2.5. Требования к процессам и основные способы осаждения слоев в рпд

При выборе процессов осаждения слоев в РПД принимается во внимание ряд требований, которые могут быть объединены в четыре группы: технологические, эксплуатационные, требования безопасности, экономические требования.

Технологические требования являются определяющими и включают следующие характеристики процесса.

Разборос толщины слоев — основной параметр материалов, определяющий качество плазмохимического травления. Для большинства процессов осаждения разброс по пластине составляет 2 %, по рабочей зоне РПД — 3 %. Величина общего разброса толщины принимается равной 5 %.

Разброс свойств материалов не должен превышать 5 % (разброс концентрации фосфора в слоях фосфорносиликатного стекла и легированного поликремния).

Воспроизводимость от процесса к процессу определяется воспроизводимостью характеристик используемого оборудования и должна составлять 5 %.

Минимальное количество дефектов. Требования к дефектности осажденных слоев непрерывно возрастают. Причинами дефектов (частиц в слоях) могут быть либо нарушения режимов осаждения, либо осыпание осадков с поверхности реактора при продувках реактора и при загрузке-выгрузке лодочки с пластинами. Наиболее характерны проблемы дефектности для процессов осаждения низкотемпературного окисла.

Диаметр пластин в настоящее время составляет 150–200 мм. Производительность процессов осаждения в РПД составляет 25–300 пластин за цикл и определяется оптимальным расстоянием между пластинами, которое должно выдерживаться для обеспечения минимального разброса толщины в процессе. В качестве оптимальной производительности принимают 100 пластин/цикл.

Длительность цикла определяется временем собственно осаждения слоя и временем проведения вспомогательных операций до и после осаждения. В большинстве случаев время осаждения составляет около одного часа, а время после осаждения 10–15 мин. Для подготовки оборудования требуется 20—40 мин в зависимости от времени стабилизации температуры в печи и других факторов. Таким образом, общее время цикла приближается к двум часам.

Эксплуатационные требования. Для конкретного процесса осаждения в РПД необходима специальная установка, в которой учтены все особенности проведения процесса. Оборудование должно обеспечивать стабильность поддержания определяющих процесс параметров с высокой точностью, быть максимально простым в управлении и обслуживании.

Обязательное требование — соблюдение графика периодических обработок деталей и узлов установок с целью повышения надежности и исключения возможности изменения параметров процессов из-за засорения ловушек, фильтров, вакуумного масла.

Автоматическое управление процессом обеспечивает надежность и воспроизводимость характеристик оборудования.

Требования безопасности вызваны тем, что большинство применяемых реагентов, а также некоторые продукты реакций, токсичны и пожароопасны. Необходимо учитывать возможность накопления этих веществ в ловушках, вакуумном масле, а также предусмотреть утилизацию токсичных веществ. Необходимо использовать наименее опасные реагенты, обеспечивающие требования технологической группы.

Экономические требования. Для осаждения слоев должны использоваться наименее опасные, дешевые и доступные реагенты с максимальным сроком хранения.

В соответствии с требованиями к процессам осаждения в настоящее время в серийном производстве используются следующие способы получения материалов.

Нитрид кремния. Слои нитрида кремния получают аммонолизом силана при 800–850 С, дихлорсилана — при 750–900 С, тетрахлорида кремния при 840–900 С. Продукты реакций либо водород, либо хлористый водород, связывающийся избытком аммиака с образованием хлористого аммония. Толщина слоев нитрида кремния для ИС, как правило, не превышает 0,3 мкм и определяется либо с помощью эллипсометрии, либо по цвету слоев.

Самым распространенным методом получения высококачественных слоев нитрида кремния в РПД является аммонолиз дихлорсилана. Осаждение нитрида кремния вызывает массу эксплуатационных проблем. При толщине осажденного слоя на балластных пластинах более 12 мкм происходит его разрушение и образование частиц. Скапливание большого количества осадка хлористого аммония на выходном конце реактора и элементах вакуумной системы заставляет периодически проводить их очистку.

При использовании хлорпроизводных соединений кремния вакуумное масло под воздействием образующейся соляной кислоты разрушается с образованием вязких смолообразующих веществ, забивающих мелкие отверстия в насосах и ухудшающих их характеристики. Поэтому после осаждения 4–5 мкм слоя материала необходима смена масла в насосе. Необходимо также учитывать взрывоопасность дихлорсилана в смесях с воздухом.

