Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии

В случае окисления при постоянном напряжении между анодом и катодом первоначальный ток, возникающий вследствие ионной проводимости оксида, определяется сопротивлением электролита, толщиной первоначального слоя оксида на кремниевой пластине и поляризацией, связанной с образованием «двойного слоя» в электролите. По мере роста оксида электрическое поле в нем уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через оксид. В результате рост оксида замедляется.

Большую роль в получении воспроизводимых результатов анодного окисления играет выбор электролита и процент содержания в нем влаги. Могут быть использованы самые различные электролиты на основе азотной, борной или фосфорной кислот с добавками нитрата натрия, нитрата калия, бихромата аммония и др.

Газовое анодирование кремния аналогично электролитическому с той лишь разницей, что вместо электролита используется газ. Этот метод применяется при выращивании толстых оксидных пленок. Кислородная плазма, возбуждаемая полем высокой частоты, служит источником отрицательно заряженных кислородных ионов. Ионы кислорода из плазмы взаимодействуют с поверхностью кремниевой пластины. Рост оксида зависит от режима проведения анодного окисления: от давления внутри рабочей камеры, температуры и плотности плазмы.

8. Осаждение пленок оксида кремния термическим испарением

Для нанесения защитных пленок оксида кремния используют два метода, основанные на испарении монооксида кремния. В первом методе используется технический порошкообразный монооксид кремния. Второй метод заключается в том, что кремниевый электрод нагревается в атмосфере кислорода. При этом его поверхность покрывается монооксидом, который легко испаряется, так как обладает более высоким, чем у кремния, давлением паров.

Оксиды, получаемые путем напыления на полупроводниковую подложку, представляют собой комплексы вида Si--SiO--SiO2-. При использовании в качестве источника испарения порошка монооксида кремния одним из наиболее важных моментов для получения однородной защитной оксидной пленки является конструкция лодочки для порошка монооксида кремния. Скорость испарения зависит от геометрии лодочки, температуры, давления, а также от однородности порошка монооксида. При использовании какого-либо определенного источника скорость испарения регулируют изменением электрической мощности, служащей для нагрева лодочки. Кремниевые пластины при этом методе осаждения защитной пленки нагревают до 300° С и выше, чтобы получить хорошую адгезию защитной пленки к исходной пластине. Если осаждение производится с малой скоростью, но при высоком парциальном давлении кислорода, то пленка обладает такими же характеристиками, как и пленка SiO2. При больших скоростях осаждения или при более низком парциальном давлении кислорода оптические характеристики осажденной пленки сходны с характеристиками, присущим» пленкам SiO.

Защитные пленки, обладающие свойствами пленок SiOa, получают обычно при температуре источника 1300--HOO0C и суммарном давлении менее 6,5· IO-4 Па. >

Для получения оксидных пленок методом напыления в вакууме в качестве источника можно использовать кремний. При этом определяющую роль играет реакция у поверхности кремния. Температура и парциальное давление кислорода у этой поверхности определяют скорость адсорбции кислорода на поверхности кремния и испарения S1O2. Кремний нагревается до температуры 700-- IOOO0C Парциальное давление кислорода должно быть таким, чтобы на поверхности кремниевого источника обеспечивалась реакция Si-f-O--*-SiO. Указанным методом на исходной полупроводниковой пластине можно получить оксидную пленку толщиной 0,1 мкм при температуре 900°С и давлении 1,3· IO-4 Па в течение 30 мин. При подогреве подложки, на которой располагаются пластины, улучшаются адсорбция паров оксида и адгезия их к полупроводниковым пластинам. Во избежание испарения осажденной пленки оксида температура пластин должна быть на 100--200° С ниже температуры источника.

9. Реактивное катодное распыление оксида кремния

Метод реактивно-катодного распыления оксида кремния основан на использовании электрического разряда между электродами при низком давлении окисляющего газа. Под действием бомбардировки ионизированными молекулами газа материал катода испаряется в виде свободных атомов или в виде соединений, образующихся при реакции катода с остаточными молекулами газа. Перенос распыленных частиц происходит либо за счет их кинетической энергии, либо за счет диффузии, если столкновения с остаточными молекулами газа заметно снижают их кинетическую энергию.

Методом реактивно-катодного распыления можно получать пленки оксида кремния, подвергая распылению в присутствии кислорода кремниевую мишень. Обычно этот процесс проходит при давлении 0,4 Па и напряжении 1500--2000 В. Скорость роста: пленки оксида кремния увеличивается при введении в кислородную атмосферу небольших количеств аргона.

