Способ создания диэлектрического слоя

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве СБИС, полевых нанотранзисторов, а также устройств оптической волоконной связи. Сущность изобретения: способ создания диэлектрического слоя включает нанесение на подложку исходного образующего слоя и последующее окисление в кислородной плазме. В качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, нанесенный вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм. Окисление проводят в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин. В способе в качестве подложки используют пластину из полупроводника, например, 4 группы, кремния. Техническим результатом изобретения является снижение толщины получаемых диэлектрических слоев TiO₂, снижение дефектности, достижение высокой гладкости и сплошности, достижение совместимости со стандартной промышленной технологией СБИС. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве СБИС, при производстве полевых нанотранзисторов для средств сотовой телефонной связи, нанокомпьютеров, а также для устройств оптической волоконной связи.

Известен способ создания диэлектрического слоя (W.D. Brown, W.W. Grannemann, "C-V characteristics of metal-titanium dioxide-silicon capacitors". - Solid State Electronics, Vol.21, (1978) pp. 837-846), заключающийся в том, что на подложку наносят исходный образующий слой, после чего проводят отжиг, в качестве материала исходного образующего слоя используют диэлектрик - окисел титана, при этом нанесение исходного образующего слоя осуществляют электронным распылением диэлектрической мишени окисла титана, а последующий отжиг проводят в сухом кислороде при 1000°С в течение длительного времени, до тех пор пока стехиометрия пленки не будет соответствовать фазе рутила. В качестве материала подложки используют полупроводниковые материалы типа А₄, в частности кремний.

К недостаткам известного технического решения относится следующее.

Во-первых, толщина получаемых пленок с требуемым качеством (в отношении их дефектности) варьируется от 50 нм до 200 нм, что, по-видимому, связано с особенностями нанесения исходного образующего слоя методом электронного распыления диэлектрической мишени.

Во-вторых, получаемые диэлектрические слои отличаются высокой шероховатостью поверхности, обусловленной, по-видимому, особенностями процесса нанесения исходного образующего слоя, сопровождаемого по всей вероятности самоформированием нанокристаллов. В результате, данное обстоятельство не позволяет снизить толщину получаемых диэлектрических слоев до необходимых значений (менее 10-30 нм).

В-третьих, титан диффундирует в кремний в процессе доокисления пленок TiO₂, приводя к нежелательной диффузии примеси n-типа в кремниевую подложку и затрудняет использование данного способа в стандартной промышленной технологии СБИС.

Другим известным техническим решением является способ создания диэлектрического слоя (S.A. Campbell, D.C. Gilmer, X.-C. Wang, M.-T. Hsieh, H.-S. Kirn, W. L. Gladfelter, J. Yan, "MOSFET transistors fabricated with high permitivity TiO₂ dielectrics".- IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.44, No.1 (1997), pp. 104-109), заключающийся в том, что на подложку наносят исходный образующий слой, после чего проводят отжиг, в качестве материала исходного образующего слоя используют диэлектрик - окисел титана, при этом нанесение исходного образующего слоя осуществляют газотранспортной эпитаксией с использованием термического разложения соответствующего металлоорганического соединения, а последующий отжиг проводят в атмосфере сухого кислорода при температуре 750°С в течение получаса.

К недостаткам известного технического решения относится следующее.

Во-первых, в связи с особенностями данного способа, по-видимому, обусловленными с нанесением исходного образующего слоя газотранспортной эпитаксией с использованием термического разложения соответствующего металлоорганического соединения, толщина получаемых пленок с требуемым качеством (в отношении их дефектности) варьируется от 19 нм до 50 нм.

Во-вторых, получаемые диэлектрические слои отличаются высокой шероховатостью поверхности (3 нм), обусловленной, по-видимому, особенностями процесса нанесения исходного образующего слоя, сопровождаемого по всей вероятности самоформированием нанокристаллов. В результате, данное обстоятельство не позволяет снизить толщину получаемых диэлектрических слоев до необходимых значений (менее 10-30 нм).

В-третьих, проблематичность использования данного способа в стандартной промышленной технологии СБИС из-за низкой безопасности, низкого соответствия требованиям экологичности и санитарно-гигиеническим нормам. Поскольку в качестве основы для нанесения диэлектрической пленки используется технология и устройства для MOCVD - эпитаксии из токсичных металлоорганических соединений, что налагает дополнительные требования к оборудованию и процессу формирования диэлектрических слоев TiO₂ при массовом промышленном производстве микросхем.

Техническим результатом изобретения является:

- снижение толщины получаемых диэлектрических слоев TiO₂;

- снижение дефектности, достижение высокой гладкости и сплошности;

- достижение совместимости со стандартной промышленной технологией СБИС.

