CC BY
103Проектирование и технология радиоэлектронных средств
УДК 621.315.592
А. Р. Шахмаева
Дагестанский государственный технический университет
Технология получения пленок нитрида кремния
Рассматривается метод формирования слоя нитрида кремния, применяемого в качестве маски при изготовлении планарных транзисторов. Качественные слои получаются при использовании газофазовых реакций. Получены и исследованы зависимости скорости осаждения слоев нитрида кремния от рабочей температуры, расстояния между подложками, давления в реакторе.
Нитрид кремния, дихлорсилан, технология, полупроводниковая пластина
Наряду с диоксидом кремния и оксидом алюминия в технологии интегральных схем (ИС) широко используется и нитрид кремния. Нитрид кремния (81з^ ), являясь барьером для диффузии примесей щелочных металлов, почти непроницаем для влаги и обладает низкой скоростью окисления. Стехиометрический 81з^, осаждаемый при температуре 700... 900 °С, применяется в качестве маски для травления оксида при создании планарных структур, как подзатворный диэлектрик (совместно с термически выращенным диоксидом кремния) в приборах с двойным изолятором и как материал для пассивирования поверхностей. Слои 81з^ толщиной всего 30 нм уже действуют как надежные маски против диффузии примесей.
При создании слоев 81з^ наилучшие результаты получаются при использовании газофазных реакций. Разработанные к настоящему времени методы создания пленок 81з^ химическим осаждением из газовой фазы основаны на нитрировании силана или галогенидов кремния. Формирование пленки 81з^ прямым нитрированием пластин кремния по реакции з 81 + ^ 81з^ практически не применяется из-за высоких температур (выше 1150 °С), при которых к тому же образуются зернистые пленки кристаллического а-81з^. В работах [1]-[з] выполнено исследование процессов образования слоев нитрида кремния при прогреве пластин кремния в атмосфере азота или аммиака и показано, что сплошные слои удается получить толщиной лишь до 10 нм.
Сплошные пленки нитрида кремния можно сформировать при реакции силана с аммиаком: з81Щ + 4КНз ^ 81з^ + 12Н2 [4]. Эти пленки обычно осаждают при 900 °С, однако температуру можно понизить до 800 °С. Типичный состав газовой смеси 81Щ:ЫНз : N2 =
= 1:20: 40 (здесь азот служит газом - носителем и разбавителем). Смесь обеспечивает скорость роста пленки 15.220 нм/мин. Принимая во внимание термическую неустойчивость
© Шахмаева А. Р., 2006 49
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 5======================================
силана и механизм, по которому протекает процесс взаимодействия Б1Н4 и КН^, можно объяснить неоднородность толщины пленок на поверхности пластин до ±20%. В
случае же системы "дихлорсилан - аммиак" (БШ^С^ - МНз ) взаимодействие на поверхности пластин приводит к получению однородных слоев, чему способствует большая стойкость 81Н2С12 по сравнению с 81Щ. К преимуществам данной системы осаждения по сравнению с системами типа "силан - кислород" и "силан - закись азота" относится слабая зависимость скорости роста пленок от расстояния между пластинами.
Установлено, что электрические характеристики пленок нитрида кремния, выращенных в потоке азота, не хуже, чем в водороде.
Наилучшими электрическими характеристиками обладали пленки, выращенные в гелии. Пленку нитрида кремния можно получить нитрированием различных галогенидов кремния по реакции типа + 4КНз ^+ 12ГН(Г - галоген - С1, Вг, Б). Из галогенидов
чаще всего используют хлорид. Процесс осаждения по этой реакции с участием 8Ю4
при температуре 550... 1250 °С с использованием азота в качестве газа-носителя описан в [5]. При фиксированном парциальном давлении КНз по мере увеличения парциального давления 8Ю4 от 1.з до 1з0 Па скорость роста пленок увеличивалась линейно от 1 до 100 нм/мин.
Аморфные слои, выращенные при высоких температурах (1000.1200 °С), прозрачны, обладают высокой плотностью и хорошей маскирующей способностью. Для осаждения пленок 81з^ при относительно низких температурах подложек можно возбуждать химическую реакцию газовым разрядом и проводить ее в плазме высокочастотного тлеющего разряда. Для осаждения пленок нитрида кремния в плазме высокочастотного разряда используются различные сочетания исходных компонентов: 8Ю4, 81з^, КНз, N2, N20. С уменьшением мощности разряда скорость роста пленок значительно падала, хотя
это падение было можно скомпенсировать добавлением в газовую смесь водорода. Температура подложки, концентрация силана, давление в реакционной камере и толщина пленки на пористость практически не влияют. Скорость роста пленок 81з^ на поверхности 8Ю2 в 1.5-1.7 раза больше, чем на поверхности кремния.