Разновидностью реактивно-катодного распыления является метод, при котором плазма получается с помощью высокочастотного разряда. По данному методу защитные оксидные пленки получают при давлении 26,5--133 Па и напряжении 3--5 кВ.

Хорошая контролируемость процесса реактивно-катодного распыления позволяет автоматизировать процесс осаждения защитных пленок оксида кремния на подложки из полупроводникового материала.

10. Химическое осаждение пленок нитрида кремния

Наряду с защитными диэлектрическими пленками диоксида кремния в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем все более широкое применение находят пленки нитрида кремния.

Пленки нитрида кремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов, используемых в обычной планарной технологии, чем пленки диоксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получают более тонкими. Это является важным фактором для фотолитографии, способствующим увеличению ее разрешающей способности.

Пленки нитрида кремния можно выращивать во много раз быстрее, чем пленки диоксида кремния, и при более низких температурах.

Рассмотрим несколько способов химического осаждения пленок нитрида кремния.

Реакция взаимодействия кремния с азотом. Для осуществления химической реакции нитрирования необходима температура J100-- 1300°С:

3Si + 2N2 - Si3N4

Обычно этим способом пользуются для получения нитрида кремния как тугоплавкого материала. В данной реакции чистый азот может быть заменен аммиаком, который диссоциирует при высокой температуре и взаимодействует с кремнием легче, чем молекулярный азот.

Пленки нитрида кремния могут быть получены методом открытой трубы. В рабочей камере располагают пластины кремния и пропускают через нее поток азота. При температуре 1200°С и скорости потока азота 300 см3/мин на поверхности пластин кремния образуется пленка нитрида кремния.

Реакция взаимодействия силана с аммиаком. Для протекания химической реакции азотирования силана аммиаком необходима температура 700--11000 C Таким образом, по сравнению с предыдущей реакцией рабочие температуры процесса осаждения пленок нитрида кремния значительно ниже. В рабочую камеру с кремниевыми пластинами в потоке водорода со скоростью (Зч-5) подаются силан и аммиак в соотношении 1:20. Избыток водорода препятствует преждевременному разложению силана. В рабочей камере при температуре выше 500°С происходит разложение силана и взаимодействие его с аммиаком:

3SiH4 + 4NH3 -- Si3N4 + 12Н2

Образовавшийся в результате реакции нитрид кремния осаждается на поверхности кремниевых пластин.

Скорость роста пленки нитрида кремния зависит от концентрации силана в рабочей камере и температуры проведения процесса (рис. 8). Из графика видно, что при температуре 1250°С скорость осаждения замедляется, а при температуре выше 1250°С

значительно уменьшается. Это объясняется недостатком силана в рабочей камере вследствие его интенсивного разложения при повышенных температурах.

Обычно пленки нитрида кремния осаждают на подложки при температуре 800--900°С с использованием рабочей смеси, состоящей из водорода или аргона, используемых в качестве газов-носителей и реагентов: силана (до 1%) и аммиака (до 3%). Расход рабочей смеси устанавливают равным 1000 см3/мин. Время процесса выбирают из условия требуемой толщины пленки. В качестве газа-носителя наряду с водородом и аргоном могут быть использованы азот или оксид азота.

Рис. 8. Зависимость скорости осаждения пленок Si3N4:

Реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с аммиаком. Образование пленки нитрида кремния при взаимодействии тетрахлорида кремния с аммиаком протекает в несколько стадий. На начальной стадии образуется диимид кремния:

При комнатной температуре эта реакция дальше не идет. Происходит полимеризация диимида кремния.

Если температуру повысить до 400°С, то пойдет реакция

Если температуру повысить до 650°С, реакция идет дальше:

Завершающая стадия образования нитрида кремния проходит при температуре 1100--1250°С:

В результате образуются кристаллиты нитрида кремния б-модификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 4000C, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.

Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин -- результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.

Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (5н-4-10) 103 см3/мин.

Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения между тетрахлоридом и аммиаком.

На рис. 9 приведена зависимость скорости осаждения пленки нитрида кремния от температуры для двух соотношений между тетрахлоридом и аммиаком.