Технический результат достигается тем, что в способе создания диэлектрического слоя, заключающемся в том, что на подложку наносят исходный образующий слой, в качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, являющийся проводником, а после нанесения исходного образующего слоя на подложку его окисляют в кислородной плазме до образования сплошной гладкой пленки диэлектрика двуокиси титана до подложки, характеризующейся среднеквадратичным значением шероховатости поверхности, составляющим 0,1 нм.

В способе в качестве подложки используют пластину из полупроводника, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5÷10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8÷1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100÷400 Вт, в течение 2÷64 мин.

В способе в качестве подложки используют пластину из полупроводника 4 группы, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5÷10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8÷1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100÷400 Вт, в течение 2÷64 мин.

В способе в качестве подложки используют пластину из кремния, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5÷10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8÷1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100÷400 Вт, в течение 2÷64 мин.

В способе на пластине из полупроводника предварительно выращивают слой окисла, титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5÷10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8÷1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100÷400 Вт, в течение 2÷64 мин.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. Фиг.1 демонстрирует изображение пленки двуокиси титана на кремнии, полученное в атомно-силовом микроскопе: а - в амплитудном режиме, б - в фазовом режиме. Фиг.2 демонстрирует распределение неровности на поверхности пленки двуокиси титана на кремнии, по которому вычисляют среднестатистическую неровность поверхности (среднеквадратичное отклонение).

Для реализации предлагаемого способа создания диэлектрического слоя на подложку, представляющую собой кремниевую пластину, путем электронного распыления в вакууме напыляют слой титана нанометровой толщины (5÷10 нм), который затем окисляют в кислородной плазме до образования сплошной однородной гладкой пленки диэлектрика двуокиси титана до подложки. Применение для нанесения исходного образующего слоя вакуумного напыления в сочетании с использованием в качестве материала исходного образующего слоя титана дает возможность получать качественный исходный образующий слой, что является важной составляющей для достижения технического результата, поскольку в известных технических решениях исходный образующий слой сам по себе имеет низкое качество. С другой стороны, важным для достижения технического результата является решение технологической задачи проведения операции окисления исходного образующего слоя из титана. Проведение окисления обычным способом, путем отжига в атмосфере кислорода, как например в известных технических решениях, делает невозможным формирование диэлектрических слоев TiO₂, поскольку приводит к испарению исходного образующего слоя титана с подложки и осаждению титана на внутреннюю поверхность камеры печи. Для проведения данной операции экспериментальным путем было подобрано окисление в кислородной плазме с нижеизложенными соответствующими режимами.

Толщину наряду с оптической плотностью слоя диэлектрика контролируют методом эллипсометрических измерений. Гладкость и дефектность слоя диэлектрика контролируют с помощью атомно-силового микроскопа, позволяющего получать изображение поверхности созданного предлагаемым способом слоя диэлектрика и распределение неровностей, по которому вычисляют среднеквадратичное значение шероховатости поверхности двуокиси титана. В предлагаемом способе эта величина составила 0,1 нм.

Длительность плазмохимического окисления титана определяется толщиной исходного образующего слоя титана квадратичным законом вследствие диффузии ионов кислорода в слой титана. В предлагаемом способе этот параметр варьируют от 2 минут до 1 часа и чуть более при увеличении толщины слоя титана до 10 нм. Полноту прокисления исходного образующего слоя титана контролируют по эллипсометрическим измерениям показателя преломления с использованием подслоя двуокиси кремния с предварительно измеренными свойствами (толщина и показатель преломления).

В качестве примеров реализации предлагаемого способа приводим нижеследующие примеры.

Пример 1.

На подложку наносят исходный образующий слой. В качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, являющийся проводником. После нанесения исходного образующего слоя на подложку его окисляют в кислородной плазме до образования сплошной гладкой пленки до подложки, характеризующейся среднеквадратичным значением шероховатости поверхности, составляющим 0,1 нм.

В качестве подложки используют полупроводниковую пластину из полупроводника 4 группы - кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней длительным окислением в комнатной атмосфере при комнатной температуре естественным окислом кремния толщиной 2,1 нм. Титан наносят вакуумным напылением (электронно-лучевым распылением) в слой толщиной 5 нм. Для формирования диэлектрического слоя исходный образующий слой окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100 Вт, в течение 2 мин.

При этом получают слой диэлектрика оксида титана толщиной 8,1 нм с показателем преломления n=1,955. Создаваемые диэлектрические слои предлагаемым способом обладают повышенной гладкостью по сравнению с известными техническими решениями (см. Фиг.1), среднеквадратичное значение шероховатости поверхности двуокиси титана в предлагаемом способе (см. Фиг.2) составляет 0,1 нм.

Пример 2.

