6.2. Процессы окисления и свойства диэлектрических слоев

Окисление кремния - физико-химический процесс, приме­нение которого необходимо в ходе всего технологического цик­ла изготовления современных интегральных микросхема Для создания надежных высококачественных ИМС требуется не толь­ко понимать основные механизмы окисления, но и обладать возможностью формировать высококачественный оксид контро­лируемым и воспроизводимым образом. Кроме того, чтобы га­рантировать надежность ИМС, нужно знать зависимость элект­рических свойств оксида от технологических параметров про­цесса окисления. В технологии формирования ИМС оксид крем-кия используется для нескольких целей. Он служит в качестве маски при ионной имплантации или диффузии легирующей примеси в кремний, для пассивирования поверхности структур, для изоляции элементов компонентов ИМС друг от друга (ди­электрическая изоляция в отличие от изоляции приборов р-п-переходами), выступает в роли одного из основных компонентов в МОП-структурах и обеспечивает электрическую изоляцию в металлических многослойных системах.

В настоящее время для формирования оксидных слоев раз­работаны методы, которые включают термическое окисление, анодирование в растворах электролитов, пиролитическое осаж­дение (осаждение из газовой фазы) и плазменное анодирование, или окисление. В тех случаях, когда на границе раздела фаз необходимо получить низкую плотность поверхностных состоя­ний, предпочтение отдается методу термического окисления. Однако в связи с тем, что маскирующий оксид впоследствии чаще всего удаляют, условие получения минимальной плотнос­ти поверхностных состояний не играет роли при выборе метода формирования маскирующего слоя для процессов диффузии ле­гирующей примеси в кремний. Очевидно, что при необходимос­ти формирования оксидной пленки на поверхности металличес­кого слоя (а это характерно для процессов формирования мно­гослойных металлических слоев), пригодными оказываются толь­ко методы газофазного осаждения. Когда на границе раздела фаз необходимо получить низкую плотность поверхностных со­стояний предпочтительно термическое окисление.

Выбор метода окисления определяется необходимой толщи­ной и свойствами формируемого оксида. Относительно тонкие оксидные пленки и те оксиды, для которых поставлено условие получения минимального заряда на границе раздела, обычно выращиваются в сухом кислороде. Когда критичным парамет­ром является содержание ионов натрия в пленках оксида, пред­почтение отдается методу окисления в системе НСl-O₂. При фор­мировании толстых оксидных пленок (>0,5 мкм) используют окисление во влажном кислороде (как правило, при нормаль­ном давлении (1 атм.) либо при повышенном давлении (до 25 атм.). Более высокое давление позволяет выращивать тол­стые оксидные пленки при средних температурах и приемлемых затратах времени.

Наиболее распространенный метод окисления при атмосфер­ном давлении реализуется в кварцевых или кремниевых диффу­зионных трубах, где подложки кремния располагаются в верти­кальном положении в пазах специальной подставки (лодочки), сделанной из кварца или кремния. Типичные температуры окис­ления лежат в интервале 800-1200 °С и должны поддержи­ваться в процессе окисления с точностью ±1,0 °С для обеспече­ния однородности формируемых пленок. В стандартном техно­логическом процессе подложки подвергаются очистке, сушке,

размещаются в лодочке и автоматически вдвигают в печь, на­гретую до температуры 800-900 °С, после чего температура по­степенно повышается. Такое повышение температуры необхо­димо для предотвращения растрескивания подложек. По окон­чании процесса окисления температура в печи постепенно сни­жается, и подложки вынимают наружу.

