±1^oC (пр. 24-7), 650^oC (пр.1), 850^oC (пр. 3); в примере 8 температура продувки реактора и осаждения составила 680^oC, а в примере 9 - 820^oC.

Всего проведено 10 процентов.

Процесс включал следующие стадии:
размещение кремниевых подложек в продуваемом азотом реакторе;
вакуумирование реактора;
продувку реактора закисью азота;
плавное установление потока моносилана, подачу его в реактор, осаждение SiO₂;
прекращение осаждения, вакуумирование реактора;
подача в реактор кислорода (при достижении необходимой температуры) и проведение термообработки;
вакуумирование реактора, продувку азотом, прекращение откачки, напуск азота до достижения атмосферного давления и выгрузку подложек.

Плотность дефектов определялась при напряжении поля 5 МВ/см по формуле

где доля годных структур, не пробитых при данной напряженности поля;
n количество пробитых конденсаторов;
N суммарное число измеренных конденсаторов;
S площадь тестовой структуры.

Площадь тестовой структуры 16 мм², толщина пленки двуокиси кремния 0,3 мкм.

Электрическая прочность определялась по формуле

где E_пр напряженность пробоя, характеризующая электрическую прочность;
d толщина пленки двуокиси кремния;
U_пр пробивное напряжение.

Величина тока утечки определялась при помощи прибора Л2-56. Величина тока утечки и разброс толщины Δd даны для пленки толщиной 0,1 мкм в относительных единицах по отношению к прототипу (для прототипа I_ут, Δd приняты за 1).

Величина показателя преломления определялась при помощи лазерного эллипсометра ЛЭФ-3М в 10 точках на пластине и определялся разброс показателя преломления (Δn)
Примеры способа формирования пленки двуокиси кремния на кремниевой подложке приведены в таблице.

В ней указаны:
- давление закиси азота при продувке реактора;
t_пр длительность продувки реактора закисью азота;
давление кислорода при термообработке пленки в кислороде;
t_терм длительность термообработки пленки в кислороде;
Т_терм температура термообработки пленки в кислороде;
Е напряженность пробоя пленки ВТО;
D плотность дефектов пленки ВТО;
I_ут величина тока утечки относительно тока утечки по прототипу;
n показатель преломления пленки ВТО;
Δh разброс величины показателя преломления;
Δd разброс по толщине относительно этого же параметра по прототипу.

Примеры 1 3 иллюстрируют данный способ формирования пленки двуокиси кремния.

В примерах 4 9 приведены варианты, при которых параметры обработки в N₂О и О₂ выходили за пределы, указанные в предлагаемом способе.

В примере 10 приведены результаты реализации прототипа.

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что данный способ (пр. 1
3) позволяет повысить качество пленки путем снижения привносимой дефектности и повышения электрической прочности. Очевидна нецелесообразность применения режимов, в которых технологические параметры процесса продувки реактора N₂О и термообработки в кислороде выходят на указанные пределы (пр. 4 - 9).

Полученные результаты показывают, что способ формирования пленки двуокиси кремния на кремниевой подложке в реакторе пониженного давления позволяет, по сравнению с прототипом, повысить электрическую прочность в 1,2 1,38 раза, снизить дефектность в 4 раза, уменьшить токи утечки в 2,5 раза.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к технологии осаждения пленок двуокиси кремния из газовой фазы, и может быть использовано при производстве сверхбольших интегральных схем. Сущность изобретения: перед осаждением пленки проводят продувку реактора закисью азота при давлении 40 - 266 Па в течение 3 - 20 мин. После осаждения проводят термообработку пленок в кислороде. 1 табл.

Способ формирования пленок двуокиси кремния, включающий продувку реактора окислителем, осаждение при пониженном давлении на кремниевую подложку пленки двуокиси кремния из газовой фазы, включающей кремнийсодержащее соединение и окислитель, при 650 850^oC, термообработку пленки в сухом кислороде при температуре осаждения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пленки путем снижения дефектности и повышения электрической прочности пленок, в качестве окислителя используют закись азота, продувку проводят при давлении 40 266 Па в течение 3 20 мин, а термообработку проводят при давлении 80 400 Па в течение 15 30 мин.