Способ осаждения неорганического материала из реакционного раствора и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии осаждения диоксида кремния на подложке из раствора при низких температурах таким образом, чтобы получить гомогенный рост диоксида кремния. Сущность изобретения: в способе осаждения неорганического материала из реакционного раствора на подложку посредством химической обработки активируют указанную подложку для роста указанного неорганического материала, погружают указанную подложку в реакционный раствор для осаждения указанного неорганического материала на указанную подложку и осуществляют регенерацию указанного реакционного раствора при погруженном состоянии указанной подложки в указанном реакционном растворе посредством добавления того же самого неорганического материала к указанному реакционному раствору для обеспечения непрерывного роста указанного неорганического материала на подложке. Устройство для осаждения неорганического материала на подложку содержит первый контейнер, содержащий реакционный раствор, подложку, второй контейнер, в котором размещена доза кремнезема и средства для введения части указанной дозы в указанный раствор. Техническим результатом изобретения является обеспечение непрерывности процесса осаждения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области производства полупроводниковых материалов и представляет собой способ и устройство для осаждения диоксида кремния на подложку. Более точно, настоящее изобретение включает способ и устройство для осаждения диоксида кремния на подложку из раствора при низких температурах таким образом, чтобы обеспечить гомогенный (однородный) рост диоксида кремния.

Уровень техники

Существует множество способов, используемых для роста неорганических материалов на подложке, которые хорошо известны в промышленности. Однако эти известные способы имеют существенные недостатки, которые увеличивают издержки и сложность процесса. Например, рост пленок из неорганического материала в электронной промышленности часто осуществляется с использованием химического осаждения из газовой фазы (CVD - chemical vapor deposition). CVD требует пиролиза или фотолиза летучих компонентов для создания химических фрагментов, которые осаждаются на поверхности подложки. Температура подложки должна быть достаточно высокой для обеспечения мобильности (подвижности) фрагментов на растущей поверхности. Эти фрагменты двигаются по поверхности, пока они не займут термодинамически стабильные участки (сайты), к которым они прикрепляются. CVD поэтому требует использования высоких температур, летучих компонентов или низких давлений, что усложняет процесс.

Другим методом, используемым для наращивания неорганических материалов, является метод золь-гель. Хотя метод золь-гель является низкотемпературным, он содержит множество стадий для образования чистого неорганического материала. В золь-гель методе предшественники соединений растворены в растворе и реагируют с добавляемыми реагентами (обычно водой или кислотой), образуя гель. Если требуется пленка или покрытие, то они могут быть получены из геля методом центрифугирования на подложку. Так как большинство золь-гелей содержат наночастицы или кластеры со значительным органическим содержимым, требуется дополнительная термическая или химическая обработка для получения действительно чистого неорганического материала.

Предшествующие исследования (патенты США 2505629; 5073408, 5,132,140) описывают процессы осаждения слоев диоксида кремния на кремневых поверхностях с использованием роста из раствора при комнатной температуре (30-50°С). Рост SiO2 из осаждаемой жидкой фазы (LPD - liquid-phase deposited) для осаждения SiO2 на поверхности силикатного стекла, содержащего натриевую известь, основывается на химической реакции H2SiF6 с водой с образованием фтористоводородной (плавиковой) кислоты и твердого SiO2. Однако одним из главных недостатков известных LPD-способов является очень низкая скорость осаждения SiO2, которая составляет приблизительно 8 нм/час. Эта низкая скорость осаждения приводит к непрактичности роста диэлектрических слоев для большинства применений. Вследствие чего существует потребность в способе постоянного равномерного роста неорганических материалов в низкотемпературных процессах с высокой скоростью осаждения.

