Лабораторная работа № 4 Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники (стр. 2 )

Пленки, осаждаемые в процессах ПА ХОГФ, имеют тенденцию к меньшему размеру зерна или даже к аморфной структуре по сравнению с пленками, полученными в термоактивироваппых процессах ХОГФ, а также содержат определенное количество примесей, таких как водород в пленках SiO2, осаждаемых в процессе SiH4/O, углерод в пленках SiO2, осаждаемых в процессе (ТЕOS/O2), и атомы фтора в пленках W, осаждаемых в процессе WF6/H2.

Концентрация примесей в осаждаемых пленках зависит от скорости подачи реагента, содержащего примесь, энергии и интенсивности ионной бомбардировки подложки и температуры подложки в процессе осаждения. Для уменьшения концентрации примесей следует снизить расход реагента, содержащего примесь, увеличить расходы сопутствующих газов, повысить мощность плазменного разряда (ВЧ мощность) и температуру осаждения (температуру подложки в процессе осаждения).

Ионная бомбардировка в процессах ПА ХОГФ всегда способствует уплотнению структуры осаждаемых пленок и развитию в них сжимающих напряжений. В результате свойства пленок (их состав, плотность, показатель преломления, равномерность, внутренние напряжения, скорость травления, скорость осаждения пленок), осаждаемых в процессах ПА ХОГФ, зависят не только от стандартных операционных параметров, таких как давление, расходы реагентов и температура осаждения, но и от частоты и мощности плазменного разряда, напряжения автосмещения, межэлектродного расстояния, покрытия и геометрии внутренних поверхностей реактора. Поэтому ПА ХОГФ пленки трудно сравнивать между собой без знания геометрии разрядной системы и условий плазменного разряда.

Из-за низкого давления покрытие и заполнение топологического рельефа в процессах ПА ХОГФ хуже, чем в термоактивированных процессах ХОГФ, протекающих при атмосферном и субатмосферном давлении. Покрытие и заполнение рельефа в плазмоактивированных процессах зависит от напряжения автосмещения, которое притягивает заряженные ХАЧ ко дну рельефа и обеспечивает преимущественное физическое распыление материала с боковых стенок рельефа.

Основным ограничением процессов ПА ХОГФ является электрический заряд, вносимый в осаждаемую пленку, и эффекты зарядки структур ИМС, которые могут приводить к пробою тонких пленок подзатворных диэлектриков и деградации характеристик МОП транзисторов. По этой причине, чем ближе обработка находится к транзисторной структуре, тем более осторожно в технологии ИМС используются процессы ПА ХОГФ.

1.1.1. Стимулированное плазмой осаждение диоксида кремния.

О возможности осаждения диоксида кремния в плазме тлеющего разряда было сообщено еще в 1965 году. В качестве исходных реагентов при этом обычно используются силан и закись азота или кислород:

SiH4 + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2H2 .

В качестве источника кремния может служить также тетрахлорсилан, тетраэтоксисилан, а в качестве окислителя в процессах специального назначения – диоксид углерода. Однако применение этих реагентов ограничено необходимостью более высоких температур для получения качественных пленок и возможностью загрязнения пленок хлором и углеродом.

На рисунке 1 показано влияние мощности разряда на скорость осаждения пленки SiO2 из смеси силана, закиси азота, кислорода с небольшим количеством аргона в качестве газа-носителя. В качестве основного окислителя используется закись азота, препятствующая зародышеобразованию в газовой фазе и связанному с этим загрязнению подложки. При работе только с N2O скорость осаждения SiO2 в конце реактора выше, чем в начале. Кислород же, наоборот, обеспечивает более высокую скорость в начале реактора. Таким образом, подбором отношения N2O/O2 можно добиться равномерной скорости осаждения по всей длине рабочей зоны.

В пленке SiO2, осажденной в плазме, с помощью метода оже-спектрометрии обнаружено содержание кроме кремния и кислорода небольшого количества азота, источником которого является N2O.

Рисунок 1. Влияние ВЧ-мощности на скорость осаждения диоксида кремния в разряде из смеси силана, закиси азота, кислорода и аргона при 380 0С.

Изменение величины отношения N2O/SiH4 влияет на показатель преломления пленок. При меньших значениях отношения показатель преломления увеличивается из-за захвата большого количества азота и образования обогащенной кремнием пленки. Значение показателя преломления менее 1,5 может быть достигнуто при величине отношения N2O/SiH4 более 55, но равномерность толщины пленки по длине продольного реактора при таких соотношениях реагентов снижается.