Кроме тетрахлорида кремния для осаждения пленок нитрида кремния можно использовать галогенированные силаны типа "Hi-nSiXn, где X -- галоген; п=1, 2, 3, 4. Реакция образования пленки нитрида кремния имеет вид

В качестве газов-носителей используют, как и в предыдущем случае, водород, аргон или азот. Температура проведения процесса осаждения для этих реагентов может быть снижена до 750-- Э80°С. Скорость роста пленок нитрида кремния для этого процесса в большой степени зависит от технологических режимов.

Реакция взаимодействия силана с гидразином. Для осаждения яленок нитрида кремния вместо аммиака используют гидразин N2H4. Реакция в этом случае идет по следующей схеме:

SiH4 + N2H4 Si (NH)2 + ЗНг

2Si (NH)2 -- (SiN)2 NH + NH3

3 (SiN)2 NH -- 2Si3N4 + NH3

При использовании реакции взаимодействия аммиака с силаном температура осаждения пленок нитрида кремния не может быть ниже 750°С. Применение гидразина вместо аммиака позволяет снизить рабочую температуру процесса до 550°С,.так как гидразин разлагается при более низких температурах. Осаждение пленок проводят в кварцевой трубе, через которую пропускают газ-носитель и смесь силана с гидразином.

Рис. 9. Зависимость скорости осаждения пленок Si3N4 от температуры

На рис. 10 показана зависимость скорости осаждения пленок нитрида кремния от температуры для двух различных соотношений концентраций силана и гидразина.

Реакция взаимодействия тетрабромида кремния с азотом. Реакция осаждения нитрида кремния идет при температуре 950°С и имеет вид

Рис. 10. Зависимость скорости осаждения пленок S13N4 от температуры

На рис. 11 показана схема установки для проведения процесса нанесения пленок нитрида кремния на подложки с использованием рассмотренных реакций:

SiH4-T-NH3; SiCl4 + NHs; SiH4 + + N2H4; SiBr4 + N2.

Рис. 11. Схема установки для осаждения пленок SіNi:

1 -- блок очистки водорода; 2 -- источник SiCI4 или SiBr4; 3 -- ротаметры; 4 -- краны: 5 -- выпуск избыточных газов; S -- смесительная камера; 7 -- пластины; 4 -- нагреватель: 9 -- рабочая камера

11. Реактивное катодное осаждение пленок нитрида кремния

Достоинство этого метода состоит в том, что реакция между кремнием и азотом происходит при комнатной температуре окружающей среды за счет энергии газового разряда, между анодом и катодом в рабочей камере.

Нанесение пленок нитрида кремния проводят в специальных установках катодного распыления при постоянном токе с холодным или горячим катодом.

Для проведения процесса катодного осаждения используют катод из высокочистого кремния в виде плоской пластины большого (80--120 мм) диаметра. Анодом служит подложка. При подаче на катод высокого напряжения (1---3 кВ) в пространстве между анодом и катодом возникает аномальный тлеющий разряд, который ионизирует газ внутри рабочей камеры. Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в непосредственной близости около катода образуется настолько сильное электрическое поле, что образовавшиеся при разряде положительно заряженные ионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только дополнительные электроны (необходимые для поддержания разряда), но и атомы материала катода.

В течение этого процесса кремниевый катод постепенно разрушается. Поэтому в производственных условиях, когда процесс катодного распыления используется длительное время, катод подлежит замене после определенного срока службы.

Технологический процесс катодного осаждения пленок нитрида кремния включает в себя предварительную откачку воздуха из рабочей камеры с целью удаления имеющихся в воздухе загрязнений.

Откачку обычно проводят до давления 1,3· 10~3--1,3· 10~4 Па, а затем в рабочую камеру вводят смесь газов аргона и азота, предварительно очищенных от влаги и кислорода. Давление в рабочей камере при этом устанавливают равным 1,3--13 Па.

Азот, участвующий в процессе, является реактивным газом, а аргон используется для повышения эффективности процесса распыления. Требование по отсутствию кислорода в рабочей камере продиктовано тем, что кремний взаимодействует с кислородом значительно лучше, чем с азотом. Поэтому даже незначительное количество кислорода в рабочей камере приводит к образованию пленки диоксида кремния на поверхности подложки.

На процесс катодного осаждения оказывают влияние катодный ток и расстояние между анодом и катодом. При плотности катодного тока 0,2--0,8 мА/см2 и расстояния между анодом (подложкой) и катодом (пластина кремния) 2--5 см можно получить скорость осаждения нитрида кремния 0,01--0,05 мкм/мин.

