Способ формирования структуры полупроводник - диэлектрик

 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Способ включает нанесение диэлектрической пленки на химически обработанную кремниевую подложку n- или p-типа проводимости, при этом до и после нанесения диэлектрической пленки подложку подвергают воздействию изгибных колебаний частотой 0,6 - 1,6 кГц при акустическом давлении 0,1 - 0,2 Па в течение 5 - 7 с. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых (п/п) приборов и ИМС и может быть использовано на этапе формирования структуры п/п диэлектрик. Цель изобретения повышение качества структуры путем уменьшения величины отрицательного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик. Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования структуры п/п-ди-электрик до и после нанесения диэлектрической пленки подложку подвергают воздей- ствию ультразвука частотой 0,6-1,6 кГц при акустическом давлении 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с. В предлагаемом техническом решении повышение качества структуры п/п-диэлектрик обусловлено следующим. В планарной технологии диэлектрические слои имеют исключительно важное значение. Они применяются для разделения отдельных структур друг от друга в интегральных микросхемах, для изоляции проводящих слоев от кремниевой подложки, для создания многоуровневой разводки, как маскирующие покрытия при проведении процессов фотолитографии и диффузии. Поэтому очевидно, что качество диэлектрических пленок во многом определяет совершенство и надежностные характеристики п/п приборов и ИМС, изготавливаемых по планарной технологии. В процессе формирования в диэлектрической пленке возникают различного рода дефекты атомного размера, такие как недостаток или избыток ионов кислорода в составе тетраэдров аморфной структуры двуокиси ионов кремния, посторонние примеси, насыщенные связи на границе раздела SI SiO₂ и т.д. На поверхности кремниевой пластины после ее подготовки к окислению остается 2-3 монослоя различных газов (Н₂, N₂, СО₂ и т.д.), при высокотемпературном осаждении пленки концентрация газов может стать достаточной для образования сквозных пор из-за диффузии отдельных пузырьков газа к поверхности растущей пленки. Структурные несовершенства поверхности кремниевой подложки после механической обработки и адсорбция ионов щелочных металлов и других загрязнений в результате химической обработки подложки являются источниками крупных дефектов в слое окисла. В частности, линейные дислокации служат стоками атомов неконтролируемых примесей, в первую очередь натрия, калия, меди. Вследствие того, что скорость диффузии в ненарушенном слое кристалла значительна, концентрация атомов примеси будет достаточной для прорыва диэлектрической пленки, и через образовавшуюся пору происходит испарение примесных атомов. Дислокация может переместиться в другое место, что приводит к образованию еще одной поры. Таким образом, чем выше концентрация неконтролируемой примеси, тем выше плотность пор. Оставшиеся после очистки Si подложек загрязнения препятствуют росту однородной по толщине пленки SiO₂ вследствие образования ловушек и точечных проколов и могут стать центрами кристаллизации. Это вызывает отклонение от стехиометрического состава диэлектрической пленки, ухудшается адгезия к кремнию, изменяется коэффициент термического расширения пленки, объемное и поверхностное сопротивление, т.е. происходит растрескивание, нарушается стабильность электрофизических характеристик приборов с окисной изоляцией. В результате формирования структуры п/п-диэлектрик в слое окисла образуется положительный заряд, и электроны в Si подложке концентрируются у поверхности п/п. Положительный заряд в окисле обусловлен щелочными ионами, вакансиями кислорода, избыточными ионами кремния, положительным зарядом, вызываемым реакциями на границе раздела п/п-диэлектрик, зарядом, захваченным поверхностными ловушками в окисле. Донорные примеси в кремнии при высокотемпературном окислении выталкиваются из окисла и концентрируются у поверхности кремния, а акцепторная примесь адсорбируется в окисле. Таким образом, на границе раздела п/п-диэлектрик индуцируется отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд, например, в п/п n-типа проводимости, а в п/п р-типа образуется слой с инверсной проводимостью. Для п/п прибора, такого, как МОП-транзистор, поверхностная область или канал с высокой плотностью индуцированных отрицательных зарядов, так образованных, оказывает отрицательное влияние на электрические характеристики р-n-перехода диода, транзистор или ИМС, образованных в п/п подложке. Растут точки утечки р-n-перехода, и уменьшается пороговое напряжение. Таким образом, следует, что необходимо научиться управлять зарядом на границе раздела п/п-диэлектрик, который является следствием