Реферат: Защитные диэлектрические пленки в планарной технологии
Рис. 8. Зависимость скорости осаждения пленок Si3N4:
Реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с аммиаком. Образование пленки нитрида кремния при взаимодействии тетрахлорида кремния с аммиаком протекает в несколько стадий. На начальной стадии образуется диимид кремния:
При комнатной температуре эта реакция дальше не идет. Происходит полимеризация диимида кремния.
Если температуру повысить до 400°С, то пойдет реакция
Если температуру повысить до 650°С, реакция идет дальше:
Завершающая стадия образования нитрида кремния проходит при температуре 1100—1250°С:
В результате образуются кристаллиты нитрида кремния б-модификации. Если завершающую стадию реакции проводить при температуре 4000C, то образуется полностью аморфная пленка нитрида кремния на поверхности подложки.
Следует отметить, что с увеличением толщины пленки нитрида кремния (свыше 1 мкм) в них возникают трещины. Наличие трещин — результат высокого значения модуля упругости нитрида кремния, различия в коэффициентах термического расширения кремния и нитрида кремния, а также следствие неоднородности структуры подложки и нитридной пленки.
Процесс осаждения пленок нитрида кремния проводят в кварцевой трубе, в которую подают смесь тетрахлорида с аммиаком. В качестве газа-носителя используют водород, аргон или азот. Скорость подачи смеси газа-носителя с реагентами выбирают равной (5н-4-10) 103 см3/мин.
Скорость осаждения пленки нитрида кремния зависит от температуры проведения процесса и соотношения между тетрахлоридом и аммиаком.
На рис. 9 приведена зависимость скорости осаждения пленки нитрида кремния от температуры для двух соотношений между тетрахлоридом и аммиаком.
Кроме тетрахлорида кремния для осаждения пленок нитрида кремния можно использовать галогенированные силаны типа "Hi-nSiXn, где X — галоген; п=1, 2, 3, 4. Реакция образования пленки нитрида кремния имеет вид
В качестве газов-носителей используют, как и в предыдущем случае, водород, аргон или азот. Температура проведения процесса осаждения для этих реагентов может быть снижена до 750— Э80°С. Скорость роста пленок нитрида кремния для этого процесса в большой степени зависит от технологических режимов.
Реакция взаимодействия силана с гидразином. Для осаждения яленок нитрида кремния вместо аммиака используют гидразин N2H4. Реакция в этом случае идет по следующей схеме:
SiH4 + N2H4 Si (NH)2 + ЗНг
2Si (NH)2 — (SiN)2 NH + NH3
3 (SiN)2 NH — 2Si3N4 + NH3
При использовании реакции взаимодействия аммиака с силаном температура осаждения пленок нитрида кремния не может быть ниже 750°С. Применение гидразина вместо аммиака позволяет снизить рабочую температуру процесса до 550°С,.так как гидразин разлагается при более низких температурах. Осаждение пленок проводят в кварцевой трубе, через которую пропускают газ-носитель и смесь силана с гидразином.
Рис. 9. Зависимость скорости осаждения пленок Si3N4 от температуры
На рис. 10 показана зависимость скорости осаждения пленок нитрида кремния от температуры для двух различных соотношений концентраций силана и гидразина.
Реакция взаимодействия тетрабромида кремния с азотом. Реакция осаждения нитрида кремния идет при температуре 950°С и имеет вид
Рис. 10. Зависимость скорости осаждения пленок S13N4 от температуры
На рис. 11 показана схема установки для проведения процесса нанесения пленок нитрида кремния на подложки с использованием рассмотренных реакций:
SiH4-T-NH3; SiCl4 + NHs; SiH4 + + N2H4; SiBr4 + N2.
Рис. 11. Схема установки для осаждения пленок SіNi:
1 — блок очистки водорода; 2 — источник SiCI4 или SiBr4; 3 — ротаметры; 4 — краны: 5 — выпуск избыточных газов; S — смесительная камера; 7 — пластины; 4 — нагреватель: 9 — рабочая камера
11. Реактивное катодное осаждение пленок нитрида кремния
Достоинство этого метода состоит в том, что реакция между кремнием и азотом происходит при комнатной температуре окружающей среды за счет энергии газового разряда, между анодом и катодом в рабочей камере.
Нанесение пленок нитрида кремния проводят в специальных установках катодного распыления при постоянном токе с холодным или горячим катодом.
Для проведения процесса катодного осаждения используют катод из высокочистого кремния в виде плоской пластины большого (80—120 мм) диаметра. Анодом служит подложка. При подаче на катод высокого напряжения (1-—3 кВ) в пространстве между анодом и катодом возникает аномальный тлеющий разряд, который ионизирует газ внутри рабочей камеры. Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в непосредственной близости около катода образуется настолько сильное электрическое поле, что образовавшиеся при разряде положительно заряженные ионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только дополнительные электроны (необходимые для поддержания разряда), но и атомы материала катода.
В течение этого процесса кремниевый катод постепенно разрушается. Поэтому в производственных условиях, когда процесс катодного распыления используется длительное время, катод подлежит замене после определенного срока службы.
