2.4. Осаждение диэлектрических пленок

Помимо термически выращенного окисла кремния в производстве современных СБИС широко используются диэлектрические пленки, главным образом окисел и нитрид кремния, получаемые методами осаждения. Очень важно при этом, чтобы пленки были однородны по толщине на всех обрабатываемых в одном процессе поверхностях, а их состав и структура были полностью идентичны и воспроизводимы. Эти пленки предназначаются для электрической изоляции между металлом и поверхностью кремния, проводящими слоями, для защиты поверхности микросхемы от воздействия окружающей среды.

Основными методами получения таких пленок являются осаждение из парогазовых смесей при атмосферном или пониженном давлении и плазмохимическое осаждение.

Осаждение пленок диоксида кремния

Наиболее часто для осаждения пленок Si02 используются реакция окисления силана SiH ₄ кислородом (2.8), реакция (2.9) разложения тетроэтоксисилана (ТЭОС) и реакция дихлорсилана с закисью азота (2.10):

SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2H₂; (2.8)

Si(OC₂H₅)₄ → SiO₂ + (побочные органические продукты); (2.9)

SiCl₂H₂ + 2N₂O → SiO₂ + 2N₂ + 2HCl. (2.10)

Эти реакции протекают при различных температурах. Наименьшая температура 400 - 450 °С требуется для окисления силана. Реакция возможна как при атмосферном, так и при пониженном давлении. Пленки, полученные этим методом, могут использоваться как защитные поверх алюминиевой металлизации, в качестве межслойной изоляции между двумя уровнями металлизации, для пассивации поверхности готовых приборов.

Недостатком метода является плохая воспроизводимость ступенчатого рельефа.

Для разложения тетроэтоксисилана (2.9) требуется более высокая (650 - 750 °С) температура. Это вещество испаряется из жидкого источника в газофазных реакторах при пониженном давлении. Такие пленки успешно применяются для изоляции поликремниевых затворов или резисторов, они обладают высокой однородностью, хорошими диэлектрическими свойствами и прекрасной воспроизводимостью рельефа структур. Вследствие высокой температуры разложения они не могут использоваться для структур с алюминиевой металлизацией. Побочные продукты, образующиеся при разложении ТЭОС, являются сложной смесью летучих органических и кремнийорганических веществ, которые откачиваются в процессе осаждения. Добавление кислорода в состав парогазовой смеси улучшает диэлектрические свойства пленок, полученных разложением ТЭОС.

Осаждение пленок SiO₂ с использованием дихлорсилана (2.10) про­водится при высокой температуре (900 °С), вследствие чего этот процесс используется лишь для формирования изоляции на поликремнии при отсутствии металлических элементов.

Для защиты готовой микросхемы от влияния внешней среды - влаги, металлических загрязнений, особенно ионов щелочных металлов, вызывающих дрейф характеристик приборов вследствие образования положительного заряда, - окисел кремния легируется фосфором (иногда бором). Легирование пленок окисла осуществляется путем добавления в ходе осаждения небольшого количества соответствующей примеси в виде газообразного соединения с водородом: фосфина РН₃ (или диборана В₂Н₆). Концентрация фосфора не превышает 2-8 молярных процентов. Легированный фосфором окисел может использоваться и для межслойной изоляции, в частности между поликремнием и верхним уровнем металлизации. На краях поликремниевых элементов образуются ступеньки, приводящие к обрыву металлизации. Поэтому перед нанесением металла слой фосфорносиликатного стекла поверх поликремния оплавляется. Для оплавления концентрация фосфора в стекле должна быть 6-8 %. При более низкой концентрации стекло не размягчается при нагревании до 1000 - 1100 °С и не растекается по поверхности. При более высокой концентрации фосфора происходит медленная гидратация окисла в результате его взаимодействия с парами влаги из окружающей среды. При этом образуются кислотные соединения, вызывающие коррозию алюминиевой металлизации.

Для осаждения пленок SiO₂ из парогазовой смеси используются два типа реакторов, работающих либо при пониженном давлении (рис.2.14,а), либо при атмосферном давлении (рис.2.14,6). Реактор, работающий при пониженном давлении, представляет собой кварцевую трубу, помещенную в печь, подобную диффузионной. Газовая смесь поступает с одного конца трубы и откачивается с другого. Пластины стоят в кварцевой лодочке вертикально, перпендикулярно газовому потоку. Давление в трубе составляет (0,1 - 0,8)-10° Па. Однородность пленок по толщине очень высокая, не хуже ±5 %, что является преимуществом этого метода, хотя скорость осаждения невысокая.

В реакторе, работающем при атмосферном давлении с непрерывной загрузкой (рис.2.14,6), пластины располагаются на конвейерной ленте и проходят через реакционную зону. На входе и выходе реактора реакционные газы отсекаются газовыми "занавесями", образованными быстрыми потоками азота. Такой реактор обладает большой пропускной способностью, пленки окисла отличаются высокой однородностью. Недостатком является большой расход газов.