На подложку наносят исходный образующий слой. В качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, являющийся проводником. После нанесения исходного образующего слоя на подложку его окисляют в кислородной плазме до образования сплошной гладкой пленки до подложки, характеризующейся среднеквадратичным значением шероховатости поверхности, составляющим 0,1 нм.

В качестве подложки используют полупроводниковую пластину из полупроводника 4 группы - кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней длительным окислением в комнатной атмосфере при комнатной температуре естественным окислом кремния толщиной 2,1 нм. Титан наносят вакуумным напылением (электронно-лучевым распылением) в слой толщиной 10 нм. Для формирования диэлектрического слоя исходный образующий слой окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 200 Вт, в течение 64 мин.

При этом получают слой диэлектрика оксида титана толщиной 20,1 нм при показателе преломления n=2. Создаваемые диэлектрические слои предлагаемым способом обладают повышенной гладкостью по сравнению с известными техническими решениями (см. Фиг.1), среднеквадратичное значение шероховатости поверхности двуокиси титана в предлагаемом способе (см. Фиг.2) составляет 0,1 нм.

Пример 3.

На подложку наносят исходный образующий слой. В качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, являющийся проводником. После нанесения исходного образующего слоя на подложку его окисляют в кислородной плазме до образования сплошной гладкой пленки до подложки, характеризующейся среднеквадратичным значением шероховатости поверхности, составляющим 0,1 нм.

В качестве подложки используют полупроводниковую пластину из полупроводника 4 группы - кремния толщиной 350 мкм с выращенным на ней длительным окислением в кислородной атмосфере при температуре 900°С окислом кремния толщиной 100 нм. Титан наносят вакуумным напылением (электронно-лучевым распылением) в слой толщиной 7 нм. Для формирования диэлектрического слоя исходный образующий слой окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 200 Вт, в течение 20 мин.

При этом получают слой диэлектрика оксида титана толщиной 9,8 нм с показателем преломления n=2,6. Толщина переходного слоя (TiO₂-SiO₂) составляет не более 2 нм при показателе преломления n=2. Создаваемые диэлектрические слои предлагаемым способом обладают повышенной гладкостью по сравнению с известными техническими решениями (см. Фиг.1), среднеквадратичное значение шероховатости поверхности двуокиси титана в предлагаемом способе (см. Фиг.2) составляет 0,1 нм.

Таким образом, предлагаемый способ создания диэлектрических слоев TiO₂ позволяет улучшить их гладкость и сплошность, снизить толщину, в результате снижения дефектности, а также в отношении электрофизических свойств формируемые диэлектрические слои данным способом при использовании их в качестве подзатворного диэлектрика позволяют поднять значение величины напряжения пробоя до 30 В, снизить ток утечки, управлять большими плотностями поверхностного заряда в каналах полевых нанотранзисторов. Величина диэлектрической проницаемости слоев TiO₂, создаваемых предлагаемым способом, составляет 70÷100. Также формируемые данные слои TiO₂ обладают большей оптической плотностью по сравнению с известными техническими решениями, а величина емкости превосходит в два раза.

С другой стороны, положительный эффект данного изобретения заключается в микроминиатюризации полевых транзисторов на кремнии, что приводит к повышению их надежности, быстродействия, чувствительности и степени интеграции при снижении их себестоимости и улучшении экологичности производственного процесса, соответствия санитарно-гигиеническим нормам, а также достижении полной совместимости с промышленной кремниевой технологией СБИС.

1. Способ создания диэлектрического слоя, заключающийся в том, что на подложку наносят исходный образующий слой, отличающийся тем, что в качестве материала исходного образующего слоя используют металл титан, являющийся проводником, после нанесения исходного образующего слоя на подложку его окисляют в кислородной плазме до образования сплошной гладкой пленки диэлектрика двуокиси титана до подложки, характеризующейся среднеквадратичным значением шероховатости поверхности, составляющим 0,1 нм.

2. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют пластину из полупроводника, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

3. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют пластину из полупроводника 4 группы, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

4. Способ по п.2, в котором в качестве подложки используют пластину из полупроводника 4 группы, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

5. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют пластину из кремния, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

6. Способ по п.2, в котором в качестве подложки используют пластину из кремния, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

7. Способ по п.3, в котором в качестве подложки используют пластину из кремния, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

8. Способ по п.4, в котором в качестве подложки используют пластину из кремния, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.

9. Способ по любому из пп.2-8, в котором на пластине из полупроводника предварительно выращивают слой окисла, а титан наносят вакуумным напылением в слой толщиной 5-10 нм, который окисляют в кислородной плазме с давлением кислорода 0,8-1,0 Торр, мощностью ВЧ-разряда 100-400 Вт, в течение 2-64 мин.