Технологический процесс катодного осаждения пленок нитрида кремния включает в себя предварительную откачку воздуха из рабочей камеры с целью удаления имеющихся в воздухе загрязнений.
Откачку обычно проводят до давления 1,3· 10~3—1,3· 10~4 Па, а затем в рабочую камеру вводят смесь газов аргона и азота, предварительно очищенных от влаги и кислорода. Давление в рабочей камере при этом устанавливают равным 1,3—13 Па.
Азот, участвующий в процессе, является реактивным газом, а аргон используется для повышения эффективности процесса распыления. Требование по отсутствию кислорода в рабочей камере продиктовано тем, что кремний взаимодействует с кислородом значительно лучше, чем с азотом. Поэтому даже незначительное количество кислорода в рабочей камере приводит к образованию пленки диоксида кремния на поверхности подложки.
На процесс катодного осаждения оказывают влияние катодный ток и расстояние между анодом и катодом. При плотности катодного тока 0,2—0,8 мА/см2 и расстояния между анодом (подложкой) и катодом (пластина кремния) 2—5 см можно получить скорость осаждения нитрида кремния 0,01—0,05 мкм/мин.
Применение катода с поверхностью, большей или равной поверхности подложки, позволяет получать осажденные пленки нитряда кремния одинаковой толщины с разбросом, не превышающим 5%.
Реактивное ионно-плазменное осаждение пленок нитрида кремния является разновидностью катодного способа. Отличительной особенностью реактивного ионно-плазменного способа является то, что высокое отрицательное напряжение прикладывается не к катоду, а к дополнительному электроду, называемому мишенью. Отсюда следует, что и распыляемый материал (кремний) будет служить не катодом, а мишенью.
Второй отличительной особенностью является введение в рабочую камеру устройства для расположения подложек, на которые будет происходить осаждение нитрида кремния.
Третья особенность ионно-плазменного способа состоит в том, что в промежутке между подложкой и мишенью располагают анод и катод, между которыми создают несамостоятельный дуговой разряд. Для этого между анодом и катодом прикладывают напряжение порядка 100—300 В, а в рабочем объеме создают давление 0,13—0,013 Па. В этом случае катод эмитирует электроны, которые, взаимодействуя с рабочим газом, создают электронно-ионную плазму.
Положительные ионы плазмы бомбардируют кремниевую мишень и выбивают из нее атомы кремния. Выбитые из мишени, они реагируют с азотом, находящимся внутри рабочей камеры, и образуют нитрид кремния, который осаждается на подложке.
Таким образом, принципиальных различий между процессами катодного и ионно-плазменного осаждения нитрида кремния нет. Обычно различают лишь конструкции установок, которые характеризуют по числу рабочих электродов как двух- и трехэлектродные.
Начало и конец процесса осаждения пленок нитрида кремния определяются подачей и отключением высокого напряжения на мишени.
12. Контроль качества защитных диэлектрических пленок диоксида и нитрида кремния
При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 в процессах планарной технологии подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на границе раздела кремний — защитная пленка.
Толщина защитной диэлектрической пленки является главным критерием, определяющим максимальную глубину проникновения легирующей примеси в полупроводниковые кристаллы при проведении процесса диффузии в планарной технологии.
Наличие сквозных отверстий (пор) в защитной пленке приводит к паразитному легированию исходной подложки и замыканию отдельных активных областей транзисторных структур интегральной микросхемы при проведении процессов локальной диффузии.
Количество дефектов на границе кремний — защитная пленка связано с плотностью зарядов на этой границе. Увеличение плотности зарядов приводит к ухудшению электрических параметров готовых полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Таким образом, контроль рассмотренных характеристик защитных диэлектрических пленок позволяет оценить возможность их применения в последующих технологических процессах.
Контроль толщины защитных диэлектрических пленок. Толщина защитных диэлектрических пленок определяется с помощью следующих способов: микровзвешивания, интерферометрии и эллипсометрии.
Способ микровзвешивания основан на точном взвешивании подложки до и после осаждения пленки. Толщина пленки
где Pi — масса подложки без пленки; P2— масса подложки с пленкой; s — площадь пленки; d — плотность пленки.
Точность определения толщины пленки этим способом зависит в первую очередь от чувствительности весов и точности взвешивания, а также от точности определения площади пленки и ее плотности.
Цветовой метод определения толщины пленок
Наиболее простым из существующих интерференционных методов определения толщины пленок SiCb и S13N4 является цветовой. Он основан на гасящей интерференции белого света, падающего на поверхность подложки с защитной пленкой. Цвет поверхности пленки S1O2 или S13N4 создается равномерным белым светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции. Отсутствие некоторых компонентов спектра белого света в отраженной волне воспринимается глазом как определенный цвет защитной пленки. Падающая и отраженная волны являются дополнительными: вместе они дают белый свет.
При нормальном падении белого света на поверхность пластины с защитной пленкой условие гасящей интерференции имеет вид
где d — толщина пленки S1O2 или S13N4; з — коэффициент преломления пленки S1O2 или S13N4; k=l, 2, 3 — порядок интерференции; л — длина волны падающего света.
