Способ формирования слоев поликристаллического кремния

 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к технологии изготовления интегральных схем. Способ включает загрузку полупроводниковых пластин в реактор, подачу моносилана при температуре роста слоя аморфного кремния, осаждение слоя аморфного кремния, повышение температуры до температуры роста слоя поликристаллического кремния и осаждение его до заданной толщины, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления и выгрузку пластин. Осаждение слоя аморфного кремния осуществляют при 550^oС≤Т≤570^oС в течение 5-10 мин, а поликристаллического при 610^oС≤Т≤640^oС. Изобретение позволяет повысить однородность свойств слоев поликристаллического кремния. 2 з.п.ф-лы.

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно технология изготовления интегральных схем.

В настоящее время в производстве интегральных схем слои поликристаллического кремния формируются в прямоточных реакторах пониженного давления с горячей стенкой при Т= 600-650^oС и давлении Р=1-50Па пиролизом моносилана (Технология СБИС. Под ред. С.Зи. Книга 1, Москва "Мир", 1986, с.с. 127-139) [1].

Скорость осаждения слоев поликристаллического кремния находится в интервале 10-20 нм/мин.

Недостатком данного способа формирования слоев поликристаллического кремния (СПК) является отсутствие в прямоточных реакторах пониженного давления изобарических и изотермических условий осаждения, приводящих к неоднородности сопротивления СПК по зоне осаждения после его легирования, особенно малыми дозами (меньше 60 мкКул•см^-2). Неоднородность сопротивления СПК зависит от размера зерен, текстуры СПК и энергетического состояния поверхности пластин. Положительный градиент температуры по ходу моносилана, устанавливаемый для получения однородной толщины СПК по зоне осаждения, и отрицательный градиент давления по ходу моносилана из-за гидравлического сопротивления трубопроводов и диссипации энергии движущегося газа приводят к увеличению размера зерен от начала зоны осаждения к концу. Энергетическое состояние пластины влияет на размер зародышей зерен поликремния. Наличие на пластине потенциальных энергетических ям и температур осаждения больше 590^oС приводит к увеличению размера зерен поликремния и так называемых "выростов", приводящих к забракованию СПК.

Известны способы получения СПК модификацией (термическим отжигом) слоев аморфного кремния (Н.М. Манжа. Сопротивление слоев аморфного кремния, полученных при пониженном давлении. Сборник трудов под ред. члена-корреспондента РАН Красникова Г.Я. Москва (3еленоград) 2000, с.с. 250-256)[2]. Слои аморфного кремния получают пиролизом моносилана в реакторах пониженного давления с горячей стенкой при Т≤575^oС (L.P.Awakyants, L.L.Gerasimov, V.S.Gorelik, N. M. Manzha e.a. Y. Of Molekular Structure, 267, p.p. 177-184) [3]. Осаждение слоев аморфного кремния при пониженных температурах частично устраняет недостатки способов формирования слоев поликристаллического кремния по следующим причинам: - так как осаждается не поликристаллический слой, состоящий из множества мелких кристаллитов кремния, зарождающихся на поверхности пластины и существенно зависящих от энергетического состояния пластины на разных участках, а аморфный слой, свойства которого мало зависят от энергетического состояния поверхности пластин, тем самым исключается неоднородность структуры осаждаемых слоев; - снижение температуры осаждения до 570^oС исключает положительный градиент температуры вдоль реактора по ходу реагентов, что благоприятно отражается на однородности структуры поликремния; - при модификации слоев аморфного кремния (термическим отжигом) плотность центров кристаллизации снижается, а величины зерен по пластине имеют практически одинаковый размер, и шероховатость слоев находится на уровне шероховатости монокристаллического кремния (1-1,5)нм.

Недостатками способов [2, 3] получения слоев поликристаллического кремния модификацией аморфного кремния являются низкие скорости его осаждения (1,0-2,5) нм/мин.

- Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ получения слоев поликристаллического кремния (Pat. USA 3900597, С 23 С 11/00, 1975. System and process for deposition of polycrystalline silicon with silane in vacuum) [4], включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками перпендикулярно газовому потоку, откачку реактора до предельного вакуума, подачу моносилана, осаждение слоя поликристаллического кремния, прекращение подачи моносилана, откачку реактора до предельного вакуума, напуск в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин.

