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

Свойства слоев Si3 N4 . Для использования в полупро­ водниковой технологии желательно получать аморфные слои, так как это способствует уменьшению напряжений на границе раздела с подложкой и снижает вероятность появления дефектов типа щелей и трещин, появляющих­ ся на границах раздела между зернами в слое, имеющем кристаллическую структуру. При получении слоев с по­ мощью реактивного распыления и реакции между N H 3 и SiH4, если температура кремниевой подложки не пре­ вышает 900° С, слои всегда аморфны. При температуре 1 100°С пиролитическое осаждение приводит к образова­ нию кристаллических слоев [Л. 3-38]. При стремлении получить слой нитрида, близкий по составу к Si3N4, же­ лательно вести осаждение с достаточно малой скоростью.

Плотность аморфных слоев нитрида составляет 3,02—

ев, выращенных с помощью реакции между SiH4 и NH^ в высокочастотном тлеющем разряде диэлектрическая постоянная имеет значения от 7 до 10; для слоев, полу­ ченных пиролизом или реактивным распылением, она близка к 6. Электрическая прочность слоев нитрида мо­

слоев, полученных распылением, может быть равен 1,2—

SiH4 и N H 3 свойства слоев Si3 N4 могут меняться. Умень­ шение содержания аммиака увеличивает показатель пре­ ломления и электропроводность слоев и слабо влияет на диэлектрическую постоянную и плотность поверхностных

ном разряде при реакции'между силаном и азотом, в за­ висимости от концентрации силана (от 0,1 до 2,5 мол. %

121

Диэлектрическая постоянная уменьшается от 8 до 5 при уменьшении температуры подложки от 500 до 25 °С. По­ верхностный заряд меняется от 7 до 14-101 1 1/см2.

Для травления слоев Si3N4 может использоваться ряд травителей. Так, в (Л. 3-33] использовался для травления пиролитнческих слоев травитель из 300 г Н 2 0 , 200 г NITt F и 45 г HF. Скорость травления при этом менялась для различной температуры выращивания от 100 до

о

300 А/мин.

Для травления S13N4 может использоваться концен­ трированная плавиковая кислота. При комнатной темпе­ ратуре скорость травления пиролитически выращенных

800°С при реакции между SiBr4 и NIT3. Для слоев, выра­

травления уменьшалась также при увеличении в процес­ се роста слоя температуры подложки. В [Л. 3-37] указы­ вается, что для травления Si3 N4 может использоваться травитель из 1 части 49%-ного HF и 7 частей 40%-ного водного раствора NH4 F и что высококачественные слои нитрида должны травиться со скоростью, меньшей чем

1 А/сек.

Ввиду того, что скорость травления Si3 N4 в аналогич­ ных травителях гораздо меньше, чем у Si02 , серьезные трудности возникли в связи с проблемой фотолитографи­ ческой обработки слоев Si3N4 (недостаточной оказыва­ лась стойкость обычных фоторезистов). Один из путей преодоления этих трудностей связан с выбором травителя, который достаточно действовал бы на нитрид и почти не травил бы двуокись кремния. Тогда при фотолитогра­ фической обработке Si3 N4 можно было бы использовать в качестве маски Si02 : на слой Si3N4 наносить слой Si02 , сверху наносить обычный фоторезист, проводить обыч­

122

в течение нескольких часов эффективно маскировать по­ верхность кремния от диффузии бора, мышьяка, фосфо­ ра, галлия, кислорода [Л. 3-42], а в работе [Л. 3-43] было продемонстрировано маскирующее действие таких же тонких слоев Si3 N4 при диффузии в кремний индия. Ма­ скировки при диффузии алюминия была продемонстриро­ вана в (Л. 3-35]. Причины такой эффективной маскиров­ ки с помощью S13N4 связаны с малым коэффициентом диффузии указанных примесей через нитрид, обусловлен­ ным в какой-то мере его более высокой, чем у SiO^ хи­ мической прочностью. Однако в случае маскировки ни­ тридом от диффузии фосфора было отмечено, что эта маскировка не всегда эффективна, особенно если в ка­ честве источника диффузанта использовались Р О С 1 3 или фосфорно-силикатное стекло и если при этом в атмосфе­ ре присутствовал кислород. Исследования показали, что на поверхности нитрида при отсутствии в атмосфере кислорода образуются фосфид кремния и Р2О5, а при наличии кислорода образуется только Р2О5, но при этом фосфид кремния может возникать в качестве промежу­ точного продукта и являться катализатором процесса. При всех этих реакциях избыточный Р2О5 образует фос­ форно-силикатное стекло, такое же, как при маскировке

слоем Si3N/„ аналогичны тому, что наблюдается при ма­ скировке Si02 . В этом случае маскировка нитридом мо­ жет быть лишь несколько лучше маскировки двуокисью кремния.