Аммонолиз тетрахлорида кремния по технологическим требованиям несколько уступает первому процессу. Кроме того, исходный реагент представляет собой жидкость, т. е. требует применения газа-носителя. Тем не менее этот процесс осаждения с успехом заменяет процесс в системе дихлорсилан—аммиак, так как реагент доступен, дешев и не требует специальных условий с точки зрения безопасности.

Поликристаллический кремний. Слои нелегированного поликристаллического кремния обычно получают при температуре 620–650 С пиролизом силана. Слои, легированные фосфором, осаждают при температуре около 730 С из смесей силана с фосфином и с целью снижения сопротивления слоев до (93)10^4 Омсм дополнительно отжигают при 950 С. Сопротивление слоев во многом определяется размером зерна поликремния, который зависит от температуры, давления в реакторе в процессе осаждения, натекания атмосферного воздуха в реактор. Размер зерна также влияет на качество плазмохимического травления. Размер зерна обычно определяют с помощью электронной микроскопии, а косвенно о размере зерна можно судить по коэффициенту отражения света от подложки со слоем поликремния. Укрупненные зерна в слоях увеличивают рассеивание света и выглядят в слое мелкозернистого поликремния как "матовые пятна".

Введение малых количеств закиси азота в реакцию пиролиза силана при 630–650 С позволяет получать слои полуизолирующего поликристаллического кремния (поликремния, легированного кислородом).

Использование взрывоопасных токсичных газов предъявляет повышенные требования к обеспечению безопасности работающего и обслуживающего персонала — прежде всего обеспечение герметичности всех частей установок. Наибольшее значение это имеет для тех узлов, где происходит накапливание гидридов (вакуумное масло, ловушки), а также полостей вакуумных насосов с высоким давлением. Для поглощения фосфина непосредственно в реакторе устанавливаются специальные устройства, позволяющие снизить концентрацию фосфина на выходе реактора до <110^4 объемн.%.

Сложностей при эксплуатации оборудования нет, за исключением растрескивания осажденного слоя на кварцевом реакторе и балластных пластинах, а также самой кварцевой трубы. Образующиеся мелкие частицы материала захватываются газовым потоком при откачке реактора.

Двуокись кремния и силикатные стекла. Для получения слоев окисла и силикатных стекол используются реакции окисления силана кислородом при 350–450 С и закисью азота при 600–900 С, пиролиза тетраэтоксисилана при 700–750 С. Широкое распространение имеет также получение двуокиси кремния взаимодействием дихлорсилана с закисью азота при 850–920 С, но при этом возникают те же проблемы, что и при осаждении нитрида кремния. Слои используются либо в качестве межслойной изоляции по поликремнию в многоуровневых ИС, либо как защитное покрытие (в этом случае применяется только низкотемпературный процесс). Процесс осаждения в системе силан—кислород наиболее сложен и менее всего удовлетворяет требованиям к процессам осаждения слоев в РПД. Производительность не превышает 50 пластин/цикл, равномерность толщины 10 %, скорость осаждения 100 Å/мин. Процесс, как правило, невоспроизводим, осажденные слои имеют большое количество дефектов. Процесс обеспечивает высокое содержание примесей в осажденных слоях при использовании фосфина и диборана.

Откачка кислорода имеет особые сложности, так как обычные вакуумные масла – вещества горючие. Для откачки газовых смесей с содержанием кислорода более 30 % необходимы специальные инертные синтетические жидкости – фторированные полиэфиры.

Широкий температурный диапазон процесса осаждения окисла в системе силан—закись азота дает возможность совмещать его с процессами осаждения других материалов, например, нитрида кремния. Необходимо учитывать возможность роста дефектных слоев при попадании в реактор кислородсодержащих примесей. Недостатки этого процесса: низкие скорость осаждения (50–80 Å/мин) и производительность (около 75 пластин/цикл), невозможность получения высококонцентрированных слоев фосфоросиликатного стекла. Однако он очень прост в аппаратурном решении, не вызывает эксплуатационных проблем.

Кроме перечисленных слоев, метод осаждения при пониженном давлении используют для получения слоев металлов и силицидов металлов.