Для того чтобы увеличить скорость образования пленки используются некоторые добавки. Первоначально большинство исследователей предлагали использовать борную кислоту (патент США 4468420, Nagayama и др., 1988, Homma и др., 1993, Chou и Lee, 1994, Huang и др., 1998). Как альтернатива предлагались различные соединения металлов (патент США 4431683, патент США 4693916) или комбинация органических добавок (патент США 6080683). Однако хотя эти подходы привели к более быстрому росту пленки, добавки включаются в пленки и в некоторых случаях качество пленки ухудшается от присутствия примесей. Другие подходы включают в себя использование фотолиза для усиления роста пленки (Huang и др., 1996) или электролитических реакций (патент США 5616233).

Раскрытие изобретения

В последующем изложении настоящего изобретения кремнезем или диоксид кремния понимаются как материалы, содержащие кремний, кислород и возможно другие элементы, включая без ограничения фтор и водород.

Настоящее изобретение представляет собой способ и устройство для осаждения диоксида кремния на подложку из раствора при низкой температуре таким образом, чтобы получить гомогенный рост диоксида кремния.

Способ в целом содержит следующие стадии: 1) химическую обработку подложки для ее активации для роста диоксида кремния; 2) погружение обработанной подложки в ванну с реакционным раствором; 3) регенерацию реакционного раствора для обеспечения непрерывного роста диоксида кремния.

В другом воплощении настоящего изобретения устройство включает первый контейнер, содержащий реактивный раствор, подложку, на которую осаждается диоксид кремния, второй контейнер, содержащий кремнезем, и средства для его добавления к реакционному раствору.

В другом воплощении настоящего изобретения устройство включает дополнительный контейнер, содержащий кремнезем для обеспечения переключения контейнеров при истощении (уменьшении) дозы используемого в текущий момент времени кремнезема.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания выполнения изобретения делаются ссылки на сопровождающие чертежи.

Фиг.1 представляет собой схематичный чертеж устройства, выполненного в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения с использованием единичной дозы кремнезема.

Фиг.2 представляет собой схематичный чертеж устройства, выполненного в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения с использованием двух доз кремнезема.

Осуществление изобретения

На фиг.1 подложка 10 опущена в реакционный раствор 20, находящийся в первом контейнере 30. Трубопровод 40 обеспечивает сообщение между первым контейнером 30 и насосом 50, так что реакционный раствор 20 проникает в насос 50. Насос 50 затем передает реакционный раствор 20 во второй контейнер 70 через трубопровод 60. Внутри второго контейнера 70 находится доза кремнезема (диоксида кремния) 75. Трубопровод 80 обеспечивает сообщение между вторым контейнером 70 и первым контейнером 30, так что реакционный раствор 20 выходит из второго контейнера 70 и вновь попадает в первый контейнер 30.

В этом варианте выполнения изобретения подложка 10 химически обработана для ее активации для роста пленки из диоксида кремния 15. Способы, используемые для активации подложки для роста диоксида кремния, хорошо известны в промышленности и включают те, которые описаны в публикации "Характеристика кремнезема в процессе поверхностной обработки для улучшенных литниковых диэлектриков", Okorn-Schmidt, H.F., IBM J. Res. Develop., vol.43, N3, May 1999, p.p.351-365. Подложка 10 должна быть обработана так, чтобы она была самым реакционно-способным компонентом в устройстве (то есть константа роста диоксида кремния на подложке 10 должна быть больше, чем константа роста в первом контейнере 30 или в реакционном растворе 20). После химической обработки подложки 10 она опускается в реакционный раствор 20, находящийся в первом контейнере 30. В одном варианте выполнения реакционный раствор 20 представляет собой смесь H2SiF6 с водой. Реакционный раствор 20, содержащий H2SiF6 с водой, непрерывно образует фтористоводородную (плавиковую) кислоту HF и диоксид кремния SiO2. Подложку 10 сначала химически обрабатывают при погружении в раствор гидроксида аммония (NH4OH), перекиси водорода (H2O2) и воды в соотношении 1:1:6 при 60-80°С в течение 5 минут, затем отмывают водой и высушивают. Далее осуществляют обработку в течение 5 минут хлористоводородной кислотой (HCl), H2O2 и водой в соотношении 1:1:5 при 60-80°С в ванне. Подложка затем отмывается водой и опять высушивается перед введением в ростовый раствор. В результате такой обработки диоксид кремния SiO2 растет на подложке 10 как пленка диоксида кремния 15. Без внешнего воздействия рост пленки диоксида кремния SiO2 на подложке 10 будет происходить до тех пор, пока HF, образуемая в результате реакции, будет травить пленку 15 диоксида кремния с той же скоростью, что и скорость роста этой пленки. С этого момента достигается равновесие и реакционный раствор 20 не будет более продуцировать рост пленки диоксида кремния SiO2 15 на подложке 10.

