книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

в слое окисла (во всей его толщине, а не только в обла­ сти у границы с кремнием) и на его поверхности. Источ­ никами этих зарядов могут быть кислородные вакансии в структуре Si02 , ионы водорода, ионы металлов (в осо­ бенности подвижные ионы натрия). Все эти заряды мо­ гут перемещаться под действием электрических полей, концентрация их может меняться в зависимости от обра­ ботки в различных средах при разных температурах, и, что самое главное, существенное перераспределение этих

Рис. 3-19. Зависимость плотности фиксированных поверхностных зарядов от атмосферы н темпера­ туры окончательной обработки.

зарядов может происходить в условиях реальной эксплу­ атации кремниевых планарных структур. Увеличение по­ ложительного заряда в окисле приведет к концентрации подвижных отрицательных зарядов в кремнии около его поверхности. Если речь идет об участках кремния /г-типа, расположенных у выхода на поверхность границы р-п перехода, то увеличение концентрации электронов снизит сопротивление этих областей и, следовательно, уменьшит пробивное напряжение перехода. Если речь идет об отно­ сительно слабо легированных приповерхностных участ­ ках кремния р-типа, то обогащение их электронами мо­ жет привести к изменению их типа проводимости, т. е. к появлению так называемых поверхностных инвертиро­

111

нения обратных токов р-п переходов и коэффициента уси* ления планарных транзисторных структур.

Не следует считать, что для обеспечения требуемых характеристик и высокой стабильности кремниевых пла­ нарных приборов необходимо полностью устранить поло­ жительный заряд в окисле, на его поверхности и на гра­ нице раздела с кремнием. Для некоторых типов прибо­

действительно является необходимым. Но оно важно не столько для обеспечения стабильности свойств этих при­ боров, сколько для улучшения самих значений параме­ тров. Если рассмотреть другие типы приборов, то для улучшения их характеристик требования к зарядам, рас­ положенным над различными областями, могут быть разными. Что же касается стабильности электрических параметров, то для ее обеспечения необходимо принять меры, чтобы зафиксировать оптимальные или хотя бы имеющиеся после создания прибора величины и распреде­ ления зарядов в приповерхностной области структуры.

Еще один фактор, влияющий на свойства планарных приборов и связанный с созданием слоя БЮг на их по­ верхности,— концентрация фиксированных (при сравни­ тельно низких температурах) зарядов в приповерхност­ ном слое кремния. Эти заряды могут концентрироваться у поверхности кремния в результате собирания там рас­ творенных в кремнии ионов быстро диффундирующих элементов, на которые растущая пленка Si0 2 оказывает геттерирующее действие. В первую очередь речь идет об ионах золота и платины. Диффузия кислорода в кремний из растущей на нем пленки Si02 может приводить к об­ разованию в нем термодоноров. Одновременное наличие в приповерхностной области кремния кислорода и золо­ та существенно усложняет наблюдаемую картину. Их взаимодействие может, по-видимому, приводить к тому, что, помимо основного акцепторного уровня, создаваемо­ го золотом, в кремнии может возникнуть еще один акцеп­ торный уровень.

Пути стабилизации параметров кремниевых планар­

ных структур. Для того чтобы обеспечить малые измене­ ния параметров кремниевых планарных структур в усло­ виях их реальной эксплуатации, желательно, как это следует из сказанного, сохранить оптимальный поверх­ ностный потенциал. В ряде случаев для этого приходится

112

Принимать меры к уменьшению плотности электрических зарядов вблизи границы раздела Si—SiO^ в приповерх­ ностном слое кремния, в слое окисла и на его поверхно­ сти, а также обеспечить стабильное распределение тех зарядов, которые остаются в указанных областях. Для снижения плотности быстрых поверхностных состояний было предложено после напыления на системы Si—Si02 слоя алюминия проводить термообработку в нейтраль­ ном газе при 350—500 °С. Причиной снижения числа бы­ стрых состояний при этом может быть упорядочение вблизи границы раздела Si—Si02 .

