СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ НИТРИДА КРЕМНИЯ НА КРЕМНИЕВУЮ ПОДЛОЖКУ
METHOD OF SILICON NITRIDE PRECIPITATION ON SILICON SUBSTRATE

Область техники
Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов и/или устройств микросистемной техники на кремниевых подложках, содержащих в своей структуре пленки нитрида кремния различного функционального назначения.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ осаждения слоя нитрида кремния на подложку на основе высокоплотной плазмы, применяемый для осаждения на подложку в плазменном реакторе. Процесс включает следующие стадии: подготовку газа, включающего исходные компоненты нитрида кремния, формирование плазмы подведением ВЧ мощности к газу и реакцию плазмы с подложкой для осаждения слоя нитрида кремния. Мощность, подводимая к газу, колеблется в диапазоне от 2,5 до 4 кВт (см. заявку США на изобретение US 2004/0137169, опубл. 15.07.2004].
К недостаткам известного способа относятся недостаточное качество формируемой пленки из-за низкой равномерности осаждения пленки по подложке, значительного количества дефектов в пленке и невысоких оптических и диэлектрических свойств в связи с отсутствием предварительной обработки поверхности кремниевых подложек в азотной плазме и высокой ВЧ мощностью 2,5-4 кВт, подводимой к газу.
Из уровня техники известен способ осаждения слоя нитрида кремния на подложку, включающий следующие стадии: подачу газовой смеси на основе силана и азота в реактор для проведения плазмоактивированного процесса химического осаждения из газовой фазы (ПА ХОГФ), формирование плазмы подведением НЧ мощности 250 кГц к газу и реакцию плазмы с подложкой для осаждения слоя нитрида кремния при давлении в реакторе 267 Па (см. заявку США на изобретение US 2008/0286984, опубл. 20.11.2008).
К недостаткам известного способа относятся недостаточное качество формируемой пленки из-за низкой равномерности осаждения пленки по подложке, значительного количества дефектов в пленке и невысоких оптических и диэлектрических свойств в связи с отсутствием предварительной обработки поверхности кремниевых подложек в азотной плазме, применением только НЧ мощности 250 кГц, подводимой к газу и высоким давлением в реакторе во время процесса осаждения - 267 Па.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества осаждаемых пленок нитрида кремния методом плазмоактивированного процесса химического осаждения из газовой фазы (ПА ХОГФ) на кремниевые подложки путем предварительной обработки поверхности подложек в плазме азота, в результате чего увеличивается равномерность осаждения пленки на подложке, снижается количество дефектов в пленке, улучшаются ее оптические и диэлектрические свойства.
Технический результат достигается тем, что способ осаждения пленки нитрида кремния на кремниевую подложку включает:
- предварительную обработку поверхности кремниевой подложки в плазме
азота;
- подготовку компонентов газовой смеси из 5,2% смеси моносилана с аргоном с расходом 1,05÷4,15 л/ч и азота с расходом 0,07÷0,08 л/ч, из которого формируется пленка нитрида кремния;
- осаждение пленки нитрида кремния на обработанную поверхность кремниевой подложки непосредственно после предварительной обработки поверхности кремниевой подложки в плазме азота.
В предпочтительном варианте, предварительную обработку поверхности кремниевой подложки в плазме азота проводят в плазме ВЧ индукционного разряда, изолированного от «земли» (корпуса реактора). ВЧ мощность осаждения пленки нитрида кремния составляет 250÷К350 Вт. Реакцию плазмы с подложкой при осаждении пленки нитрида кремния осуществляют при давлении 0,К0,3 Па в реакторе.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлен алгоритм проведения процесса ПА ХОГФ пленки нитрида кремния на кремниевую подложку.
На фиг.2 схематично представлено устройство реактора установки, ПА ХОГФ пленок нитрида кремния на кремниевые подложки.
На фиг.3 на диаграмме представлена зависимость толщины слоя нитрида кремния, полученного обработкой кремниевой подложки в азотной плазме, от рассеиваемой ВЧ мощности.
На фиг.4 представлены фотографии пленки нитрида кремния толщиной 100±10 нм, осажденной без предварительной обработки кремниевой подложки в плазме азота (фотография слева) и с предварительной обработкой в плазме азота (фотография справа).
На фиг.1 обозначено следующее:
1 - Подготовительные операции;
2 - Подача N2 в реактор;
3 - Подведение рассеиваемой ВЧ мощности;
4 - Проведение предварительной обработки кремниевой подложки в азотной плазме ВЧ индукционного разряда, изолированного от «земли» (корпуса реактора);
4
2
5 - Подготовка компонентов газовой смеси (5,2% SiH±Ar)+N с расходом 1,05-1,15 л/ч и 0,07-0,08 л/ч;
6 - Создание давления в реакторе 0,1-0,3 Па;
7 - Подведение ВЧ мощности осаждения пленки нитрида кремния 250-350 Вт;
8 - Осаждение пленки нитрида кремния на кремниевую подложку;
9 - Завершающие операции.
На фиг.2 обозначено следующее:
10 - линия подачи газов в реактор;
11 - ВЧ индуктор;
12 - кварцевое стекло;
13 - кремниевая подложка;
14 - охлаждаемый столик (нижний электрод);
15 - вход вакуумной системы;
16 - ВЧ генератор верхнего электрода (индуктора);
17 - реактор;
18 - блоки согласования импеданса;
19 - ВЧ генератор нижнего электрода.