Применение катода с поверхностью, большей или равной поверхности подложки, позволяет получать осажденные пленки нитряда кремния одинаковой толщины с разбросом, не превышающим 5%.

Реактивное ионно-плазменное осаждение пленок нитрида кремния является разновидностью катодного способа. Отличительной особенностью реактивного ионно-плазменного способа является то, что высокое отрицательное напряжение прикладывается не к катоду, а к дополнительному электроду, называемому мишенью. Отсюда следует, что и распыляемый материал (кремний) будет служить не катодом, а мишенью.

Второй отличительной особенностью является введение в рабочую камеру устройства для расположения подложек, на которые будет происходить осаждение нитрида кремния.

Третья особенность ионно-плазменного способа состоит в том, что в промежутке между подложкой и мишенью располагают анод и катод, между которыми создают несамостоятельный дуговой разряд. Для этого между анодом и катодом прикладывают напряжение порядка 100--300 В, а в рабочем объеме создают давление 0,13--0,013 Па. В этом случае катод эмитирует электроны, которые, взаимодействуя с рабочим газом, создают электронно-ионную плазму.

Положительные ионы плазмы бомбардируют кремниевую мишень и выбивают из нее атомы кремния. Выбитые из мишени, они реагируют с азотом, находящимся внутри рабочей камеры, и образуют нитрид кремния, который осаждается на подложке.

Таким образом, принципиальных различий между процессами катодного и ионно-плазменного осаждения нитрида кремния нет. Обычно различают лишь конструкции установок, которые характеризуют по числу рабочих электродов как двух- и трехэлектродные.

Начало и конец процесса осаждения пленок нитрида кремния определяются подачей и отключением высокого напряжения на мишени.

12. Контроль качества защитных диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния

При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 в процессах планарной технологии подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на границе раздела кремний -- защитная пленка.

Толщина защитной диэлектрической пленки является главным критерием, определяющим максимальную глубину проникновения легирующей примеси в полупроводниковые кристаллы при проведении процесса диффузии в планарной технологии.

Наличие сквозных отверстий (пор) в защитной пленке приводит к паразитному легированию исходной подложки и замыканию отдельных активных областей транзисторных структур интегральной микросхемы при проведении процессов локальной диффузии.

Количество дефектов на границе кремний -- защитная пленка связано с плотностью зарядов на этой границе. Увеличение плотности зарядов приводит к ухудшению электрических параметров готовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Таким образом, контроль рассмотренных характеристик защитных диэлектрических пленок позволяет оценить возможность их применения в последующих технологических процессах.

Контроль толщины защитных диэлектрических пленок. Толщина защитных диэлектрических пленок определяется с помощью следующих способов: микровзвешивания, интерферометрии и эллипсометрии.

Способ микровзвешивания основан на точном взвешивании подложки до и после осаждения пленки. Толщина пленки

где Pi -- масса подложки без пленки; P2-- масса подложки с пленкой; s -- площадь пленки; d -- плотность пленки.

Точность определения толщины пленки этим способом зависит в первую очередь от чувствительности весов и точности взвешивания, а также от точности определения площади пленки и ее плотности.

Цветовой метод определения толщины пленок

Наиболее простым из существующих интерференционных методов определения толщины пленок SiCb и S13N4 является цветовой. Он основан на гасящей интерференции белого света, падающего на поверхность подложки с защитной пленкой. Цвет поверхности пленки S1O2 или S13N4 создается равномерным белым светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции. Отсутствие некоторых компонентов спектра белого света в отраженной волне воспринимается глазом как определенный цвет защитной пленки. Падающая и отраженная волны являются дополнительными: вместе они дают белый свет.

При нормальном падении белого света на поверхность пластины с защитной пленкой условие гасящей интерференции имеет вид

где d -- толщина пленки S1O2 или S13N4; з -- коэффициент преломления пленки S1O2 или S13N4; k=l, 2, 3 -- порядок интерференции; л -- длина волны падающего света.

Таким образом, определенный цвет поверхности защитной пленки соответствует ее толщине, причем с увеличением толщины пленки один и тот же цвет повторяется с изменением порядка интерференции.

Следовательно, для определения действительной толщины необходимо не только зафиксировать цвет поверхности пленки, но и определить порядок интерференции.

Цвет поверхности пленки необходимо наблюдать и фиксировать при нормальном падении света, так как при косом падении света цвет пленки изменяется в зависимости от ее толщины и коэффициента преломления.