Что касается плотности фиксированных зарядов вбли­ зи границы кремния, то, как следует из (Л. 3-27], при термическом окислении в сухом кислороде при 1200°С в достаточно чистых условиях она может быть доведена

с плоскостью (100). При других условиях термического окисления плотность зарядов может быть снижена до указанной величины путем соответствующей термообра­ ботки (отжига в инертном газе). Еще один путь уменьше­ ния плотности зарядов у поверхности кремния — это за­ мена термического окисления каким-либо иным методом выращивания Si02 . Так, низкая плотность поверхностных состояний (порядка 1010 1/см2) была получена при выра­ щивании Si0 2 из газовой фазы на поверхности эпитаксиального слоя сразу после его газового травления. Для выращивания S i 0 2 использовалась реакция между SiCU, С 0 2 и Н2 . В работе [Л. 3-28] плотность поверхностных

в разряде постоянного тока, где могли быть обеспечены особо чистые условия получения окисла. Предварительно поверхность подложки обрабатывалась азотной кисло­ той. Столь малая величина заряда сохранялась после

Возможный путь уменьшения плотности состояний на границе раздела Si—Si02 заключается в обработке в су­ хом водороде. При этом отмечалось резкое снижение скорости поверхностной рекомбинации, сопровождавшее­ ся повышением коэффициента усиления планарных тран­ зисторов в диапазоне малых токов. Вероятной причиной наблюдавшегося эффекта может быть исчезновение гра-

Мйчных состояний вследствие возникновения у границы Si—S1O2 связей Si—Н.

Одним из наиболее эффективных и широко используе­ мых методов стабилизации свойств планарных структур является нанесение на поверхность пленки S1O2. слоя фосфорно-силикатиого стекла. Этот слой может нано­ ситься специально, а может создаваться в процессе диф­ фузии фосфора с использованием Р2О5 или РОС13 .

Стабилизация свойств поверхности при нанесении на Si0 2 слоя фосфорно-силнкатного стекла может быть свя­ зана с двумя обстоятельствами. Во-первых, фосфорносиликатное стекло по сравнению с двуокисью кремния содержит избыток кислорода. Возможно, что изменение положительного заряда у поверхности кремния и в окис­ ле связано с диффузией из окисла кислорода и с вызван­ ным этим увеличением в окисле числа положительно заряженных кислородных вакансий. Тогда наличие аа поверхности избытка кислорода будет служить препятст­ вием для диффузии и, следовательно, будет стабилизи­ ровать характеристики планарных структур. (Одной из причин диффузии кислорода из кремния может являться электрическое поле, приложенное к слою окисла в на­ правлении к кремнию. Влияние поля особенно сказыва­

подтвержденным, что наличие на поверхности Si02 слоя фосфорно-силикатного стекла препятствует движению положительно заряженных ионов натрия по направлению к границе раздела Si—Si02 . Слой фосфорно-силикатного стекла действует как геттер для ионов Na+ и как барьер, препятствующий перемещению ионов Na+ от поверхно­ сти к границе Si—Si02 под влиянием электрического по­

транзистора, верхний слой, имеющий толщину 125 А, со­ держит 4%. Р2О5, то в течение 10 лет при 80 °С под на­

Для стабилизации свойств планарных структур было предложено проводить выращивание окисла в присутст-

114

В последнее время довольно широко стали проводить­ ся работы, связанные с использованием для маскировки, защиты и стабилизации пленарных структур слоев не только SiC>2, но и других веществ. Эти вопросы будут рассмотрены в следующих параграфах.

3-5. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПЛАИАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СЛОЕВ Si3 N4

Использование в полупроводниковой технологии сло­ ев Si0 2 позволило создать планарные приборы и довести значения их электрических параметров и стабильности до весьма высокого уровня. Однако слон Si0 2 обладают

индия. Невозможность добиться маскировки при диффу­ зии бора и фосфора при толщине Si0 2 менее 0,1 — 0,15 мкм создает ряд препятствий при изготовлении СВЧ

прослоек. Многие из этих ограничений удается устранить, используя в плаиарной технике пленки нитрида кремния Si3N4 (как вместо слоя SiOo, так н в сочетании с ним). Развитие работ по использованию нитрида кремния по­ зволило решить ряд задач в области технологии кремние­

в принципе аналогичных методам получения слоев Si02 , хотя относительная роль этих способов в случае нитрида кремния иная. Так, наиболее простой метод получения слоев путем непосредственной реакции азота с кремнием в отличие от термического окисления не нашел практи­ ческого применения. Рассмотрим основные методы полу­ чения слоев Si3N.i на поверхности кремния.

Методы получения слоев Si3N/,. В основе одного из

lie

очень мала (за сутки вырастает слой 0,1—0,2 мкм). Слои получаются не сплошными, а с неравномерным распре­ делением свойств, частично аморфные, частично кри­ сталлические.