Эта проблема преодолевается по настоящему изобретению по фиг.1 при добавлении второго контейнера 70, который содержит дозу кремнезема 75. Добавление кремнезема 75 к реакционному раствору 20 уменьшает травление пленки 15 диоксида кремния на подложке 10 и позволяет продолжить рост пленки 15. Это происходит благодаря тому, что добавленный кремнезем 75 реагирует с HF, образуя H2SiF6 и регенерируя реакционный раствор 20 так, что рост пленки диоксида кремния 15 продолжается. Добавка кремнезема 75 осуществляется при осуществлении изобретения по фиг.1 насосом 50 в первый контейнер 30 через трубопровод 40. Это выполнение позволяет реакционному раствору 20 проникать через насос 50. Насос 50 затем передает реакционный раствор 20 ко второму контейнеру 70 через трубопровод 60. Когда реакционный раствор 20 проходит во второй контейнер 70, он контактирует с кремнеземом 75. Кремнезем 75 и HF (находящаяся в реакционном растворе 20) реагируют с образованием H2SiF6, и таким образом происходит регенерация реакционного раствора 20. Трубопровод 80 обеспечивает сообщение между вторым контейнером 70 и первым контейнером 30 таким образом, что регенерированный реакционный раствор 20 покидает второй контейнер 70 и вновь попадает в первый контейнер 30. Это позволяет реакционному раствору 20 поддерживать непрерывный рост пленки диоксида кремния 15 на подложке 10, пока не будет достигнута требуемая толщина. Компоненты устройства, насос 50, второй контейнер 70, трубопроводы 40, 60 и 80, которые контактируют с реакционным раствором 20, должны быть выполнены из инертного материала, такого как Тефлон, для предотвращения любой реакции или загрязнения реакционного раствора 20.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что использование насоса 50 по фиг.1 является только одним методом введения кремнезема 75 в реакционный раствор 20. Могут быть использованы и другие методы введения кремнезема 75 в реакционный раствор 20, такие как гравитационная подача твердого вещества или раствора, Архимедов винт, сифон, а также другие методы, известные в технике.

Выполнение изобретения по фиг.1 демонстрирует множество преимуществ перед более ранними известными способами роста пленки из неорганического материала. Например, осуществление изобретения по фиг.1 не требует повышенных температур, летучих соединений или низких давлений CVD технологии. Кроме того, так же как и в случае золь-геля, никаких добавочных термических или химических обработок не требуется для образования чистого неорганического материала. Выполнение изобретения по фиг.1 также способствует однородности роста пленки диоксида кремния 15 на подложке 10. Предыдущие попытки поддерживания роста пленки диоксида кремния в растворе использовали катализаторы, которые вызывали осаждение в реакционном растворе, а также неоднородный рост пленки, как и ее загрязнение.

Другие практические преимущества также могут быть реализованы при осуществлении изобретения по фиг.1. Например, если изобретение по фиг.1 используется в промышленности, такой как производство полупроводников, практически используемое устройство может быть аналогично тем, которые уже используются для других производственных процессов. Эта близость в оборудовании позволит персоналу, уже вовлеченному в производство полупроводников, работать на оборудовании по фиг.1 с минимальным, если потребуется, переобучением.