Для того чтобы вырастить высококачественный оксид с вос­производимыми свойствами, необходимо предотвратить попада­ние пылевидных частиц в рабочую зону печи. Перед помещени­ем подложек в высокотемпературную печь необходимо провести их очистку для уничтожения как органических, так и неоргани­ческих загрязнений, появляющихся на предыдущих этапах тех­нологического процесса или во время переноса подложек с од­ной технологической линии на другую. Процедура химической очистки обычно заключается в удалении органических загряз­нений; ее проводят после удаления неорганических ионов и ато­мов. Обычная процедура очистки выполняется в смеси H₂O-H₂O₂-NH₄OH, которая обеспечивает удаление органических со­единений за счет сольватирующего действия гидроокиси аммо­ния и окисляющего действия перекиси водорода. Для удаления атомов тяжелых металлов обычно используют раствор Н₂O-Н₂O₂-НСl. Повторное осаждение растворенных ионов тяжелых метал­лов в этом растворе предотвращается за счет формирования ра­створимых комплексов. Очистка в таком растворе проводится при температуре 75-85 °С в течение 10-20 мин, после чего сле­дуют охлаждение подложек, их отмывка и сушка в центрифуге. Если такие загрязнения не удалить, то возможно ухудшение электрических характеристик приборов, а также понижение на­дежности ИМС.

Для достижения однородности и свойств пленки и воспроиз­водимости параметров рост тонких оксидных пленок должен быть достаточно медленным. Это достигается разнообразными методами, включающими в себя окисление в сухом кислороде с добавлением или без НСl, комплексное окисление при различ­ных температурах и составе окислительной атмосферы, окисле­ние во влажном кислороде, окисление при пониженном давле­нии. При работе с НСl необходимо соблюдать осторожность, осо­бенно в отношении системы очистки, поскольку НСl способству­ет коррозии металлических частей оборудования. При проведе­нии этих процессов необходимо также помнить, что небольшое

количество паров воды может сильно повлиять на скорость окис­ления.

Современные диффузионные печи (используемые также и для окисления) управляются с помощью микропроцессоров, которые обеспечиваю необходимую последовательность процесса, осуще­ствляют контроль температуры и расхода газов. Вся описанная ранее процедура, от загрузки подложек в лодочку до извлечения их оттуда, полностью программируется. Микропроцессорное уп­равление обеспечивает обратную связь для сравнения величин различных параметров с заданными значениями этих же пара­метров и для введения соответствующих изменений. Например, при изменении расхода газового потока температура процесса может изменяться. Путем непосредственного цифрового конт­роля проводится сравнение этой температуры с заданным зна­чением, и необходимые изменения автоматически вводятся в систему нагрева. Свойства оксидов кремния зависят от экспери­ментальных условий выращивания оксида. Например, коэффи­циент преломления пленок оксида, выращенного в сухом кис­лороде, уменьшается с увеличением температуры, достигая по­стоянного значения 1,4620 при температуре выше 1190 °С Скорость травления термических оксидов при комнатной тем­пературе в HF (49 %) составляет 100 нм/мин и изменяется в зависимости от температуры и концентрации травителя. Кроме того, скорость травления зависит от плотности оксида и, следо­вательно, от температуры окисления.

Технологические условия выращивания оказывают суще­ственное влияние на свойства оксидных пленок. Например, с понижением температуры окисления получаем более плотный оксид. Для пассивирования ионов натрия, повышения пробив­ных напряжений в пленках и геттерирования примесей и де­фектов в кремнии применяется добавление НСl в окислитель­ную атмосферу.

К свойствам диэлектрических слоев многослойных ИМС предъявляют следующий ряд требований (см. табл. 6.3):

1. требования к электрофизическим свойствам;

2. требования к химическим свойствам;

3. требования к физическим свойствам;

4. требования к технологическим свойствам.

Способность слоя диоксида кремния служить в качестве ло­кального маскирующего покрытия при диффузий атомов леги­рующей примеси при повышенных температурах - очень полез­ное свойство для технологии формирования ИМС. Загонка, или осаждение, легирующей примеси путем ионной имплантаций, термической диффузии или методами центрифугирований обыч­но приводит к образованию источника легирующей примеси на поверхности оксидной пленки или вблизи нее. Для того чтобы легирующая примесь не диффундировала через оксидную плён-

197

ку в маскированных областях и не достигала поверхности крем­ния, необходимо, чтобы в ходе этапа высокотемпературной раз­гонки диффузия этой примеси в окисле была достаточно мед­ленной по отношению к диффузии в кремнии. Нужное значение толщины может быть установлено экспериментальным путем при определенных температуре и времени диффузии как толщи­на оксида, требуемая для предотвращения инверсии типа прово­димости слаболегированной подложки кремния. Для надежнос­ти в производстве используют пленки, толщина которых не­сколько увеличена. Чаще всего пленки оксидов, используемые для маскирования традиционных примесей и стандартных тех­нологических процессах формирования ИМС, имеют толщину 0,5-0,7 мкм.