термодинамически неравновесного состояния рассматриваемой системы. Предлагаемый способ формирования структуры п/п-диэлектрик дает возможность достаточно полно решить поставленную задачу. Сущностью изобретения является ввод изгибных колебаний частотой 0,6-1,6 кГц при акустическом давлении 0,1-0,2 Па в течение времени 5-7 с сразу после химической обработки п/п подложки и после технологической операции осаждения диэлектрической пленки. Выбор данного режима ввода изгибных колебаний сделан на основании экспериментальных результатов и объясняется следующим. В кристаллической решетке кремния атомы кремния расположены регулярно. В результате подготовки подложки к проведению технологической операции осаждения диэлектрической пленки в подложке, как было рассмотрено выше, образуется ряд микротрещин и дефектов. При окислении граница раздела Si-SiO₂, Si-Si₃N₄ продвигается в кремний, т.е. Si прокисляется, периодичность кристаллической решетки нарушается, система входит в термодинамически неравновесное состояние. Использование изгибных колебаний частотой больше 1,6 кГц может вызвать процессы, связанные с образованием и развитием микротрещин. Высвобождаемая в результате роста трещины упругая энергия становится больше энергии, расходуемой на разрыв межатомных связей (поверхностной энергии), и микротрещина начинает стремительно расти, а упругая энергия "стекает" к границам трещины, где возбуждает поверхностные волны. При этом скорость роста трещины может быть сравнима со скоростью рэлеевской волны (3 км/с), это приводит к образованию сквозных микротрещин и выколов в кремнии. При использовании изгибных колебаний частотой ниже 0,6 кГц в исследуемой структуре п/п-диэлектрик возникает дополнительный механизм диссипации и вязкость ее возрастает, поскольку большая часть переносимой волной энергии превращается в тепловую энергию. Таким образом, к механизмам увеличения теплоемкости структуры Si-SiO₂, Si-Si₃N₄ (шероховатость поверхности, влияние кристаллической анизотропии и т.п.) прибавляется еще механизм, связанный с использованием колебаний низкой (ниже 0,6 кГц) частоты. В результате происходит уменьшение модуля упругости структуры и дисперсия скорости распространения акустических колебаний, связанная с большим коэффициентом затухания ультразвука. Выбор давления в диапазоне 0,1-0,2 Па обусловлен следующим. Использование давления ниже 0,1 Па является недостаточным для перехода системы дефектов в равновесное состояние и изменения плотности поверхности заряда на границе п/п-диэлектрик. Для решения поставленной задачи в этом случае требуется большая затрата времени и применение частоты изгибных колебаний более 1,6 кГц, что нежелательно по причинам, рассмотренным выше. Применение давления больше 0,2 Па при данном частотном диапазоне может вызвать сильный волновой удар по структуре и каждому материалу в частности, что, в свою очередь, будет способствовать дополнительному образованию дефектов и локальных полей упругих напряжений в материалах полупроводника и диэлектрика. Акустическое воздействие заданной частотой и давлением в течение времени меньше 5 с является малоэффективным для перехода системы дефектов в равновесное состояние и снижения величины отрицательного заряда на границе п/п-электрик. Воздействие частотой и давлением заданного диапазона в течение времени больше 7 с может привести к значительному повышению температуры рассматриваемой структуры и вызвать тем самым увеличение вязкости материалов и, таким образом, снижение модуля упругости. Адсорбированные на поверхности кремниевой подложки и сформированной на ней диэлектрической пленке ионов щелочных металлов и газов приводит к образованию отрицательного заряда на границе п/п-диэлектрик. Ввод изгибных колебаний в подложку кремния, а затем и в систему Si-SiO₂ и Si-Si₃N₄ частотой диапазона 0,6-1,6 кГц влияет на поведение атомов, адсорбированных на поверхности кристалла, и дает возможность системе прийти в равновесное состояние. Связь между такими ионами осуществляется за счет обмена энергиями, приобретаемыми дефектами в результате прохождения через структуру акустической волны, хотя взаимодействие между ними мало и носит характер притяжения. Таким образом, ввод в структуру изгибных акустических колебаний заданного диапазона частот вызывает десорбцию загрязняющих ионов с поверхности, что сопровождается уменьшением величины отрицательного заряда на границе раздела кремний-двуокись кремния или изменением знака заряда. В технологии формирования структур п/п-диэлектрик традиционные методы десорбции загрязняющих примесей малоэффективны. Способ поясняется графиками на фиг.1, 2 (кривые 1-12) для диэлектрических пленок SiO₂ и Si₃N₄, сформированных на Si подложках n- и р-типа проводимости, где приведена зависимость плотности поверхностного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик от частоты вводимых изгибных колебаний. На фиг.1 кривые 1-3 отражают зависимость для структуры р-типа Si-SiО₂ при воздействии акустическим давлением Р₁ 0,1 Па; Р₂ 0,15 Па и Р₃ 0,2 Па соответственно, кривые 4-6 зависимость плотности поверхностного заряда от частоты изгибных колебаний при акустическом давлении Р₁ 0,1 Па, Р₂ 0,15 Па, Р₃ 0,2 Па для структуры n-типа кремний SiO₂. На фиг.2 кривые 7-9 показывают зависимость плотности поверхностного заряда на границе р-типа кремний Si₃N₄ при акустическом давлении Р₁ 0,1 Па, Р₂ 0,15 Па, Р₃ 0,2 Па соответственно, кривые 10-12 зависимость плотности поверхностного заряда на границе n-типа кремний Si₃N₄ при акустическом давлении Р₁ 0,1 Па, Р₂ 0,15 Па, Р₃= 0,2 Па соответственно. Перечисленные существенные отличия приводят к переходу системы дефектов в равновесное состояние, вызывает десорбцию загрязняющих ионов с поверхности, что сопровождается уменьшением величины отрицательного заряда на границе раздела кремний диэлектрик или изменением знака заряда и соответственно приводят к повышению качества структуры п/п-диэлектрик. Это создает возможность широкого применения данного способа на этапе формирования структуры п/п-диэлектрик. В качестве подложек использовались пластины кремния КДБ-12 ориентации (100) и КЭФ-4,5 ориентации (100) диаметром 100 мм. Перед формированием диэлектрической пленки SiO₂ и Si₃N₄ проводили химическую обработку поверхности подложки по маршруту функционирования микросхем К565 РУ5. Химическая очистка поверхности включала: 1. Гидромеханическую отмывку. Проводилась обработка подложек в смеси КАРО (1,5 л Н₂О₂ и 3,5 л Н₂SO₄) в течение 3-5 мин при температуре смеси Т 120-170^оС. Температура воды для отмывки Т 65±5^оС. Отмывка осуществлялась в течение 2 мин в горячей воде и 6 мин в каскадах холодной воды. 2. Обработку в ПАР N 4 (вода деионизованная 27 л, аммиак водный 9 л, перекись водорода 9 л, 1 ч, оксиэтилидендифосфоновая кислота, 1 ч, этилендиаминтетрауксусная кислота). Температура раствора Т 65 ± 5^оС, время обработки 10 мин. Температура воды для промывки Т 65±5^оС, 2-3 окунания в течение 2 мин. 3. Отмывку и сушку на центрифуге: отмывка при скорости вращения центрифуги 500-700 об/мин в течение 120-140 с, сушка при скорости центрифуги 1200-1400 об/мин в течение 220-240 с. После химической обработки подложек проводили проверку чистоты поверхности. Далее подложки n- и р-типа проводимости подвергались воздействию акустических колебаний частотой 0,6-1,6 кГц при давлении 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с. Конкретная реализация ввода в полупроводник изгибных колебаний осуществлялась на установке ввода колебаний (Электронная техника, сер.3, микроэлектроника, вып. 1, 1989), состоящей из блока закрепления пластины, генераторов Г3-47 и ГЗ-117, осциллографа С1-68, частотомера электронно-счетного ЧЗ-34А и цифропечатающего устройства Ф5033К. После ввода изгибных колебаний заданного режима на подложках формировали диэлектрические пленки SiO₂ и Si₃N₄. Осаждение диэлектрической пленки SiO₂ осуществлялось на установке "Оксид М" сухим окислением при температуре Т 850 ± 5^оС и суммарном давлении Р 50 ± 3 Па. Использовался пар 5 раствора НСI и пар О₂ (160 л/ч). Толщина пленки SiO₂ составляла ≈0,8 мкм и определялась на толщинометре MPV-SP фирмы LEITZ неразрушающим способом. Осаждение диэлектрической пленки Si₃N₄ осуществлялось на установке "Лада-34" с горизонтальным трубчатым реактором и горячими стенками. Использовался вакуумный агрегат RSV-500 фирмы ALCATEE. Величина давления в реакторе поддерживалась путем подачи регулярного потока азота на вход насоса. Загрузка-выгрузка бесконтактная консольного типа. Использовался дихлорсилан (SiH₂Cl) и аммиак электронного класса чистыми ТУ-113-17-27-515-89. Величина суммарного давления при осаждении Si₃N₄составляла Р 50±3 Па. Температура осаждения Т 815±5^оС. Толщина осаждаемой пленки составляла ≈ 0,8 мкм и определялась на толщинометре МРV-SP фирмы LEITZ неразрушающим способом. После формирования диэлектрической пленки SiO₂ и Si₃N₄ в структуру п/п-диэлектрик вводили акустические колебания частотой 0,6-1,6 кГц при акустическом давлении 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с. Величина поверхностного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик определялась путем измерения С-V-характеристик на измерителе емкости 4061 А. Примеры конкретной реализации способа формирования структуры п/п-диэлектрик приведены в таблице. Приведенные примеры иллюстрируют предлагаемый способ формирования структуры п/п-диэлектрик (Si-SiO₂ и Si-SiN₄). В таблице примеры 1-5 показывают изменение плотности поверхностного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик, где в качестве п/п использована кремниевая подложка р-типа проводимости, а диэлектрика пленка