Второй вариант выполнения настоящего изобретения схематически показан на фиг.2. В этом случае, так же как и на фиг.1, подложка 10 опущена в реакционный раствор 20, находящийся в первом контейнере 30. Трубопровод 40 обеспечивает сообщение между первым контейнером 30 и насосом 50, так что реакционный раствор 20 попадает в насос 50. Насос 50 затем передает реакционный раствор 20 во второй контейнер 70 через трубопровод 60. Доза кремнезема 75 расположена внутри второго контейнера 70. Трубопровод 80 обеспечивает сообщение между вторым контейнером 70 и первым контейнером 30 таким образом, что реакционный раствор 20 выходит из второго контейнера 70 и снова входит в первый контейнер 30.

Выполнение изобретения по фиг.2, однако, имеет добавочную, вторую, порцию кремнезема 95, расположенную внутри третьего контейнера 90. Добавочная доза кремнезема 95 позволяет процессу, используемому для роста пленки диоксида кремния 15 на подложке 10, продолжаться после истощения дозы кремнезема 75. Клапаны 100, 110, 120 и 130 могут быть открыты или закрыты в зависимости от того, какую дозу силикагеля 75 или 95 необходимо использовать. Например, с закрытыми клапанами 120 и 130 и открытыми 100 и 110 реакционный раствор 20 будет регенерироваться дозой кремнезема 75 по процессу, описанному при описании работы устройства по фиг.1. После истощения дозы кремнезема 75 до уровня, при котором он не сможет в соответствующей степени обеспечивать регенерацию раствора 20, клапаны 120 и 130 могут быть открыты для того, чтобы доза кремнезема 95 могла регенерировать раствор 20. С отрытыми клапанами 120 и 130 и закрытыми клапанами 100 и 110 трубопровод 140 обеспечивает сообщение насоса 50 с третьим контейнером 90 таким образом, что реакционный раствор 20 входит в третий контейнер 90 и контактирует с дозой кремнезема 95. Снова реакционный раствор 20 регенерируется по процессу, описанному ранее при обсуждении работы устройства по фиг.1. Трубопровод 150 обеспечивает сообщение между третьим контейнером 90 и первым контейнером 30 так, что реакционный раствор 20 покидает третий контейнер 90 и снова входит в первый контейнер 30. Клапаны 100 и 110 могут быть закрыты, и второй контейнер 70 может быть удален для пополнения дозы кремнезема 75. Когда доза кремнезема 95 истощается, клапаны 100 и 110 могут быть открыты для пополнения дозы кремнезема 75 для регенерации реакционного раствора 20. Клапаны 120 и 130 могут затем быть закрыты, и доза кремнезема 95 может быть удалена и пополнена. В таком случае, процесс может осуществляться в непрерывном режиме, пока не будет достигнута требуемая толщина пленки диоксида кремния 15 на подложке 10. Различные методы контроля могут быть использованы, чтобы определить, когда доза кремнезема истощается и процесс следует переключить для использования другой дозы кремнезема. Среди таких методов контроля можно отметить методы, использующие измерения рН и спектрографический анализ реакционного раствора 20.

Варианты выполнения настоящего изобретения могут быть полезны для применения в различных областях. Одним из примеров такого использования является наращивание диэлектрических слоев на полупроводниковых чипах (интегральных схемах). Оксиды (такие как SiO2) используются, как диэлектрические слои затвора и внутренние изолирующие слои в технологии изготовления чипов. В настоящее время большинство полупроводниковых чипов изготовляются CVD-методом. Однако варианты выполнения настоящего изобретения могут привести к упрощению и удешевлению процессов роста диэлектрических слоев.

Кроме того, варианты выполнения настоящего изобретения могут быть использованы для роста изолирующих слоев для наночипов. Эти чипы включают недавно разработанные нанопроводниковые чипы (nanotube или nanowires chips) нового поколения. В то время как на настоящий момент подобные устройства являются двумерными, использование настоящего изобретения обеспечивает технологию низкотемпературного наращивания изолирующего слоя, необходимого для развития вертикальной интеграции наночипов.

Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано для наращивания оптических волноводов, которые могут быть использованы в полупроводниковой промышленности для обеспечения преимущественно внутричиповых оптических коммуникаций вместо электронных. При этом применимы и литография, и CVD-метод изготовления кварцевых волноводов при введении нескольких дополнительных стадий. Благодаря новой технологии получения медного шаблона на монтажной плате, желательно, чтобы наращивание волновода из диоксида кремния происходило непосредственно на медных образцах. Медь будет излишней подложкой для волновода, но технология формирования шаблона хорошо изучена, и поэтому процесс не потребует существенного числа дополнительных стадий.

Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано при наращивании кварцевых пленок для технологи и "кремний-на-изоляторе" (SOI - silicon-on-insulator), которые могут быть использованы в полупроводниковой промышленности для производства приборов, имеющих намного лучшие эксплуатационные свойства по сравнению с объемными кремневыми приборами. Это особенно важно для использования в сверхбольших интегральных схемах (VLSI).

Настоящее описание фиг.1 и фиг.2 дается для иллюстрации принципов и возможных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Специалисту в данной области техники должно быть хорошо понятно, что могут быть сделаны различные вариации и модификации данного изобретения. Например, могут быть осуществлены различные методы регенерации реакционного раствора в дополнении к тем, которые представлены в описании и на чертежах. Кроме того, могут быть заменены композиции растворов для подложки в зависимости от вида необходимой неорганической пленки. Это означает, что формула изобретения должна быть интерпретирована таким образом, чтобы охватить все эти возможные варианты и модификации. Последовательное перечисление стадий процесса в пунктах формулы изобретения не означает, что стадии должны осуществляться последовательно или что одна стадия оканчивается перед началом другой стадии.

Цитируемые ссылки

" Механизм инициации роста диоксида кремния при осаждении из жидкой фазы", Chou, J.S., Lee, S.C., J.Electrochemical. soc., vol.140, N11, Nov.1994, pp.3214-3218.

"Технология селективного образования диоксида кремния с использованием осаждения из жидкой фазы для полного выравнивания многоуровневых внутренних связей", Hommo, Т., Katoh, Т., Yamada, Y., Murado, Y., J.Electrochemical. soc., vol.140, N8, Aug. 1993, pp.2410-2414.

"Улучшенное образование пленок диоксида кремния при осаждении из жидкой фазы", Huang, С.J., Huang, M.P., Wang, Y.H., Wang, N. F., J.Vac. Sci. Tecnol.A, vol.16, N4, Jul./Aug. 1998, pp.2646-2652.

"Полуавтоматическое фотоосаждение диоксида кремния из жидкой фазы", Huang, С.T., Chang, P.,H., Shie, J., S., J. Electrochemical. soc., vol.143, N6, Yun. 1996, pp.2044-2048.

"Новый способ получения покрытия из кремнезема", Nagayama, H., Honda, H., Kawahara, H.,J. Electrochemical. soc.: Solid State Sience and Technology, vol.135, N8, Aug. 1988, pp.2013-2015.

"Характеристика кремнезема для процесса поверхностного изготовления улучшенного диэлектриков затвора", Okorn-Schmidt, H.F., IBM J. Res. Develop., vol.43, N3, May. 1999, pp.351-365.

Цитируемые патенты

Faur, и др., патент США (2000) 6080683, Жидкостный процесс наращивания SiO на основе окислов кремния при комнатной температуре.

Goda, и др., патент США (1991) 5073408, Способ осаждения пленки диоксида кремния.

Goda, и др., патент США (1992) 5132140, Способ осаждения пленки диоксида кремния.

Jenn-Gwo, и др., патент США (1997) 5616233, Способ образования

фторированного слоя диоксида кремния на кремневой подложке при анодном окислении при комнатной температуре.