Осуществление изобретения
4
2
На фиг.1 представлен алгоритм проведения процесса ПА ХОГФ пленки нитрида кремния на кремниевую подложку. Процесс начинается в блоке 1, в котором производится загрузка кремниевой подложки в реактор, ее закрепление и создание вакуума в реакторе путем последовательной откачки форвакуумным и турбомолекулярным насосами. Для предварительной обработки поверхности кремниевой подложки в плазме азота в реактор подается азот с расходом 2,15 л/ч, (блок 2), и формируется плазма подведением рассеиваемой ВЧ мощности 20-30 Вт/мин к газу (блок 3). В течение заданного времени проводится предварительная обработка кремниевой подложки в плазме азота (блок 4), в результате которой на поверхности кремниевой подложки формируется сплошная пленка нитрида кремния толщиной от 2 до 6 нм, в зависимости от режима и времени обработки. Непосредственно после предварительной обработки (без разгерметизации реактора), производится откачка продуктов реакции из реактора и подготовка к осаждению пленки нитрида кремния на кремниевую подложку. В реактор подаются компоненты газовой смеси, из которой формируется пленка нитрида кремния 5,2% SiH+Ar с расходом 1,08 л/ч и N с расходом 0,072 л/ч (блок 5). Давление в реакторе выставляется на уровне 0,1-0,3 Па (блок 6). Формирование плазмы производится подведением ВЧ мощности 250-350 Вт к газовой смеси (блок 7). Осаждение пленки нитрида кремния на кремниевую подложку производится со скоростью приблизительно 0,01 мкм в минуту (блок 8). По окончании процесса осаждения производится откачка продуктов реакции из реактора, выравнивание давления в реакторе до атмосферного и выгрузка подложки из реактора (блок 9).
2
4
На фиг.2 схематично представлено устройство реактора установки ПА ХОГФ пленок нитрида кремния на кремниевые подложки. Технологические газы N и SiH подаются в реактор по линиям подачи газов (10). Подведение ВЧ мощности к газу производится посредством ВЧ индуктора (11), отделенного от камеры кварцевым стеклом (12). Кремниевая подложка (13) располагается на охлаждаемом столике, одновременно являющемся нижним электродом для подведения ВЧ-смещения на кремниевую подложку (14). Создание пониженного давления в реакторе обеспечивается через вход вакуумной системы (15), состоящей из форвакуумного и турбомолекулярного насосов. Формирование ВЧ мощности и ВЧ смещения осуществляется двумя ВЧ генераторами (16) и (19), соединенными с реактором (17) посредством блоков согласования импедансов (18). В блок согласования импеданса верхнего ВЧ генератора входит ферритовый трансформатор для изоляции плазменного разряда от «земли» (корпуса реактора).
α
2
3
4
На фиг.3, на диаграмме представлена зависимость толщины слоя нитрида кремния, полученного путем обработки кремниевой подложки в азотной плазме, от рассеиваемой ВЧ мощности. Исследование наличия пленки нитрида кремния на поверхности кремниевой подложки проводилось методом растровой электронной микроскопии с энергодисперсионной системой для рентгеновского анализа и методом спектральной эллипсометрии. Регистрация рентгеновских спектров проводилась при ускоряющем напряжении 3 кВ при наклоне кремниевой подложки под углом 45° к направлению электронного пучка. Такие условия были выбраны из следующих соображений: глубина генерации рентгеновского излучения при ускоряющем напряжении 3 кВ составляет ~100 нм, и это предельная энергия, при которой происходит генерация линии Si-К. Наклон кремниевой подложки на угол α приводит к уменьшению области генерации сигнала в направлении, перпендикулярном поверхности ~ в 1/ since раз, что также (как и уменьшение ускоряющего напряжения) приводит к повышению чувствительности метода к поверхностным слоям. С помощью полученных спектров было определено наличие атомарного азота на поверхности подложки. Измерения методом спектральной эллипсометрии проводились при угле падения 69.4°, в спектральном диапазоне 439.91-848.8 нм с инкрементом 1.64 нм. Коэффициенты преломления были измерены на длине волны 632.8 нм. В качестве образцов сравнения применялись материалы SiO, Si N и SiON с известными значениями коэффициентов преломления. В результате серии измерений было выявлено, что во время предварительной обработки кремниевой подложки в азотной плазме, на ее поверхности образуется сплошная пленка нитрида кремния толщиной от 2 до 6 нм в зависимости от режима и времени обработки.
На фиг.4 представлены фотографии пленки нитрида кремния толщиной 100±10 нм, осажденной без предварительной обработки кремниевой подложки в плазме азота (фотография слева) и с предварительной обработкой в плазме азота (фотография справа). На фотографии слева видно наличие локальных отслоений пленки нитрида кремния от поверхности кремниевой пластины в виде пузырьков.
Таким образом, при реализации заявленного способа повышается качество осаждаемых пленок нитрида кремния методом плазмоактивированного процесса химического осаждения из газовой фазы (ПА ХОГФ) на кремниевые подложки путем предварительной обработки поверхности подложек в плазме азота, в результате чего увеличивается равномерность осаждения пленки на подложке, снижается количество дефектов в пленке, улучшаются ее оптические и диэлектрические свойства.