SU1718302A1

SU1718302A1 - Способ формировани пленки нитрида кремни

Info

Publication number: SU1718302A1
Application number: SU904790823A
Authority: SU
Inventors: Аркадий Степанович Турцевич; Василий Яковлевич Красницкий; Валерий Францевич Петрашкевич; Георгий Антонович Химко; Геннадий Анатольевич Корешков; Олег Эрнестович Сарычев
Original assignee: Научно-производственное объединение "Интеграл"
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1992-03-07

Abstract

Изобретение относитс к технологии обработки и производству сверхбольших интегральных схем. Оно может быть использовано дл плазменного осаждени пленки нитрида кремни . Целью изобретени вл етс повышение качества пленки нитрида кремни за счет увеличени электрической прочности, улучшени зар довых характеристик, снижени дефектности и механических напр жений. Цель достигаетс тем, что после осаждени пленки нитрида кремни толщиной 50-200 нм провод т дополнительную обработку в плазме аммиака в течение 2-10 мин, затем осаждают пленку до заданной толщины при первоначальных услови х. Осаждение пленки нитрида кремни провод т в плазме смеси моносилана (1 ч), аммиака (4-8 г), азота (15-50 г) при плотности мощности 30-60 мВт/см2. 1 табл. ел С

Description

Изобретение относитс к технологии электрон ной техники, вчастности ктехноло- гии осаждени пленки нитрида кремни химическим осаждением из газовой фазы .активированной плазмы и может быть использовано дл создани межуровневого диэлектрика и пассивирующих покрытий- при изготовлении сверхбольших интегральных схем.

Дл создани СБИС необходима нова технологическа база, характеризующа с разработкой низкотемпературных процессов нар ду с созданием прецизионных методов литографии, травлени . Повышение качества осажденных пленок достигаетс за счет повышени их электрической прочности , снижени дефектности, повышени

стабильности свойств диэлектриков дл обеспечени высокого выхода годных кристаллов и воспроизводимых параметров элементов с субмикронными размерами.

Известен способ осаждени пленки нитрида кремни , включающий размещение кремниевых подложек с активными и пассивными элементами в реакторе, откачку реактора до необходимого остаточного давлени , нагрев подложек до 360°С в потоке инертного газа, зачистку поверхности подложек в плазме инертного газа, вакууми- рование реактора, введение в реактор смеси моносилана .с аммиаком при соотношении ингредиентов 1: (5,1-8,2) в плазме ВЧ-разр да с частотой 450кГц при

00

со о

ю

5

плотности мощности 20 мВт/см при пониженном давлении.

Данному способу присущи следующие недостатки: высокое содержание водорода в осаженной пленке нитрида кремни , ибо осаждение проводитс при частоте 450 кГц при соотношении , 1 :(5,1-8,2); трудность управлени свойствами пленки и уровнем механических напр жений в них из-за того, что в системе с емкостным разр дом при изменении соотношени ингредиентов происходит изменение емкости и плотности мощности, а также высока чувствительность к флуктуаци м процесса; из-за различи в энергии диссоциации моносила- на и аммиака происходит формирование- подсло нитрида кремни с аномально большой концентрацией кремни , что обуславливает повышение дефектности пленки, снижение ее электрической прочности и возрастание механических напр жений, их стабильность по величине, а также ухудшение их зар довых характеристик. Данные недостатки не позвол ют использовать способ осаждени пленки нитрида кремни химическим , осаждением из газовой фазы активированной плазмы при изготовлении сверхбольших интегральных схем.

Наиболее близким по технической сущности вл етс способ осаждени пленки нитрида кремни , включающий размещение кремниевых подложек со сформированными активными и пассивными элементами в реакторе, откачку реактора до необходимого остаточного давлени , нагрев подложек до 250-380°С в потоке инертного газа, зачистку поверхности подложек в плазме инертного газа, вакуумирование реактора, введение в реактор смеси моносилзна с аммиаком при соотношении ингредиентов 1- (5.8 : 7,3) и осаждение пленки нитрида кремни в плазме ВЧ-разр да с частотой 40 кГц при плотности мощности 30-60 мВт/см2 при пониженном давлении.

Однако известный способ не лишен недостатков . Высока чувствительность системы с емкостным разр дом к соотношению ингредиентов из-за сопуствующего изменени емкости и плотности мощности обуславливает сложность управлени свойствами пленки при высокой чувствительности характеристик пленок к флуктуаци м процесса осаждени . Относительно высокое содержание водорода в осажденных пленках нитрида кремни из-за того, что осажде- ние проводитс в системе , обуславливает снижение качества пленок.