Порядок интерференции на практике определяют следующим образом. Пластину, например, с пленкой SiO2, одним концом опускают в плавиковую кислоту на 1--2 мин для получения слоя клиновидной формы. После этого наблюдают цвета как на однородной по толщине пленке S1O2, так и на клиновидном участке. На однородном участке пленки будет какой-либо один цвет, а на клиновидном имеет место чередование определенных цветов в зависимости от толщины пленки. По какому-либо одному повторяющемуся определенное число раз цвету полосы (например, красному или зеленому) судят о порядке интерференции.

Недостатком цветового метода является то, что определение цвета пленки зависит от индивидуальных возможностей и особенностей каждого человека.

Относительная ошибка цветового метода определения толщины пленки не превышает 10%.

Эллипсометрический метод измерения толщины пленок SiO4 и S13N4 основан на отражении линейно поляризованного луча от поверхности защитной пленки. При отражении учитывается тот факт, что компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить толщину пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации падающей волны. Обычно для оценки толщины пленки, т. е. для оценки отраженной волны в эллипсометрическом методе, используются соотношения между фазой и амплитудой падающей волны и фазой и амплитудой волны, отраженной от поверхности пленки. В качестве источника света могут быть использованы лазеры.

Эллипсометрический метод позволяет наиболее точно измерить толщину пленки. Этот метод обычно применяется для измерения пленок, толщина которых на порядок меньше, чем допускают другие методы.

Контроль пористости защитных диэлектрических пленок

Наличие сквозных отверстий (пор) в пленках SiCb и Si3N4 является наиболее распространенным видом дефекта, который приводит к значительному браку при последующих операциях в планарной технологии. Поэтому требуется тщательный контроль пластин после операции осаждения защитных диэлектрических пленок.

Для определения пористости пленок используют методы электролитического осаждения меди, диффузионного легирования и электрографический.

Метод электролитического осаждения меди состоит в следующем. Пластину кремния с нанесенной пленкой SiO2 помещают в электролит, содержащий ионы меди. На эту пластину подают отрицательный потенциал. Положительный потенциал подают на медную пластину, которая находится также в электролите и служит вторым электродом. В процессе электролиза ионы меди осаждаются на кремний в тех местах, где имеются сквозные отверстия (поры). По количеству осажденных островков меди судят о качестве пленки, Под микроскопом определяют количество пор и их геометрические размеры.

Метод диффузионного легирования заключается в проведении диффузионного процесса примеси, создающего в исходном полупроводниковом материале противоположный тип электропроводности. После проведения процесса диффузии в тех местах пленки, где имели место сквозные отверстия, образуются локальные р-«-переходы (участки с противоположным типом электропроводности). Далее защитную пленку удаляют с поверхности подложки и по количеству локальных р-я-переходов судят о количестве пор в пленке.

Рассмотренные методы имеют существенный недостаток -- они исключают возможность использования исследуемого образца в дальнейших технологических процессах.

Наиболее простым и достаточно эффективным неразрушающим методом контроля пористости, позволяющим точно и быстро определять местонахождение, геометрические размеры и плотность сквозных отверстий в пленках, является электрографический метод. Этот метод позволяет обнаружить сквозные отверстия диаметром до 0,1 мкм.

Методика проведения контроля пористости пленок состоит в наложении на поверхность пластины с пленкой фотобумаги, предварительно, смоченной в 3--4%-ном водном растворе гидрохинона. К пластине с фотобумагой прижимают два металлических диска-электрода, через которые пропускают электрический ток. Так как фотобумага, смоченная в растворе гидрохинона, является проводящей, то ток через нее будет проходить лишь в тех локальных местах, где имеются сквозные отверстия в пленке. Электрический ток, протекающий через поры в пленке, действует на эмульсию фотобумаги подобно световому потоку, образуя изображение в виде черных точек и островков.

Количество и размеры дефектов пленки определяют визуально под микроскопом.

Контроль качества дефектов на границе раздела кремний -- защитная пленка. Для осуществления этого вида контроля изготовляют так называемые МДП-структуры (металл -- диэлектрик--полупроводник). На поверхность защитной диэлектрической пленки осаждают слой металла.

На таких МДП-структурах измеряют вольтфарадные характеристики. По сдвигу между теоретической и экспериментальной вольтфарадной характеристиками можно непосредственно определить эффективную плотность поверхностных состояний, в которую входят плотность поверхностных состояний на границе полупроводник -- защитная пленка и заряд в пленке.

Страницы: 1, 2