Таким образом, определенный цвет поверхности защитной пленки соответствует ее толщине, причем с увеличением толщины пленки один и тот же цвет повторяется с изменением порядка интерференции.
Следовательно, для определения действительной толщины необходимо не только зафиксировать цвет поверхности пленки, но и определить порядок интерференции.
Цвет поверхности пленки необходимо наблюдать и фиксировать при нормальном падении света, так как при косом падении света цвет пленки изменяется в зависимости от ее толщины и коэффициента преломления.
Порядок интерференции на практике определяют следующим образом. Пластину, например, с пленкой SiO2, одним концом опускают в плавиковую кислоту на 1—2 мин для получения слоя клиновидной формы. После этого наблюдают цвета как на однородной по толщине пленке S1O2, так и на клиновидном участке. На однородном участке пленки будет какой-либо один цвет, а на клиновидном имеет место чередование определенных цветов в зависимости от толщины пленки. По какому-либо одному повторяющемуся определенное число раз цвету полосы (например, красному или зеленому) судят о порядке интерференции.
Недостатком цветового метода является то, что определение цвета пленки зависит от индивидуальных возможностей и особенностей каждого человека.
Относительная ошибка цветового метода определения толщины пленки не превышает 10%.
Эллипсометрический метод измерения толщины пленок SiO4 и S13N4 основан на отражении линейно поляризованного луча от поверхности защитной пленки. При отражении учитывается тот факт, что компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, лежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна. Измерив эллиптичность отраженной волны, можно определить толщину пленки, вызвавшей соответствующие изменения поляризации падающей волны. Обычно для оценки толщины пленки, т. е. для оценки отраженной волны в эллипсометрическом методе, используются соотношения между фазой и амплитудой падающей волны и фазой и амплитудой волны, отраженной от поверхности пленки. В качестве источника света могут быть использованы лазеры.
Эллипсометрический метод позволяет наиболее точно измерить толщину пленки. Этот метод обычно применяется для измерения пленок, толщина которых на порядок меньше, чем допускают другие методы.
Контроль пористости защитных диэлектрических пленок
Наличие сквозных отверстий (пор) в пленках SiCb и Si3N4 является наиболее распространенным видом дефекта, который приводит к значительному браку при последующих операциях в планарной технологии. Поэтому требуется тщательный контроль пластин после операции осаждения защитных диэлектрических пленок.
Для определения пористости пленок используют методы электролитического осаждения меди, диффузионного легирования и электрографический.
Метод электролитического осаждения меди состоит в следующем. Пластину кремния с нанесенной пленкой SiO2 помещают в электролит, содержащий ионы меди. На эту пластину подают отрицательный потенциал. Положительный потенциал подают на медную пластину, которая находится также в электролите и служит вторым электродом. В процессе электролиза ионы меди осаждаются на кремний в тех местах, где имеются сквозные отверстия (поры). По количеству осажденных островков меди судят о качестве пленки, Под микроскопом определяют количество пор и их геометрические размеры.
Метод диффузионного легирования заключается в проведении диффузионного процесса примеси, создающего в исходном полупроводниковом материале противоположный тип электропроводности. После проведения процесса диффузии в тех местах пленки, где имели место сквозные отверстия, образуются локальные р-«-переходы (участки с противоположным типом электропроводности). Далее защитную пленку удаляют с поверхности подложки и по количеству локальных р-я-переходов судят о количестве пор в пленке.
Рассмотренные методы имеют существенный недостаток — они исключают возможность использования исследуемого образца в дальнейших технологических процессах.
Наиболее простым и достаточно эффективным неразрушающим методом контроля пористости, позволяющим точно и быстро определять местонахождение, геометрические размеры и плотность сквозных отверстий в пленках, является электрографический метод. Этот метод позволяет обнаружить сквозные отверстия диаметром до 0,1 мкм.
Методика проведения контроля пористости пленок состоит в наложении на поверхность пластины с пленкой фотобумаги, предварительно, смоченной в 3—4%-ном водном растворе гидрохинона. К пластине с фотобумагой прижимают два металлических диска-электрода, через которые пропускают электрический ток. Так как фотобумага, смоченная в растворе гидрохинона, является проводящей, то ток через нее будет проходить лишь в тех локальных местах, где имеются сквозные отверстия в пленке. Электрический ток, протекающий через поры в пленке, действует на эмульсию фотобумаги подобно световому потоку, образуя изображение в виде черных точек и островков.
Количество и размеры дефектов пленки определяют визуально под микроскопом.
Контроль качества дефектов на границе раздела кремний — защитная пленка. Для осуществления этого вида контроля изготовляют так называемые МДП-структуры (металл — диэлектрик—полупроводник). На поверхность защитной диэлектрической пленки осаждают слой металла.
На таких МДП-структурах измеряют вольтфарадные характеристики. По сдвигу между теоретической и экспериментальной вольтфарадной характеристиками можно непосредственно определить эффективную плотность поверхностных состояний, в которую входят плотность поверхностных состояний на границе полупроводник защитная пленка и заряд в пленке.