Kawahara, и др., патент США (1984) 4468420, Способ образования покрытия диоксида кремния.

Nagayama, и др., патент США (1987) 4693916, Способ осаждения пленки диоксида кремния.

Sasaki, и др., патент США (1984) 4431683, Способ образования прозрачной электропроводящей пленки.

Thomson, S.М., и др., патент США (1949) 2505629, Способ осаждения кварцевых пленок и растворы для этого.

1. Способ осаждения неорганического материала из реакционного раствора на подложку, в котором посредством химической обработки активируют указанную подложку для роста указанного неорганического материала, погружают указанную подложку в реакционный раствор для осаждения указанного неорганического материала на указанную подложку и осуществляют регенерацию указанного реакционного раствора при погруженном состоянии указанной подложки в указанном реакционном растворе, посредством добавления того же самого неорганического материала к указанному реакционному раствору для обеспечения непрерывного роста указанного неорганического материала на подложке.

2. Способ по п.1, в котором в качестве неорганического материала используют диоксид кремния.

3. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют кремниевую пластину.

4. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют компонент полупроводникового чипа.

5. Способ по п.1, в котором в качестве подложки используют компонент наночипа.

6. Способ по п.1, в котором посредством неорганического материала образуют оптический волновод.

7. Способ по п.1, в котором используют реакционный раствор, который состоит из H2SiF6 и воды.

8. Способ по п.1, в котором реакционный раствор регенерируют добавлением кремния.

9. Устройство для осаждения неорганического материала из реакционного раствора на подложку, отличающееся тем, что оно содержит первый контейнер, указанный реакционный раствор, размещенный в указанном первом контейнере, второй контейнер, дозу кремнезема, размещенную внутри указанного второго контейнера, и средство введения части указанной дозы кремнезема в указанный реакционный раствор.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средством введения части указанной дозы кремнезема в указанный реакционный раствор является насос, сообщающийся с указанными первым и вторым контейнерами.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что неорганическим материалом является диоксид кремния.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что подложка представляет собой кремниевую пластину.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что реакционный раствор состоит из H2SiF6 и воды.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий контейнер и вторую дозу кремнезема, размещенную в нем.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что средством введения части указанной дозы кремнезема в указанный реакционный раствор является насос, сообщающийся с указанными первым и третьим контейнерами.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области технологии полупроводниковых приборов. .
Изобретение относится к области металлооксидных полупроводниковых технологий. .

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов. .

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике и может быть использовано в производстве СБИС, полевых нанотранзисторов, а также устройств оптической волоконной связи.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения пленочных диэлектриков, из которых наиболее широко используемым является окись тантала (Ta2O5).
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения пленок, содержащих бор и фосфор на поверхности полупроводниковых материалов.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения пленок, содержащих бор на поверхности полупроводниковых материалов.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения тонкопленочных конденсаторов
Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления пленок с пониженной дефектностью
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения защитных пленок
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения пленочных диэлектриков, для маскирования поверхности кремниевых пластин при проведении диффузионных процессов
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов, в частности к способам получения пленок, содержащих бор на поверхности полупроводниковых материалов
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления сенсорных датчиков, приборов контроля составов газовых смесей, оптических приборов, в оптоэлектронике, наноэлектронике

Изобретение относится к технологии арсенид-галлиевой микроэлектроники, в частности к методам электрической пассивации поверхности полупроводниковых соединений и твердых растворов групп АIIIBV, и может быть использовано для снижения плотности поверхностных состояний как на свободной поверхности полупроводника, так и на границе раздела металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник
Изобретение относится к технологии получения защитных пленок полупроводниковых приборов и интегральных схем

Изобретение относится к технологии выращивания оксидных слоев и может быть использовано при создании защитных либо пассивирующих покрытий на поверхности металла или полупроводника

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве твердотельных газовых датчиков паров углеводородов
Наверх