Пленки диоксида кремния с близким к стехиометрическому составом и показателем преломления 1,46 могут быть получены в плазме из смеси силана с кислородом. При этом необходимы низкая температура осаждения, низкий уровень мощности и высокий расход газа-носителя для предотвращения образования частиц в газовой фазе и их высаживания на кремниевых подложках. В этих условиях трудно добиться приемлемой равномерности толщины пленки в зоне осаждения продольного реактора.

Степень стехиометричности и плотность пленок диоксида кремния могут оцениваться по их скорости травления в буферном травителе. Пленки, полученные при меньшей температуре и большем отношении N2O/SiH4, имеют обычно более высокую скорость травления. Величина ВЧ-мощности и давления в пределах, указанных на рисунке 1, не сказывается на скорости травления пленок и на их показателе преломления. В таблице 1.2 представлены условия осаждения и некоторые свойства пленок диоксида кремния, полученных плазменным осаждением, термическим окислением и низкотемпературным пиролизом.

Таблица 1.2.

Сравнение свойств пленок диоксида кремния, полученных различными способами

Метод	Окислитель/SiH4	Температура, 0С	Состав согласно оже-анализу	Показатель преломления	Скорость травления в буферном травителе, нм/с
Плазменное осаждение SiH4 + O2	3	300	-	1,46	4,5
SiH4 + N2O+O2	55	300	SiO1,94 N0,06	1,5	3
SiH4 + N2O+O2	55	380	SiO1,94 N0,06	1,5	2,4
SiH4 + N2O+O2	36	380	SiO1,91 N0,1	1,52	1,9
Термическое окисление	-	900	SiO2	1,46	1,7
Низкотемпературное осаждение SiH4 + O2	1,5	450	SiO2	1,46	6

В оксидных пленках, осажденных в плазме, содержится также 5 - 10 ат.% водорода в виде SiH, SiOH, и H2O. Общая концентрация водорода в пленках SiO2 сильно зависит от температуры осаждения, причем большим температурам соответствует меньшая концентрация водорода.

В большинстве случаев пленки диоксида кремния, сформированные на кремниевых подложках, испытывают при комнатной температуре напряжения сжатия. Величины напряжения, изменяющиеся в диапазоне 0,1 - 4 × 108 Н/м2, зависят главным образом от температуры подложки и скорости осаждения. Частота ВЧ-генератора также может сказываться на напряжениях в пленке, при чем повышение частоты смещает напряжение в сторону растягивающих. В таблице 1.3 сведены значения показателя преломления и напряжений в пленках, полученных в различных условиях.

Электрические свойства пленок, такие, как напряжение пробоя и величина диэлектрической проницаемости, также зависят от условий осаждения. В пленках толщиной 120 нм, полученных при температуре 150 - 250 0С, напряженность поля пробоя составляет (4 – 8) × 106 В/см.

В зависимости от величины отношения N2O/SiH4 диэлектрическая проницаемость на частоте 1 кГц изменялась от 4 до 10, причем значения 4 – 5 получаются для пленок без избыточного содержания кремния. Плотность поверхностного заряда для плазменных оксидных пленок обычно высока (1012 см-2 эВ-1), что, по-видимому, связано с воздействием ионизирующего облучения в процессе осаждения. Для уменьшения плотности поверхностных состояний после осаждения используется отжиг структур в формир-газе (смесь N2 – H2) при температуре 350 0С.

Таблица 1.3.

Значения показателя преломления и напряжений в пленках,

полученных в различных условиях.

Тип пленки	N2O/SiH4	Условия осаждения	Показатель преломления	Внутренние сжимающие напряжения, Н/м2
Температура, 0С	Давление, Па	Скорость осаждения, нм/мин
Диоксид, осажденный в плазме	65	200	1,3 102	28	1,47	0,5 . 108
65	300	1,3 102	32	1,47	0,5 . 108
65	300	52	60	1,54	2 . 108
25	380	86	35	1,51	1,1. 108
10	800	13	5	1,46	-
Термически выращенный диоксид	-	1000	105	-	1,46	2,5 . 108

Перекрытие ступенек рельефа, достигаемое с помощью плазменных пленок диоскида кремния и нитрида кремния, может изменяться от удовлетворительного до совершенно неприемлемого. Хорошее перекрытие возникает при равномерной концентрации реагентов на поверхности, устанавливающейся за счет быстрой миграции адсорбированных частиц, тогда как плохое перекрытие связывается с отсутствием существенной миграции этих частиц. В общем, для целого ряда применений в технологии ИС степень перекрытия можно рассматривать как удовлетворительную; кроме того, она превосходит перекрытие, характерное для некоторых других низкотемпературных покрытий.