Эффективная маскировка нитридом от диффузии ки­ слорода нашла практическое применение при разработ­ ке метода локального окисления кремния. В этом мето­ де поверхность кремния покрывается нитридом, а затем в нужных местах она обнажается с помощью фотолито­ графической обработки. После этого производится тер­ мическое окисление кремния. Часть поверхности, покры­ тая нитридом, оказывается замаскированной до тех пор, пока весь слой нитрида не окислится. Так как нитрид

124

окисляется значительно медленнее кремния, оказывает­ ся возможным провести локальное выращивание толстых слоев окисла кремния с очень резким краем. Этот тол­ стый окисел будет при этом частично погружен в крем­ ний. Если впоследствии через его край будет проходить металлизация, высота ступеньки в Si02 будет не очень

что нитрид кремния может эффективно маскировать от диффузии натрия. Более того, если слой нитрида распо­ лагается над слоем Si02 , покрывающим поверхность кремния, то нитрид будет не только защищать Si0 2 от проникновения в него натрия, но и геттерировать натрий, который до этого попал в слой Si02 . Это обстоятельство явилось одним из преимуществ разработанных в послед­ нее время двухслойных структур нитрид — окисел, ис­ пользуемых в так называемых МНОП транзисторах (ме­

область между металлом и полупроводником. Чем мень­ ше толщина этой области, тем легче осуществить управ­ ление проводимостью канала в структурах полевых тран­ зисторов.

Возникает вопрос, почему вместо МОП структур используют МНОП структуры, а не МНП структуры (без слоя окисла под нитридом)? Отмечалось, что при нане­ сении слоя нитрида на поверхность кремния плотность заряженных состояний равна 10'2 Мал2. Установлено, что имеются три вида состояний: состояния на границе

тельным зарядом. С помощью полей, превосходящих примерно 1,75 Мв/см, можно добиться компенсации за­ рядов этого типа или установить любой знак их суммар­ ного заряда. Однако плотность состояний на границе ни­

125

да, представляющего собой твердый раствор Si02 и SiaNi, состав которого может изменяться непрерывным обра­ зом. Установлено, что оксинитрид обладает лучшей ма­ скирующей способностью и более высокой электрической прочностью, чем Si02 . Однако оксинитрид характери­ зуется более высокой плотностью заряженных состояний и относительно сильной поляризацией. Меняя состав оксинитрида, можно получить слои с очень малыми ме­ ханическими напряжениями. Наилучшие результаты (малая плотность фиксированных зарядов, очень малая плотность быстрых состояний, отличные пассивирующие

Наибольшее количество исследований связано с разра­ боткой методов нанесения и изучением свойств слоев окиси алюминия А12 0з.

Для получения слоев А12 0з использовались методы анодного окисления алюминия, реактивного распыления алюминия в кислороден распыления сапфира с помощью электронного пучка, а также метод испарения А12 03 с по­ мощью лазера. Состав и свойства слоев зависят от мето­ да их получения: удельное сопротивление полученных слоев 1012—1015 ом-см, диэлектрическая постоянная 8,5—• 9,9, электрическая прочность 1—2-Ю6 в/см. При получе­ нии слоев А12 03 с помощью электронной бомбардировки вторично кристаллизированного сапфира электрическая прочность достигала 3—5-10° в/см. В работе [Л. 3-45] слои А12 03 на кремниевых подложках были получены путем термического разложения изопропоксида алюми­

126

слороде е увеличилась до 8,5), показатель преломления 1,6—1,68 (у сапфира показатель преломления равен при­ мерно 1,76). Слои были аморфными и сохраняли аморф­ ность даже после обработки в 0 2 в течение 30 мин при 700 °С. Однако слои, нанесенные при 925 °С и обработан­

уменьшению разброса их свойств, в особенности связан­

в связи с их высокой плотностью и большой диэлектри­ ческой постоянной, а также из-за их высокой маскирую­ щей способности. Кроме того, слои А12 03 менее чувстви­ тельны к радиации (при облучении электронами в них возникает существенно меньше положительных зарядов, чем в Si02 ). В слоях, полученных в работе [Л. 3-46] и путем анодного окисления в плазме, после подобного облучения возникал заряд порядка 1012 1/сж2.

Недостатком структур Si-—А1203, помимо относитель­ но высокой плотности заряда на границе раздела, явля­ ется электрическая нестабильность, связанная с возни­ кновением локализованной проводимости вблизи грани­ цы Si—А12 03 . Качество этих структур значительно повы­ шается, если между кремнием и А12 03 создать слой Si02

случае уменьшалась в 4—5 раз и резко снижалась лока­ лизованная проводимость.