Из-за того, что энерги диссоциации моносилана ниже, чем аммиака (3,1 и 3.6 эВ соответственно) происходит формирование

подсло нитрида кремни с аномально большой концентрацией кремни , который определ ет механические свойства системы , способствует повышению дефектности

пленки нитрида кремни и снижению ее электрической прочности. Обогащение кремнием слои рыхлые, содержат большое количество дефектов, таких как оборванные Si-св зи, SI-Sl-св зи, группы Sl-Н, образующих локализованные состо ни в запрещенной зоне и играющих роль ловушечных и/или рекомбинационных центров в нитриде кремни , что приводит к ухудшению диэ- лектрических свойств: увеличению

пористости, токов утечки, снижению пробивного напр жени , ухудшению зар довых характеристик. Неоднородность пленки плазмохимического нитрида кремни по глубине за счет образовани обогащенного

кремнием подсло существенно вли ет на электрические свойства пленки и их механические напр жени . Недостатки ограничивают использование известного способа осаждени пленки нитрида кремни при изготовлении сверхбольших интегральных схем.

Целью изобретени вл етс повышение качества пленки нитрида кремни за счет увеличени электрической прочности,

улучшени зар довых характеристик, снижени дефектности и механических напр жений .

Согласно способу осаждени пленки

нитрида кремни , включающему размещение кремниевых подложек со сформированными активными и пассивными элементами в реакторе, откачку реактора до необходимого остаточного давлени , нагрев подложек до 250-380°С в потоке инертного газа; зачистку поверхности подложек в плазме инертного газа, вакуумирование реактора, введение в реактор смеси моносилана с аммиаком и осаждение пленки нитрида кремни заданной толщины в плазме ВЧ-разр да при плотности мощности 30-60 МВт/см2 при пониженном давлении, обработку подложек в плазме аммиака, дополнительно к смеси моносилана с аммиаком в

реактор ввод т азот при соотношении ингредиентов 1:(4-8): (15-50) и осаждают подслой нитрида кремни толщиной 50-200 нм, прекращают подачу моносилана с азотом, затем провод т обработку, подсло в аммиаке в течение 2-10 мин при плотности мощности 30-60 мВт/см2 и давлении 33-120 Пв, после чего доращивают пленку нитрида кремни до заданной толщины из смеси мо- носилан - аммиак - азот при соотношении ингредиентов 1 : (4-8):.(13-50).

Предлагаемый способ отличаетс от известного тем, что дополнительно к смеси моносилана с аммиаком-в реактор ввод т азот при соотношении ингредиентов 1 : (4- 8) : (15-50) и осаждают подслой нитрида кремни толщиной 50-200 нм, прекращают подачу моносилана с азотом, затем провод т обработку подсло в аммиаке в течение 2-10 мин при плотности мощности 30-60 мВт/см2 и давлении 33-120 Па, после чего доращивают пленку нитрида кремни до заданной тоЛщины из смеси моносилан.- аммиак - азот при соотношении ингредиентов 1 :(4-8): (15-50).

-При осаждении пленки нитрида крем- ни в плазме ВЧ-разр да в смеси моносилан - азот необходимы соотношени ингредиентов больше или равные 10 - 10 дл обеспечени большого избытка азота с целью избежани образовани обогащен- ной кремнием пленки, так как энерги диссоциации азота в трое больше энергии диссоциации МНз и составл ет 9,83 эВ. При этом из-за высокого суммарного потока реагентов , необходимости использовани плотностей мощности 0,8-1,2 Вт/см2 указанный процесс невозможно осуществить в промышленном горизонтальном трубчатом реакторе с емкостным возбуждением плазмы и осаждение пленок осуществл етс .в лабораторных реакторах, что обуславливает практическую невозможность использовани данной смеси дл серийного изготовлени плазменной пленки нитрида кремни . Кроме того, из-за высоких плотностей мощ- ности плазмы наблюдаетс сильна деградаци характеристик МДП-структур, тонких диэлектрических пленок из-за радиационных , повреждений, что обуславливает жение выхода годных и неприменимость способа при производстве сверхбольших интегральных схем.