SIO₂. Ввод в структуру изгибных колебаний проводили частотой 0,6-1,6 кГц при давлении Р₁ 0,1 Па, Р₂ 0,15 Па, Р₃0,2 Па в течение 5-7 с. Прототип приведен в примере 6. Время воздействия акустических колебаний практически определяется применяемой частотой изгибных колебаний: большей частоте требуется меньшее время воздействия. Из примеров 1-5 и кривых 1-3 видно, что для подложки кремния р-типа проводимости на которой сформирована диэлектрическая пленка SiO₂, величина отрицательного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик значительно уменьшается при воздействии акустических колебаний на подложку и на структуру в целом по сравнению с прототипом. При конкретном режиме ввода изгибных колебаний частотой f= 0,98 кГц при давлении Р=0,2 Па в течение 6 с заряд переходит через ноль и изменяет свой знак, т.е. становится положительным и равным 1,5 х 10¹¹ см^-2 при f 1,6 кГц, Р 0,2 Па, t5 с. Примеры 7-11 в таблице и кривые 4-6 показывают изменение величины отрицательного заряда на границе раздела п/п-диэлектрик, где в качестве п/п использован кремний n-типа проводимости, на котором формировали пленку SiO₂, в зависимости от режимов воздействия акустическими колебаниями по сравнению с прототипом (пример 12). Для данной структуры приповерхностная область п/п характеризуется большей величиной отрицательного заряда ввиду n-типа проводимости. Поэтому на границе раздела Si-SiО₂ после ввода изгибных колебаний величина отрицательного заряда изменится в меньшей степени (до -1,0 х 10³ см^-2) по сравнению с результатами, полученными по структуре Si р-типа проводимости SiO₂. Плотность поверхностного заряда на границе Si-SiO₂ для n-типа кремния будет равна нулю при акустическом воздействии частотой f 1,1 кГц при давлении Р 0,2 Па в течение 6 с. Примеры 13-17 в таблице и кривые 7-9 характеризуют плотность поверхностного заряда на границе раздела Р-типа кремний-пленка Si₃N₄ в результате акустического воздействия в сравнении с прототипом (пример 18). В данной системе воздействие изгибными колебаниями не приводит к изменению знака поверхностного заряда на границе раздела, однако наблюдается значительное снижение его величины. Оптимальными режимами акустического воздействия являются: f 0,98 кГц при акустическом давлении Р 0,2 Па в течение t 6 c, что дает плотность поверхностного отрицательного заряда 6,5 х 10⁵ см^-2 (знак "плюс" означает, что заряд отрицательный). Для рассматриваемой структуры р-Si-Si₃N₄ в прототипе величина поверхностного заряда составляет 1,2 х 10¹⁰ см^-2, что значительно хуже. Примеры 19-23 в таблице и кривые 10-12 иллюстрируют результат акустического воздействия на структуру n-Si-Si₃N₄. Данная структура характеризуется большой степенью отрицательности заряда на границе раздела, поэтому, как видно из примеров, ввод изгибных колебаний не приводит к изменению знака заряда на границе, а способствует лишь незначительному уменьшению его величины. Однако полученный результат при оптимальном режиме f0,98 кГц, Р 0,2; t 6 c, равный 1,0 х 10⁹см^-2, по сравнению с прототипом (4,0 х 10¹¹ см^-2) значительно лучше. Из таблицы видно, что при выборе режима ввода изгибных колебаний за пределами указанного диапазона практически не наблюдается уменьшения величины отрицательного поверхностного заряда на границе п/п-диэлектрик. Таким образом, приведенные в таблице и отображенные кривыми 1-12 результаты показывают, что предлагаемый способ формирования структуры п/п-диэлектрик позволяет значительно уменьшить плотность поверхностного отрицательного заряда на границе раздела и определяет оптимальные режимы обработки п/п подложки и структуры п/п-диэлектрик изгибными колебаниями для каждого конкретного типа полупроводника и диэлектрической пленки. Экспериментально полученные результаты представлены в сравнении с прототипом. Сравнительный анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что ввод изгибных колебаний в п/п подложку, а затем и в сформированную структуру значительно уменьшает величину поверхностного отрицательного заряда в сравнении со щелочной обработкой подложки в прототипе и при конкретных режимах акустического воздействия изменяет знак заряда (заряд становится положительным), что, в свою очередь повышает качество структуры.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИК ДИЭЛЕКТРИК, включающий нанесение диэлектрической пленки на химически обработанную кремниевую подложку n- или p-типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью повышения качества структуры путем уменьшения величины отрицательного заряда на границе раздела полупроводник-диэлектрик, до и после нанесения диэлектрической пленки подложку подвергают воздействию изгибных колебаний частотой 0,6 1,6 кГц при акустическом давлении 0,1 0,2 Па в течение 5 7 с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---