Граница раздела Si-SiO₂ представляет собой переходную область между кристаллическим кремнием и аморфным квар­цевым стеклом как в отношении положения атомов, так и в отношении стехиометрии. Различные по природе заряды и ло­вушки носителей заряда сопутствуют термически окисленному кремнию, часть из них связана с переходной областью. Заряд на границе раздела может индуцировать заряд противополож­ной полярности в расположенной под ней областью кремния, оказывая влияние на параметры МОП-приборов и тем самым на процент выхода годных изделий и их надежность. Как пред­полагается, возникновение этого заряда вызвано несколькими причинами, среди которых можно назвать структурные дефек­ты, связанные с процессом окисления, металлические примеси или разрывы химических связей. Отжиг в водороде при низкой температуре (450 °С) приводит к эффективной нейтрализации заряда поверхностных состояний. Плотность этого заряда обычно выражается как число частиц на единицу площади и единицу энергии в запрещенной зоне кремния (см^-2эВ^-1).

Для определения заряда поверхностных состояний обычно используют методы, основанные на обработке вольт-фарадных (квазистатических, высоко- или низкочастотных) характерис­тик и зависимостей проводимости от напряжения,. Постоян­ный заряд в окисле Q_f (обычно положительный) расположен на расстоянии ~3 нм от границы раздела Si-SiO₂. Плотность этого заряда находится в диапазоне от 10¹⁰-10¹² см² и зависит от режима окисления и условий отжига, а также от ориентации

подложки. Возникновение Q_f связана непосредственно с самим процессом окисления. В технологическом плане заряд Q_f свя­зан как с температурой, так и с атмосферой, в которой прово­дится окисление. В атмосфере кислорода величина этого заряда определяется последней высокотемпературной термообработкой. При быстром охлаждении от высокой температуры получают более малые значения Q_f Заряд подвижных ионов Q_m связан с присутствием в окисле ионов щелочных металлов, таких как натрий, калий и литий, отрицательно заряженных ионов и ионов тяжелых металлов. При наличии электрического поля ионы щелочных металлов обладают подвижностью даже при комнат­ной температуре. Плотность такого заряда лежит в диапазоне 10¹⁰ см² - 10¹² см² и выше, а его источником являются мате­риалы, используемые в технологическом процессе, химические реактивы, окружающая среда и предметы, контактирующие с подложкой. Поскольку ионы щелочных металлов могут распо­лагаться в разных местах оксида, МОП-конденсаторы подверга­ются специальным тестовым испытаниям при повышенной температуре и приложенном электрическом напряжении, а ре­зультаты измерений сравниваются со стандартными C-V-харак-теристиками. Традиционные методы, направленные на умень­шение этого заряда, заключаются в очистке поверхности реак­ционной трубы хлористым водородом, геттерировании ионов фосфоросиликатным стеклом и использовании маскирующих слоев, таких, как нитрид кремния.

Правильное понимание механизмов возникновения остаточ­ных напряжений, в системе пленка - подложка имеет важное значение, поскольку высокие значения напряжений могут при­вести к образованию трещин в пленке и возникновению дефек­тов в расположенных под пленкой слоях кремния. Основной причиной возникновения остаточных напряжений является разница коэффициентов термического расширения между Si и SiO₂, а также полиморфные превращения в SiO₂. В ходе техно­логического процесса формирования ИМС в оксидной пленке вытравливаются окна, что приводит к сложному распределению остаточных напряжений на краях оксидной пленки. Здесь на границе разрыва сплошности пленки может возникать чрезвы­чайно высокий уровень остаточных напряжений. Обычно эти напряжения релаксируют за счет пластической деформации или других механизмов.