Повышение качества пленки нитрида кремни , осаждаемой в плазме ВЧ-раэр да, обусловлено.следующим: так как сначала осаждают подслой нитрида кремни из смеси SiH4 - МНз - № при соотношении ингредиентов 1 : (4-8) : (15-50), обеспечиваетс снижение чувствительности системы с емкостным разр дом к изменению содержа- ни SIH4 и МНз в смеси, что обуславливает снижение чувствительности к флуктуаци м процесса осаждени , повышение воспроизводимости зар довых характеристик пленок , снижаетс концентраци водорода в осаждаемой пленке из-за бомбардировки поверхности подложки ионами азота и нейтральным азотом, что облегчает элимирова- ние водорода и способствует снижению концентрации дефектов типа Sl-Si-св зей,

оборванных св зей, а также повышению плотности плёнок.

Обработка подсло толщиной 50-200 нм в аммиаке в течение 2-10 мин при плотности мощности 30-60 мВт/см2 и давлении 33-120 Па позвол ет провести насыщение оборванных св зей азотом и сократить количество нестабильных SIH,- Si-Si- св зей в подслое. Адсорбци азотсодержащих радикалов происходит в первую очередь по порам , как по активным центрам, с образованием Si-N-св зей с эффективным уменьшением Si-Si и оборванных св зей. Принтом уменьшаетс количество избыточного кремни , Si-Si и SIH-св зей, увеличение плотности пленок, что приводит к улучшению качества пленки нитрида кремни , улучшению зар довых характеристик, снижению дефектности при уменьшении механических напр жений. Затем доращивают пленку до заданной толщины при отношении ингредиентов (S1H4-NH3-N2) как при осаждении подсло . При этом происходит закупорка пор, что обуславливает увеличение электрической прочности и снижение дефектности.

Выбор режима и толщины при формировании подсло нитрида кремни , режимов обработки в аммиаке и доращивание пленки до заданной толщины сделан на основании экспериментальных результатов. При толщине подсло менее 50 нм услови процесса нестационарные и свойства пленок нитрида кремни нестабильны. Обработка подсло данной толщины в аммиаке не позвол ет существенно уменьшить уровень механических напр жений в пленках и улучшить их зар довые характеристики, что обуславливает снижение качества нитрида кремни . При толщине подсло более 200 нм не удаетс провести выравнивание свойств пленки по всей толщине, т.е. примыкающий к подложке слой обогащен Si, следовательно, ухудшаютс диэлектрические свойства: снижаетс электрическа прочность (уменьшаютс пробивные напр жени ), ухудшаютс зар довые характеристики при повышенных механических напр жени х. В конечном итоге указанные пленки характеризуютс низким качеством.

При осаждении подсло из смеси - МНз - Ma при соотношении меньше, чем 1 : 4 : 15, наблюдаетс осаждение пленок с повышенным содержанием оборванных SK св зей, Si-Si-св зей, ухудшение диэлектрических свойств, ухудшение зар довых характеристик и, следовательно, снижение качества пленки нитрида кремни .

При осаждении подсло из смеси SIH.4 - МНз - N2 при соотношении более 1 : 8 : 50

из-за увеличени суммарного потока ухудшаетс стабильность работы вакуумной системы , происходит увеличение привносимой дефектности, ухудшаетс качество пленки нитрида кремни .

При обработке подсло в плазме аммиака в течение менее 2 мин, плотности мощности менее 30 мВт/см и давлении менее 30 Па не происходит полное залечивание оборванных Si-св зей, уменьшение SI-H-св зей, что обуславливает увеличение дефектности, снижение пробивных напр жений при повышенных механических напр жени х и ухудшение зар довых характеристик.

При обработке подсло в плазме аммиака в течение более 10 мин, в плотности мощности более 60 мВт/см2 и давлении более 120 Па не происходит дальнейшего качества пленок нитрида кремни . Наоборот, увеличение давлени способствует ухудшению десорбции водорода и зар довых характеристик .

При доращивании сло из смеси SihU - МНз - N2 при соотношении меньше, чем 1 : 4 : 15, наблюдаетс снижение электрической прочности и ухудшение зар довых характеристик из-за повышени чувствительности к флуктуаци м процесса осаждени и увеличени Si -оборванных св зей.

При доращивании сло из смеси SiHM - МНз - N2 при соотношении 1 : 8 : 50 из-за увеличени суммарного потока реагентов ухудшаетс стабильность работы вакуумной системы, происходит увеличение привносимой дефектности и ухудшаетс качество пленки.

Например, осаждение пленки плазмо- химического нитрида кремни осуществл ют на установке Лада-32 с горизонтальным трубчатым реактором и гор чими стенками и вводом мощности сзади. Используют вакуумный агрегат RSV-500(Oalsansel). Величину давлени поддерживают путем подачи регулируемого потока азота на вход насоса.