Одно из направлений работ, связанных с использо­ ванием свойств А12 03 , заключается в создании на по­ верхности кремния слоев алюмосиликатных стекол. Уста­ новлено, что слой алюмосиликата имеет примерно на по­

127

мическом окислении некоторого количества алюминия существенно увеличивает стойкость слоя к облучению электронами. Так, если содержание алюминия в окисле достигает 0,1 от содержания кремния, то заряд, возни­ кающий после облучения электронами, имеет тот же порядок, что и после облучения А13 03 . Свойства же слоя

новый метод защиты кремниевых транзисторов, назван­ ный «низкотемпературной пассивацией». Этот метод по­ зволил создать приборы с характеристиками, ни в чем не уступающими обычным пленарным структурам, а в от­ ношении коэффициента шума, пробивных напряжений и влагостойкости превосходящими их [Л. 3-48]. В соот­ ветствии с этим методом перед пассивацией с поверхно­ сти готовой структуры удаляется слой SiO^ в котором из-за различия коэффициентов расширения с кремнием при охлаждении после высоких температур могли нако­ питься напряжения. Затем поверхность кремния слегка травится, и на нее наносится трехслойное покрытие: слой SiOa, на него слой стекла, состоящего из AI2O3 и Р2О5, и на него опять слой Si02 . Процесс химического осаждения происходит в диапазоне температур 400—700°С. Метод

граница перехода у поверхности может не искривляться ввиду чего они могут иметь более высокие пробивные напряжения.

Фирма Hitachi применила еще один метод стабили­ зации планарных структур, направленный в первую оче­ редь на повышение их влагостойкости и предназначен­ ный для приборов, собираемых в корпусах из пластмас­ сы. Метод связан с нанесением на слой Si0 2 тонкого слоя окисла тантала, отличающегося высокой влагостой­ костью и устойчивостью к химическим воздействиям.

в (Л. 3-49] описывается выращивание с помощью пиро­ лиза на поверхности Si02 различных стекол — боросиликатных, фосфорно-силикатных, алюмоборосиликатных и цинкоборосиликатных. Особенно подходящими для на­ несения на планарные структуры оказались боросили-

138

катные стекла, наносимые из смеси 02 , SiH4 и В2НбТемпература нанесения указанных стекол лежала в пре­ делах 300—475 °С. Удалось получить на поверхности плапарных структур свободные от трещин слои боросиликатных стекол толщиной до 20 мкм. Для получения оптимальных свойств пленок требовалось проводить уплотняющую термообработку при температурах 450 — 800 °С и наличии водяных паров. Если для пассивации использовать фосфорно-еиликатное стекло, то на него надо дополнительно наносить влагозащитный слой, так как само оно гигроскопично. Тройные алюмосиликатные и цинкоборосилнкатные стекла имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными боросиликатными стеклами.

Для защиты пленарных структур предложено исполь­ зовать свинцово-силикатное или свинцово-боросиликат- ное стекло, получаемое оплавлением при 350—500 °С сме­ си порошкообразных окислов, наносимой на поверхность структуры. Указывается,-что удалось получить покрытия, содержащие менее 10"4% натрия, и что приборы, защи­ щенные стеклами на основе свинца, выдержали испыта­ ния на срок службы в течение 4 000 ч, в том числе испы­ тания при высокой температуре под обратным напряже­ нием, без заметного изменения параметров.

Надо отметить, что все пассивирующие покрытия (за исключением, быть может, SiO^ покрытого толстым сло­

жающей среды (в первую очередь влаги) в течение очень длительных промежутков времени. Поэтому- в- большин­ стве случаев планарные структуры, особенно если они должны выдерживать жесткие требования по устойчи­

планарных приборов. Возникшая некоторое время тому назад тенденция сборки планарных приборов в пласт­ массовых корпусах направлена на удешевление и на упрощение их производства. Однако, по имеющимся в настоящее время данным, пластмассовые корпуса не позволяют полностью защитить приборы от воздействия влаги.

Все рассмотренные в данной главе работы относи­ лись к исследованию маскирующих защитных и стаби-

лизирующих свойств слоев, представляющих собой ди­ электрики. В заключение стоит упомянуть о работе [Л. 3-50], в которой установлено, что слои молибдена и вольфрама толщиной 0,2—0,5 мкм, нанесенные на тер-

о

мический выращенный слой окиси кремния ( ~ 1000А), позволяют эффективно маскировать от диффузии фос­

в технологии изготовления планарных МОП транзисто­ ров. Оно позволит изменить порядок технологических операций: сначала создавать над тонким слоем окисла электрод затвора (на основе Мо или W), а затем, исполь­ зуя эти материалы в качестве маски, проводить диффу­ зию в области истока и стока. При этом можно избе­ жать перекрытия областей истока, канала и стока и рез­ ко повысить частотные свойства МОП структур.

Из материала данной главы видно, что свойства за­ щитных и маскирующих слоев на поверхности кремния в настоящее время изучены довольно подробно и что разработан весьма широкий набор технологических ме­ тодов изготовления подобных слоев и обеспечения их удовлетворительных свойств. В результате появилась возможность создания обширного класса кремниевых планарных структур, отличающихся большим разнообра­ зием свойств и их достаточно высокой стабильностью.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИИ

4-1. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ Д И Ф Ф У З И Ю ПРИМЕСЕЙ

В пленарной технологии кремниевых приборов диффузия играет важнейшую роль, являясь основным методом легирования полупро­ водниковых пластин и кристаллов в процессе создания п-р перехо­ дов планарных структур.

При использовании диффузии для легирования полупроводнико­ вых структур создаются источники примеси в самом полупроводни­ ке или вблизи от его границ; затем кристалл нагревается и выдержи­ вается при высокой температуре. В результате в кристалле создает-

130