Рис.2.14. Схема реакторов для осаждения окисла кремния из парогазовой смеси:

а - при пониженном давлении; б - при атмосферном давлении

В последние годы для осаждения пленок SiO₂ и Si₃ NH₄ все чаще применяются плазменные методы. Для осаждения двуокиси кремния обычно используется реакция силана с закисью азота в аргоновой плазме:

SiH₄ + 4N₂O → SiO₂ + 4N₂ + 2H₂O

Плазмохимическое осаждение проводится в тлеющем разряде, подложки находятся при низких (100 - 400 °С) температурах, что является бесспорным достоинством метода. При осаждении необходимо очень тщательно контролировать многие параметры процесса: частоту и мощность разряда, общее давление парогазовой смеси и парциальное давление реагентов, температуру подложки и скорость откачки, а также оптимизировать геометрию реактора и тщательно подбирать материал электродов. Следует отметить, что

от конструкции реактора сильно зависят параметры процесса, так что режим осаждения должен подбираться для каждого реактора индивидуально, что затрудняет сравнение свойств пленок, полученных на различных реакторах

Один из реакторов для плазменного осаждения диэлектрических пленок представлен на рис.2.15. Это плазмохимический реактор с радиальным распределением газового потока между двумя плоскими металлическими электродами. Нижний электрод, на котором располагаются обрабатываемые пластины, заземляется. На верхний электрод подается высокочастотное напряжение, создающее тлеющий разряд между электродами. Газ, поступая в камеру, протекает в радиальных направлениях. Нижний электрод нагревается до нужной температуры (400 °С).

Изолированный ВЧ-ввод Алюминиевые

й смеси й смеси

Рис.2.15. Схема плазмохимического реактора с радиальным распределением газового потока

Осаждение нитрида кремния

Нитрид кремния широко используется в качестве маски, например для создания диэлектрической изоляции между элементами схем при локальном окислении, так как сам окисляется медленно. Нитрид кремния является барьером для проникновения в окисел кремния щелочных металлов и влаги и может служить защитой от воздействия внешней среды.

Как и окисел кремния, нитрид кремния может быть получен осаждением из парогазовых смесей за счет реакции либо силана с аммиаком (2.11), либо дихлорсилана с аммиаком (2.12):

2SiH₄ + 4NH₃ → Si₃N₄ + 12H₂; (2.11)

3SiCl₂H₂ + 4NH₃ → Si₃ N₄ + 6HCl + 6H₂. (2.12)

Реакция (2.11) протекает при атмосферном давлении и температуре 700 - 900 °С. Реакция (2.12) идет при пониженном давлении и температуре 700 - 800 °С. В этом случае пленки получаются очень однородными, а производительность метода очень высока. Пленки нитрида кремния, полученные при химическом осаждении, представляют собой аморфный диэлектрик, содержащий около 8 % водорода. Характеристики пленок сильно зависят от температуры осаждения и соотношения концентраций реагентов. В частности, понижение концентрации аммиака по отношению к силану или дихлорсилану приводит к увеличению концентрации кремния в пленках и ухудшает их диэлектрические свойства.

Для получения пленок нитрида кремния преимущественным является не химическое, а плазменное осаждение вследствие низкой температуры процесса. Для этого используется то же оборудование, что и для получения окисных пленок. В аргоновой плазме идет реакция силана с аммиаком

SiH ₄ + NH ₃ → SiNH + 3H ₂ (2.13)

или силан вводится в азотный разряд

2SiH₄ + N₂ → 2SiNH + 3H₂. (2.14)

Как видно из реакций (2.13) и (2.14), плазмохимический нитрид кремния содержит большое количество водорода (до 25 %), а также 0,5 - 2 атомных % кислорода. Состав пленки нитрида кремния определяет такие их свойства, как

5 12

удельное сопротивление, которое может меняться от 10 до 10 Ом-см (рис.2.16), и пробивное напряжение нитрида кремния от соотношения в (1 - 6)-10⁶ В/см. нем кремния и водорода

Рис.2.16. Зависимость удельного сопротивления плазмохимического нитрида кремния от соотношения в нем

кремния и водорода

Для нитридных пленок важна величина упругих напряжений, воз­никающих при осаждении, так как использование этих пленок для защиты поверхности микросхемы предъявляет высокие требования к механической прочности покрытия. Величины упругих напряжений в нитриде кремния существенно зависят от условий получения пленок состава газовой плазмы, конструкции реактора, температуры подложки. Вследствие этого рекомендации для выбора режима в конкретном процессе могут быть даны только на основании предварительных экспериментов.

Перспективы развития методов осаждения диэлектрических пленок

Создание СБИС с субмикронными размерами активных элементов предъявляет особенно высокие требования как к качеству диэлектрических слоев, так и к методам их осаждения. К таким требованиям относится прежде всего необходимость снижения температуры осаждения для предотвращения размывания мелких p - n -переходов и точное воспроизведение рельефа на поверхности схемы. Эти требования могут быть удовлетворены при использовании реакторов с пониженным давлением для осаждения из парогазовых смесей и особенно при плазмохимическом осаждении. Для понижения температуры возможно использование при плазмохимическом осаждении некоторых кремнийорганических соединений, а также метода фотохимического осаждения как двуокиси кремния, так и нитрида кремния. Последний метод не требует нагрева до высоких температур, в этом случае возможно выдерживать температуры не выше 100 °С. Кроме того, при фотохимическом осаждении не возникает радиационных повреждений кремния, что является важным условием, предотвращающим деградацию характеристик полупроводниковых приборов. Вместе с тем возможно применение новых диэлектрических материалов, таких как оксинитрид кремния, силикатные стекла сложного состава (боро-фосфорно-силикатные, свинцово-силикатные), окиси алюминия или нитрида алюминия. Последние хороши прежде всего тем, что имеют большое удельное сопротивление и ди­электрическую постоянную и могут при малой толщине обеспечивать высокие уровни напряженности поля пробоя. Особенно большой интерес представляет осаждение окиси титана, которая все шире применяется в технологии СБИС, в частности для создания контактных областей.