Пригодные для практического применения слои SiaN4 были получены с помощью пиролитических реакций в га­ зовой фазе. В этих реакциях используются какое-либо соединение кремния (гидрид или галогенид) и соедине­ ние азота (аммиак или гидразин).

Получение слоев нитрида, основанное на реакции

описано в работах [Л. 3-32 и 3-33]. В первой работе реак­ ция осуществлялась в радиочастотном тлеющем разряде. Преимущества метода связаны с тем, что используемые для получения Si3 N4 газообразные реагенты могут быть чрезвычайно чистыми. Слой мог быть получен на под­ ложке при различных ее температурах, однако для со­ здания слоя с достаточно хорошими, т. е. пригодными для практического использования, свойствами было не­ обходимо нагревать подложки до температуры свыше 300°С. Слои осаждались на поверхность кремния. Выра­ щивание в смеси SiH4 и N H 3 велось в непрерывно отка­ чиваемой системе под давлением Ю - 1 мм рт. ст. Зависи­ мость скорости роста от состава газа показана на рис. 3-20. Содержание водорода в силане не превосходи­ ло 1%'. Результаты использования слоев в структурах металл — нитрид—полупроводник показали, что свойства слоев вполне позволяют использовать их в планарной технологии.

помещались кремниевые подложки. Содержание кисло­ рода в азоте не превышало .0,5—0,7-10_ 4 %. Скорость травления выращенного слоя была минимальна при 850 °С. Уменьшение скорости травления в диапазоне 650— 850 °С связано с уплотнением слоя, а рост скорости трав­ ления при дальнейшем повышении температуры обуслов­ лен появлением незначительных количеств SiOa. Свойст­ ва полученных слоев, как и в случае использования тлею­ щего разряда, вполне позволяют использовать их в пла-

117

нарной технологии. В работе (Л. 3-34] реакция между силаном и аммиаком проводилась в избытке водорода (для предотвращения преждевременного разложения силана при 500 °С). Установка была аналогична обычной установке для эпитаксиального выращивания. Расход водорода равнялся 4 л/мин. Соотношение концентраций SiH4 и N H 3 находилось в пределах 1 :20—1 :40. Темпе-

о

А/мин

Z00

WO

160

ПО

120

100

80

60

W

20

Рис. 3-20. Зависимость скорости роста пленки нитрида в тлеющем разряде от концентрации SiH„.

ратура подложки менялась в пределах от 750 до 1 100 °С. На рис. 3-21 показана температурная зависимость скоро­ сти роста слоя. В [Л. 3-34] не сообщается о возможности использования полученных слоев для изготовления планарных структур, но указывается, что при толщине слоев свыше 0,7—1,0 мкм в них появлялись трещины сразу после выращивания или в результате последующей тер­ мообработки.

Для получения слоев Si3N4 использовалась также ре­ акция между SiF4 и NH3:

3Si.F4 +, 4NHjr*Si8 N4+-12HF, (3-27)

проводимая при температуре свыше 1 200°С. Практиче­ ское применение этого метода пока не описано.

118

Исследовалось получение слоев Si3 N4 при пиролитй* ческой реакции между SiCl4 и NH 3 :

Для реакции использовалась установка того же типа, что и для эпитаксиалыюго выращивания кремния. При взаимодействии SiCU и NH 4 имеет место ряд сложных промежуточных реакций, ход о

плотностью и хорошей маскирующей способностью. Слои большой толщины имеют склонность к растрескиванию из-за различия коэффициентов термического расширения

119

Проводившейся при 800 "С. При осаждении пленок в ка­ честве газа-носителя использовался формир-газ. Темпе­ ратурная зависимость скорости роста показана на рис. 3-22. Образующийся слой мог эффективно маскиро­ вать кремний от диффузии галлия, но имел очень высо­ кие внутренние напряжения, которые не уменьшались ни снижением температуры роста, ни изменением отноше­ ния концентраций SiBr4 и NH3.

Для осаждения слоев S13N4 использовался также си- лан-гидразиновый процесс, проводившийся в атмосфере Н 2 при 550—1 150 °С:

чить чистые слои без примеси На, начиная с 750 °С. Одна­ ко 'полученные слои тра­

хиометричеокое. Для получения хорошего по качеству слоя необходимо, чтобы перед наполнением камеры азо­ том остаточное давление в ней было существенно ниже 1 • Ю - 8 мм рт. ст.

120