К недостаткам прототипа относятся: - повышенная шероховатость слоев поликристаллического кремния 5-20 нм, затрудняющая хемофотографию данных слоев; - наличие на пластине потенциальных энергетических ям приводит к появлению в слоях "выростов" размером по высоте до 300-800 нм, что делает слои непрозрачными, и невоспроизводимости их травления; - неоднородность сопротивления слоев поликристаллического кремния по зоне осаждения при последующем легировании, особенно малыми дозами.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, заключающегося в улучшении однородности свойств слоев поликристаллического кремния (СПК), в частности в уменьшении неоднородности сопротивления, в уменьшении шероховатости СПК и отсутствии "выростов".

Поставленная задача решается в способе формирования слоев поликристаллического кремния, включающем загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками перпендикулярно газовому потоку, откачку реактора до предельного вакуума, подачу моносилана, осаждение слоя поликристаллического кремния, прекращение подачи моносилана, откачку реактора до предельного вакуума, подачу в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора, отличающемся тем, что подачу моносилана в реактор осуществляют при температуре роста слоя аморфного кремния, осаждают слой аморфного кремния, а затем, не прекращая подачи моносилана, температуру повышают до температуры роста слоя поликристаллического кремния и осаждение последнего осуществляют до заданной толщины. При этом осаждение слоя аморфного кремния осуществляют при 550^oС≤Т≤570^oС, а осаждение слоя поликристаллического кремния осуществляют при 610^oС≤Т≤640^oС.

Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является комбинированный процесс формирования слоев поликристаллического кремния, заключающийся в формировании подслоя аморфного кремния, повышении температуры до температуры роста слоя поликристаллического кремния, не прекращая подачи моносилана в реактор, и рост слоя поликристаллического кремния до заданной толщины.

Осаждение подслоя аморфного кремния выравнивает энергетическое состояние поверхности пластин, уменьшает плотность центров кристаллизации для последующего роста слоев поликристаллического кремния, что способствует улучшению однородности структуры поликремния и уменьшению его шероховатости.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу.

Пример. На монокристаллических подложках, после химической обработки КАРО-ПАР-ГМО-ПАР, формировали диоксид кремния в трихлорэтилене и кислороде при Т= 900^oС толщиной 50 нм. Окисленные пластины помещали в лодочки с шагом 2,38 мм, лодочки с пластинами загружали в реактор при Т=565^oС. Откачивали реактор до давления 0,3 Па, далее при расходе Ar=60 л/ч откачивали реактор в течение 25 мин (стабилизация температуры). Производили откачку без подачи аргона до вакуума 0,3 Па, после чего в реактор подавали 100% моносилан с расходом 12 л/ч в течение 10 мин при Р=20 Па. При этом толщина слоя аморфного кремния составляла 15 нм. Не прекращая подачи моносилана, программировали поднятие температуры до 622^oС (центр зоны осаждения). Скорость поднятия температуры составляла 10^oС/мин. Производили осаждение слоя поликристаллического кремния в течение 45 мин. Далее прекращали подачу моносилана, откачивали реактор до 0,3 Па в течение 5 мин, потом производили откачку с Ar Q=60 л/ч в течение 10 мин, прекращали подачу аргона, откачивали реактор до 0,3 Па и после производили разгерметизацию реактора: - подавали Ar с Q=60 л/ч; - закрывали затвор откачной системы; - в течение 5 мин подавали Ar в реактор;
- в течение 10 мин подавали N₂ Q=300 л/ч;
- выравнивали давление в реакторе с атмосферным.

После этого выгружали пластины из реактора.

При этом толщина слоя поликристаллического кремния составляла 500 нм. Слои поликристаллического кремния получаются гладкими (flat-polycrystalline) с шероховатостью 1-1,5 нм, что на порядок меньше, чем у слоев поликремния, полученных стандартным методом, а воспроизводимость сопротивления легированных слоев поликристаллического кремния по зоне осаждения составляет ±5%, в то время как воспроизводимость сопротивления слоев поликремния по зоне осаждения, полученных стандартным способом, составляет ±15%.

Формула изобретения

Способ формирования слоев поликристаллического кремния (СПК), включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора до предельного вакуума, напуск моносилана, прекращение подачи последнего, откачку реактора до предельного вакуума, напуск в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин из реактора, отличающийся тем, что напуск моносилана в реактор осуществляют при температуре роста слоя аморфного кремния, осаждают слой аморфного кремния, а затем, не прекращая подачи моносилана, температуру повышают до температуры роста слоя поликристаллического кремния, осуществляют осаждение поликристаллического кремния до заданной толщины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение слоя аморфного кремния осуществляется при 550^oС≤Т≤570^oС в течение 5-10 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение слоя поликристаллического кремния осуществляется при 610^oС≤Т≤640^oС.