В таблице представлены примеры осуществлени способа осаждени пленки нитрида кремни .

Электродна система состоит из шести графитовых электродов. Электроды объеди- нены через один и подключены к генератору плазмы с частотой 40 кГц (примеры 1-22 и 45) и 465 кГц (примеры 23-44 и 46). Соседние графитовые пластины изолированы одна от другой при помощи керамических изол торов. Подложки, прошедшие цикл изготовлени кристалла К56 РУ5 до блока фор- миррвани пассивации, креп тс к электродам при помощи штырьков с использованием пинцета. Суммарный поток газовой смеси не превышает 2500 см3/мин. Тем- пература осаждени пленки во всех примерах составл ет 300±2°С.

Количество одновременно обрабатываемых пластин в зависимости от используемой многоэлектродной системы - подложкодержател измен етс в пределах 40-80 шт. диаметром 1.00 мм. Толщина плен0 ки нитрида кремни составл ет 0,4 мкм. Осаждение пленки нитрида кремни осуще-. ствл ют при пониженном давлении (примеры 1-11 и 23-33 при давлении 99 Па, а примеры 12-22 и 34-44 при давлении 225

5 Па). Конструктивно генератор позвол ет осуществл ть управление мощностью при помощи микропроцессора в диапазоне 25- 80 мВт/см2. Конструкци реактора позвол ет осуществл ть его встроенную

0 самоочистку и подачу реагентов спереди и со стороны откачки. Используют азот электронного класса чистоты, моносилан - концентрат ТУ 6-02-1163-79, жидкий аммиак особой чистоты ТУ 113-17-27-515-89.

5 Процесс включает загрузку подложек на графитовые электроды и размещение их в реакторе, откачку реактора до остаточного давлени не более 13,3 Па, нагрев подложек в потоке аргона или азота, зачистку поверх0 ности подложек в плазме азота (аргона), от- качку-вакуумирование реактора, плавное увеличение потока N2, МНз, SIH4 и их стабилизацию , включение генератора и осаждение подсло нитрида кремни (в примере,

5 соответствующем известному, всей пленки нитрида кремни ), прекращение подачи N2, SiH-q и обработку подложек в плазме, плавное увеличение потока N2, SIH4, их стабилизацию и доращивание пленки до заданной

0 толщины, обработку пленки в плазме аммиака , одинаковую дл всех процессов осаждени , откачку, продувку реактора азотом, прекращение откачки и напуск реактора азотом до атмосферного давлени и выгруз5 ку подложек с осажденной пленкой кремни .

Толщина осаждаемой пленки составл ет 0,4 MI м. Толщина пленки определ етс неразрушающим способом при помощи

0 прибора MPV-SP(O Leits).

Исследование распределени SiN по толщине пленки нитрида кремни провод т методом резерфордовского обратного рассе ни . Дл анализа используютс ионы

5 Не+ с энергией 1,5-2,0 МэВ. Энерги обратно рассе нных ионов регистрируетс полупроводниковым поверхностно-барьерным детектором с энергетическим разрешением 11,9 кэВ. Энергетическое разрешение спектрометрического тракта составл ет 17 кэВ.

Амплитудный анализ импульсов проводитс многоканальным анализатором с встроенным регистратором импульсов. Относительные концентрации элементов определ ютс с точностью расчета 2,5%. Электрическа прочность определ етс по формуле

Епр Unp

где Е - напр женность пробо , характеризующа электрическую прочность:

Unp - пробивное напр жение: - d - толщина пленки нитрида кремни .

Показатель преломлени определ етс при помощи лазерного эллипсометра, плотность дефектов - при напр женности пол 5 мВ/см по формуле .

-Ш 0-й) D.,

где I - тт - дол годных структур, не пробитых при данной напр женности пол ;

п - количество пробитых конденсаторов;

N - количество измеренных конденсаторов:

S - площадь тестовой структуры.

Площадь тестовой структуры дл контрол дефектности составл ет 16 мм . Механические напр жени а( МПа) измер ют при помощи рентгеновского дифрактомет- ра типа Дрон 1,5, плотность поверхностных состо ний NSS (см-2) - при помощи системы 4061 А. Прирост привносимых дефектов (Аотн.ед.) определ ют при помощи прибора Surfcanl - 4500 как разницу между количеством частиц размером более 0,5 мкм после осаждени и на исходных подложках диаметром 100 им и нормируют к приросту при- вносимых дефектов дл известного способа.

