СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ОКСИДА КРЕМНИЯ
METHOD FOR LOW-TEMPERATURE GROWTH OF SILICON OXIDE

Изобретение относится к области «низкотемпературных технологий» микро- и наноэлектроники и может быть использовано при создании, например, оксидов кремния, алюминия и других полупроводников и металлов.
Известны различные способы выращивания диэлектриков в атмосфере кислорода, в частности:
2
- получение «тонкой» (100-300 А) оксидной термической пленки в атмосфере кислорода при облучении кремния светом видимого и близкого инфракрасного спектра с интенсивностью 3 Вт/см [1. United States Patent US 5,639,520 от 17.06.1997 «Application of optical processing for growth of silicon dioxide»];
3
2
- получение оксидных пленок хорошего качества путем осаждения диоксида на кремний и последующего низкотемпературного отжига (500-600°C) в атмосфере азотосодержащих соединений (NH, NO) с одновременным облучением ультрафиолетом [2. United States Patent US 5,970,384 от 19.10.1999 «Methods of heat treating silicon oxide films by irradiating ultra-violet light»];
- получение высококачественной оксидной пленки путем плазмохимического осаждения оксида и последующего облучения его инфракрасным светом [3. United States Patent US 7,754,286 B2 от 13.07.2010 «Method of forming a silicon dioxide film»];
- получение оксидных пленок путем осаждения поликремния или же аморфного кремния с последующим их термическим окислением [4. United States Patent US 6,407,012 B1 от 18.06.2002 «Method of producing silicon dioxide film, method of manufacturing semiconductor device, semiconductor device, display and infrared irradiating device»].
Такие способы имеют недостатки:
- не обеспечивают низкотемпературное (менее 500-600°C) получение «толстых» (более 0,5 мкм) низкотемпературных диэлектриков;
6
- невысокую радиационную стойкость (менее 10 рад);
ss
кр
t
11
-2
5
- необходимое качество, т.е. плотность поверхностных состояний (N<10 см), максимальная величина критического поля (Е>2·10 В/см) и минимальный разброс пороговых напряжений (ΔV<0,1 В).
2
Последний недостаток устраняется в способе изобретения, взятом за прототип [1. United States Patent US 5,639,520 от 17.06.1997 «Application of optical processing for growth of silicon dioxide»], в котором используется получение «тонкой» (100-300 А) оксидной термической пленки в атмосфере кислорода при облучении кремния светом видимого и близкого инфракрасного спектра с интенсивностью 3 Вт/см.
Недостатком прототипа и аналогов является сложность получения при относительно низкой температуре (менее 500-600°C) плавления алюминия «толстых» (более 0,5 мкм) оксидов.
Техническим эффектом данного изобретения является создание технологии получения высококачественных низкотемпературных оксидов кремния:
ss
кр
t
11
-2
5
- с характерными для высокотемпературных термических оксидов параметрами, т.е. плотностью поверхностных состояний (N<10 см), максимальной величиной критического поля (Е>2·10 В/см) и минимальным разбросом пороговых напряжений (ΔV<0,1 В);
6
- с повышенной радиационной стойкостью (более 10 рад).
12
14
-2
-1
Указанный эффект достигается тем, что в предлагаемом способе нагрев кремния в атмосфере кислорода 250-400°C осуществляют при плотности потока электронов φ в интервале 2,5·10-10 см·с с энергией 3,5-11 МэВ.
Предлагаемый способ реализуется, например, с помощью устройства, представленного на чертеже.
2
2,
13
-2
-1
В кварцевую трубу 1 керамического контейнера 2, продуваемую инертным газом - азотом N и кислородом O помещают кварцевую лодочку 3, в которой размещены кремниевые пластины 4 (10 штук), которые облучаются электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-6 при плотности потока φ=10 см·с с энергией 6 МэВ, который обеспечивает температурный режим на первой пластине 400°C, что позволяет осуществить за 30 минут облучения рост оксида толщиной 1,0 мкм.
Следует отметить, что величина энергии электронов уменьшается на 8% от пластины к пластине за счет потери энергии электронов при взаимодействии с кремнием, поэтому облучение проводят 2 раза, меняя положение пластин в кварцевой лодочке.
Следует отметить, выбранные диапазоны мощности излучения и времени проведения процесса определяются конкретным типом полупроводника или металла.
14
-2
-1
11
-2
5
ss
t
кр
Проведенные экспериментальные исследования показали, что МОП-структуры, изготовленные на кремниевой подложке номиналом КЭФ-4,5 Ом·см с ориентацией <100> и толщиной оксида 1,0 мкм, выращенного в атмосфере сухого кислорода при облучении электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-6 при плотности потока 10 см·с в течение 30 минут и температуре на поверхности пластин, равной 400°C, имели параметры N<10 см, ΔV=0,1 В, Е>2·10 В/см, характерные для высокотемпературных термических оксидов.
7
60
Экспериментальные исследования радиационной стойкости «низкотемпературного» оксида к дозе гамма-излучения, равной 10 рад источника Со на установке МРХ-100, показали изменение порогового напряжения МОП-структуры на 0,2 В.
Физическая суть процесса заключается в термическом разогреве материала полупроводника потоком электронов за счет выделения энергии при рассеянии электронов на атомах кристаллической решетки и образовании озона в результате ионизации молекул кислорода, которые инициируют рост оксида полупроводника при низких температурах. В процессе роста пленки оксида полупроводника воздействие электронов с энергией более нескольких сотен кэВ генерирует сверхравновесные «точечные» дефекты по Френкелю (вакансия - межузельный атом) [5. Болтакс Б.И. «Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках». Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1972, с.159-160], которые приводят к ускоренной радиационно-стимулированной диффузии атомов кислорода к границе раздела "оксид полупроводника-полупроводник".
Следует отметить, что мощное облучение электронами в упомянутом выше диапазоне температур и плотностей потока приводит к «закалке» оксида полупроводника, улучшению границы раздела оксид-полупроводник и резкому уменьшению чувствительности к действию проникающего гамма-излучения.