6.4. Осаждение диэлектрических пленок

Помимо термически выращенного окисла кремния в производстве микросхем широко используются диэлектрические пленки, получаемые методами осаждения, главным образом окисел и нитрид кремния. Очень важно при этом, чтобы пленки были однородными по толщине на всех обрабатываемых в одном процессе пластинах, а их состав и структура были полностью идентичными и воспроизводимыми. Эти пленки предназначаются для электрической изоляции между металлом и поверхностью кремния (обычно до 0,4 мкм), проводящими слоями (обычно до 0,8 мкм), для защиты поверхности микросхемы от воздействия окружающей среды (обычно до 1,2 мкм).

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 SiO₂ используются реакция окисления силана SiH₄ кислородом, реакция разложения тетроэтоксисилана (ТЭОС) и реакция дихлорсилана с закисью азота:

; (6.9)

(побочные органические продукты) ; (6.10)

. (6.11)

Эти реакции протекают при разных температурах. Наименьшая температура 400 – 450°С требуется для окисления силана (6.9). 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, а также для пассивации поверхности готовых приборов. Недостатком метода является плохая воспроизводимость ступенчатого рельефа.

Для разложения ТЭОС (6.10) 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 (6.11) проводится при высокой температуре (900°С), из-за чего этот процесс применяется 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), пассивирующий 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 PH₃ или диборана B₂H₆. Концентрация фосфора не превышает 2÷8 мол. %.

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 мол. %. При более низкой концентрации фосфора 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 м

а) б)

еталлизации.

Рис.6.5. Схемы реакторов для осаждения окисла кремния из парогазовой смеси: а – при пониженном давлении; б – при атмосферном давлении

Для осаждения пленок SiO₂ из парогазовой смеси используются два типа реакторов, работающих либо при пониженном давлении (рис. 6.5, а), либо при атмосферном давлении (рис. 6.5, б).

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^–2 Па. Однородность пленок по толщине очень высокая, не хуже 5 %, что является преимуществом данного метода, но при этом скорость осаждения невысока.

В реакторе, работающем при атмосферном давлении с непрерывной загрузкой, 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 высокой производительностью, пленки окисла отличаются однородностью. Недостатком является большой расход газов.

В последние годы для осаждения пленок SiO₂ и Si₃N₄ все чаще применяются плазменные методы. Для осаждения двуокиси кремния обычно используется реакция силана с закисью азота в аргоновой плазме:

. (6.12)

Плазмохимическое осаждение проводится в тлеющем разряде, подложки находятся при низких (100 – 400°С) температурах, что является бесспорным достоинством метода. При осаждении необходимо строго контролировать многие параметры процесса: частоту и мощность разряда, общее давление парогазовой смеси, 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.

Схема одного из реакторов для плазменного осаждения диэлектрических пленок представлена на рис. 6.6.

Рис.6.6 Схема плазмохимического реактора с радиальным распределением газового потока

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).

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, влаги и может служить защитой от воздействия внешней среды.

Как и окисел кремния, нитрид кремния может быть получен осаждением из парогазовой смеси за счет реакции либо силана с аммиаком, либо дихлорсилана с аммиаком:

; (6.12)

. (6.13)

Реакция (6.12) протекает при атмосферном давлении и температуре 700 – 900°С. Реакция (6.13) идет при пониженном давлении и температуре 700 – 800°С. В этом случае пленки получаются 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 при низких температурах преимущественным является не химическое, а плазменное осаждение. Для этого используется то же оборудование, что и для получения окисных пленок. В аргоновой плазме идет реакция силана с аммиаком

(6.14)

или силан вводится в азотный разряд

(6.15)

Как видно из реакций (6.14) и (6.15), плазмохимический нитрид кремния содержит большое количество водорода (до 25 атомных %), а также 0,5 – 2 % кислорода. Состав пленок нитрида кремния определяет такие их свойства, как удельное сопротивление, которое может меняться от 10⁵ до 10¹⁶ Омсм и более (рис. 6.7), и пробивное напряжение (1 – 6)  10⁶ В/см.

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 cущественно 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.

H/Si

Рис. 6.7. Зависимость удельного сопротивления плазмохимического нитрида кремния от соотношения в нем кремния и водорода

Как правило, толщина пленок нитрида кремния не превышает 0,3 мкм.