. Примеры 1-3. 12-14, 23-25 и 34-36 в таблице иллюстрируют предлагаемый способ осаждени пленки нитрида кремни . В примерах 4-11, 15-22. 26-33, 37-44 технологические параметры при осаждении подсло , его обработке в аммиаке и при доращивании пленки до заданной толщины, выход т за пределы, указанные в предлагаемом способе. В примере 45 и 46 приведены результаты известного способа.

Результаты, приведенные в таблице показывают , что предлагаемый способ(примеры 1-3. 12 14. 23-25 и 34-36} позвол ет повысить качество пленки нитрида кремни за счет увеличени электрической прочности , улучшени зар довых характеристик,

снижени дефектности и механических напр жений . При этом электрическа прочность возрастает в 1.3-2,8 раз, плотность поверхностных состо ний уменьшаетс в 3,0-4,4 раз, плотность дефектов уменьшаетс в 1.9 раз, а механические напр жени - в 3,2 р.

Из таблицы очевидна нецелесообразность использовани способа осаждени пленки нитрида кремни , при реализации

которого технологические режимы при формировании подсло , его обработке в аммиаке и доращивании пленки до заданной толщины выход т за предлагаемые пределы . В примерах 45 и 46 (известный) напр женность пробо составл ет 7,2 (7,8) МВ/см, плотность поверхностных состо ний 7,2 (7,8) .1011 см плотность дефектов

-2

0,35 (0,38) см , величина механических напр жений 2,56-(2.85) МПа.

Полученные результаты свидетельствуют , что по сравнению с известным предлагаемый способ позвол ет повысить качество пленки нитрида кремни за счет

увеличени электрической прочности; улучшени зар довых характеристик, снижени дефектности и механических напр жений. При этом электрическа прочность возрастает в 1,3-2,8-р, плотность поверхностных

состо ний уменьшаетс в 3,0-4,4 раз, плотность дефектов уменьшаетс в 1,9 раз, а механические напр жени в 3 раза.

40

Claims

Формула изобретени

Способ формировани пленки нитрида кремни , включающий размещение кремниевых подложек со сформированными структурами в реакторе, откачку реактора, нагрев

5 подложек до 250-380°С в потоке инертного газа, зачистку подложек в плазме инертного газа, осаждение пленки нитрида кремни в плазме смеси моносилана с аммиаком при плотности мощности 30-60 мВт/см , обра0 ботку пленок в плазме аммиака, отличающийс тем, что, с целью повышени качества пленки за счет увеличени электрической прочности, улучшени зар довых характеристик , снижени дефектности и

5 механических напр жений, в плазмообразу- ющую смесь мокосилана с аммиаком добавл ют азот., процесс осаждени провод т при рабочем давлении 70-266 Па и соотношении компонентов в смеси моносилана I часть аммиака - 4-8 частей азота 15-50

11171830212

2-10 мин при плотности мощности 30-60 нитрида кремни до заданной толщины при мВт/см2- рабочем давлении 33-120 Па. по- первоначальных услови х, еле чего продолжают осаждение пленки

50

40

50 120 200

35 225. 120

1:4:15 1:5:20 1:5:50 1:5:20 1:5:20 1:5:20

120 1t3t55 120 1;3:iO 120 1:VO:55 1:5:20 1:5:20 1:4:15 1:5:20 1:15:20 1:5:20 1:5:20 1:5:20 1:3:55 1:3:10 1:10:55 1:5:20

120 120

50 120 200

35 225 120 120 120 120 120

99

225

120 50

1:5:20 1:4:15

120 1:5:20

2 5 10 5 . 5 U5

П

. 5 5 5 5 2 5 10 5 5

1.5 11 5 5 5 5 2 5

30 45 60 45 45 25

65 45 45 .5 45 30 45 60 45 45 25 65 45 45 45- 45 30 45

33 90

120 90 90

, 25.

125 90 90 90 90 33 90

120 90 90 25

125 90 90 90 90 33 90

1:4:15

1:5:20

1:15:50

1:5:20

1:5:20

1:5:20

1:5:20 1:5:20 1:5:20

1:5:10 1:10:55 1:4:15 1:5:20 1:1,5:50 1:5:20 1:5:20 1:5:20 1:5:20 .1:5:20 1:5:20 1:3:10 1:10:55 1:4:15 1:5:20

99

225

со

00 OJ

о

Ю

Прим е ч. а н и е. Примеры 9, 11, 20, 22, 31, 33, Ь2, й - ухудшаетс работа вакуумной системы.