Осаждением из газовой фазы, инициируемым высокочастотным разрядом (температура зз0 °С и плотность высокочастотной мощности 0.8 Вт/см2 ) при использовании рабочей смеси N2/8^4 (молярное соотношение 10:20) получена пленка 81з^ с удельным
сопротивлением ри > 106 Ом • см и напряжением пробоя 6 • 106 В/см [4].
Нитрид кремния может быть сформирован также при реакции силана с аммиаком в аргоновой плазме или введением силана в азотный разряд (плазмохимический нитрид): 81Щ + КЫНз ^ + зН2; 281Щ + N2 ^ 281^^ + зН2. Плазмохимический нитрид кремния 81з^ формируется при низких температурах (200...з00 °С) и может содержать 10...з5 мас.% водорода и 0.5...2 мас.% кислорода. Он используется как пассивирующий 50
слой или как защитный слой от механических повреждений. Пленки, полученные этим методом, имеют состав , коэффициент преломления 1.8... 2.5, плотность 2.4... 2.8 г/смз,
электрическую прочность 5 -106 В/см, выдерживают упругие напряжения от 20 (сжимающие) до 50 (растягивающие) ГПа. Многочисленные исследования показали, что плаз-мохимические пленки нитрида кремния, осажденные при температуре ниже з00 °С, по своим электрофизическим и механическим свойствам не уступают пленкам нитрида кремния, сформированным другими методами при гораздо более высоких температурах.
Свойства синтезированных слоев нитрида кремния находятся в явной зависимости от температуры и состава реакционной среды. В целом эффективность использования различных способов синтеза слоев нитрида кремния в технологии изготовления ИС различна. Метод химического осаждения из газовой фазы является универсальным и получил широкое практическое использование, поскольку обладает большой производительностью при высоком качестве слоев. Плазмохимические методы позволяют существенно снизить температуру подложки при синтезе слоев нитрида кремния, что имеет решающее значение в
технологии приборов на полупроводниковых соединениях типа А111 ВV и А ПВ^, однако такие слои по ряду свойств значительно уступают слоям, полученным осаждением из газовой фазы.
В качестве оборудования для разработки процесса осаждения нитрида кремния 81з^ в дихлорсилановом процессе использовалась установка "Изотрон-4-150". Несмотря на малую чувствительность дихлорсилановой методики к геометрии реактора и к расположению пластин в лодочке были учтены требования, предъявляемые к осаждению в реакторах пониженного давления, а именно:
• конструкция лодочек должна обеспечивать такое положение пластин, при котором они будут располагаться коаксиально;
• постановка пластин в лодочке должна быть жесткой и обеспечивать параллельность их плоскостей (минимальный шаг загрузки равен з мм);
• кварцевые части лодочки, выступающие за пластины, должны иметь минимальную площадь в плоскости, перпендикулярной оси реактора, и не затенять поток газа. Это улучшает качество получаемых слоев, делает процесс более надежным и стабильным.
Для уменьшения загрязнения кварцевой пылью вследствие трения лодочки о пенал и реактор разработана конструкция лодочки на колесиках.
В качестве подложек при отработке и оптимизации режимов были использованы пластины кремния КДБ-10 с ориентацией <111>, прошедшие предварительно химическую обработку в перекисно-аммиачном растворе.
Исходя из требований получения пленок с толщиной около микрометра, однородностью по толщине з.. .5 % по пластине и температуре не выше 900 °С температура в зоне осаждения 81з^ была установлена равной 800 °С. Такая температура обеспечила приемлемые скорости осаждения пленок (з...4нм/мин). Соотношение подаваемых в реактор реагентов N^/81^02 изменялось в пределах от 2 до 10; при этом расход NHз варьи-
51
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 5======================================
ровался от 5 до 40 л/ч, а давление в процессе осаждения - от 10 до 70 Па. В качестве основного контролируемого параметра при оценке различных режимов осаждения выступали скорость роста 81з^ и ее разброс по подложке. Получены зависимости скорости осаждения слоя V от расстояния между подложками И (рис. 1), скорости осаждения от давления в реакторе р (рис. 2) при постоянной температуре, зависимость скорости осаждения от температуры ^ при постоянном давлении (рис. з) и зависимость разброса толщины 8 от расстояния между подложками (рис. 4). Расходы БШ^С^ и ^ЫНз в эксперименте составили 5 и 20 л/ч соответственно.
Характер изменения скорости роста V пленки 81з^ и величины разброса толщины по пластине 8 от температуры, давления и расстояния между подложками аналогичны данным работ [5], [6].
Оптимальными режимами осаждения SiзN4 являлись давление р = 15... 25 Па, расход 81Н2С12 и ^ЫНз - 5 и 20 л/ч соответственно. При этом скорость роста составляла 4.5... 5.5 нм/мин при разбросе толщины по пластине з... 4%.
При определении качества полученных в работе пленок основное внимание уделялось оценке их свойств применительно к конкретным условиям производства. Наряду с толщиной пленки и ее разбросом по пластине определялись скорость травления в НзР04 при 180 °С; скорость травления в 48 %-й НБ; равномерность травления в плазме СБ4; способность противостоять окислению при повышенном (10 кПа) давлении водяного пара
V, нм /мин
V, нм/мин
1
4.5
4.0
- --^ р = 80 Па 15 ________ 6
- 10 / 4
1 1 1 1 2
0 10 20 з0 40 И, мм Рис. 1
V, нм /мин
5.5 5.0
780
800 Рис. 3
820
/, °С
5, %
8 -4 -
0 -
-4
40 Рис. 2
8 16 Рис. 4
Р, Па
р = 15 Па / = 800 °С
5
з
в течение 4 ч; способность противостоять диффузии фосфора из POCI3 при 1000 °C в течение 2 ч; количество пор на единицу площади.
Исследования показали, что полученные пленки Si3N4 с равномерностью толщины не хуже 3 % травятся в H3PO4 при 180 °C и со скоростью 4...5 нм/мин, в HF -10___13 нм/мин; равномерность травления в плазме не хуже 5 %. Изолирующие и маскирующие способности при окислении и диффузии в указанном режиме сохраняются. Коли-
—2
чество пор при толщине 0.1 мкм не превышает 0.3 см и определяется в основном чистотой кварцевой оснастки, а также предварительной химической обработкой.
Исследование с помощью Оже-спектрометра показало, что в диапазоне Sffl^C^/NH =
= 0.1...0.5 пленки Si3N4 имеют стехиометрический состав Si/N = 0.73...0.75 мас.%. Коэффициент преломления n, измеренный на эллипсометре, составил 2.00 ± 0.05 .
Разработанная технология позволяет получать тонкие диэлектрические пленки нитрида кремния, удовлетворяющие требованиям технологических процессов изготовления БИС и СБИС.
Библиографический список
1. Thermally grown silicon nitride films for high-performance MNS-devices / Т. Ito, Т. Nozaki, H. Arakawa, M. Shinoda // Appl. Phys. Lett.1978. Vol. 32. P. 147-179.
2. Very thin silicon nitride films grown by direct thermal reaction with nitrogen / T. Ito, S. Hijiga, T. Nozaki et al. // J. electrochem. soc. 1978. Vol .125, № 3. P. 78-193.
3. Murarka S. P., Chang C. C., Adams A. C. Thermal nitridation of silicon in immonia gas: composition and oxidation resistance of the resulting films // J. electrochem. soc. 1979. Vol. 126, № 6. P.17-143.
4. Васильев В. Ю., Марошина С. М. Оптимизация процесса осаждения слоев нитрида кремния // Электрон. пром-сть. 1986. Вып. 10. С. 28-33.
5. Giunta C. J., Chappel-Sokol J. D., Gordon R. G. Kinetic modeling of chemical vapor deposition of silicon dioxide from silane or disilane and nitrous oxide // J. Electrochem. Soc. 1990. Vol. 137, № 10. Р. 57-84.
6. Евдокимов В. Л., Латюков С. И., Чистяков Ю. Д. Разработка и исследование процесса получения пленок нитрида кремния при пониженном давлении // ЭТ. Сер. 3. Микроэлектроника. 1987. С 133-140.
A. R. Shahmaeva Dagestan state technical university
Technology of the reception silicon nitride films
The method of formation of the silicon nitride masking layer applied as a mask at planar transistors manufacturing is considered. Qualitative layers turn out at use gas-phase reactions. Dependences of a sedimentation speed of silicon nitride layers on working temperature, distances between substrates, pressure in the reactor are received and investigated.
Silicon nitride, dichlorsilane, technology, a semi-conductor plate
Статья поступила в редакцию 11 января 2006 г.
