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. 3 )

В таблице 1.4 приведены типовые значения операционных параметров для различных процессов ХОГФ при осаждении пленок SiO2.

Таблица 1.4.

Типовые значения операционных параметров для различных процессов ХОГФ

при осаждении пленок SiO2

Параметр	ПА ХОГФ	АД ХОГФ	САД ХОГФ	НД ХОГФ
Давление, Тор	1-10	760	50-700	<10
Температура, 0С	100-550	500	600	300-900
Тип активации	ВЧ-плазма	Термический	Термический	Термический

Примечание: АД ХОГФ - ХОГФ при атмосферном давлении; САД ХОГФ - ХОГФ при субатмосферном давлении; НД ХОГФ - ХОГФ при пониженном давлении.

1.1.2. Осаждение других плазменных оксидов.

Легирование диоксида кремния фосфором применяется для предотвращения растрескивания пленки, снижения температуры, при которой наблюдается растекание покрытия и в качестве источника примеси при высокотемпературной диффузии. Легированные фосфором оксидные пленки получаются осаждением в плазме из реакционной смеси PH3. Содержание фосфора в пленке определяется величиной отношения PH3/SiH4 и превышает 10 вес.% при значении отношения, равном 1,0.

Оксинитрид кремния SiOxNy(Hz) получается добавлением окислителя в газовую смесь для осаждения нитрида кремния. Пленки характеризуются улучшенной термостабильностью, устойчивостью к растрескиванию и пониженными внутренними напряжениями, обладают меньшей, чем оксид кремния, проницаемостью для влаги и других примесей. Наиболее равномерная толщина и наименьший разброс величин показателя преломления от пластины к пластине обеспечиваются при использовании смеси SiH4, NH3, N2O. Изменение отношения NH3/ N2O в пределах 2 - 5 позволяет получать пленки с показателем преломления 1,7 - 1,9. Добавление в качестве газа-носителя гелия уменьшает разброс значений показателя преломления по зоне осаждения.

1.1.3. Стимулированное плазмой осаждение нитрида кремния.

Для получения пленок нитрида кремния плазменным осаждением обычно используются исходные реагенты в виде силана и аммиака или азота и реакция протекает следующим образом:

SiH4 + NH3 (или N2)→ Six Ny Hz + H2.

Когда в качестве источника азота используют молекулярный азот, то из-за его значительно меньшей скорости диссоциации по сравнению с SiH4 нужен большой избыток азота (N2/SiH4 ≥ 102 - 103) в процессе, чтобы избежать образования обогащенной кремнием пленки. Аммиак, напротив, может диссоциировать многоступенчато с потреблением малой энергии, что обеспечивает формирование пленки активным азотом. Поэтому отношение N2/SiH4 может быть существенно ниже и находиться в диапазоне 5 – 20. В таблице 1.5 приведены значения энергии ионизации и энергии диссоциации для некоторых реакций, протекание которых в плазме тлеющего разряда сопровождается образованием нитрида кремния.

Таблица 1.5.

Значения энергии ионизации и энергии диссоциации реакций в процессах ПА ХОГФ Si3N4

Процесс ионизации	Энергия, эВ	Процесс диссоциации	Энергия, эВ
SiH4 → SiH3+ +H + e	12,2	SiH4 → SiH3 + H	4,07
SiH4 → SiH2+ +H2 + e	12,2	SiH → Si + H	3,09
NH3 → NH3+ + e	10,2	NH3 → NH2 + H	4,76
NH2 → NH2+ + e	11,4	NH2 → NH + H	3,90
NH → NH+ + e	13,1	NH → N + H	3,42
N2→ N2+ + e	15,57	N2 → 2N	9,83

Основными факторами, влияющими на скорость осаждения и равномерность пленки, являются ВЧ-мощность, расход газа и давление в камере. На рисунке 2 показана зависимость скорости осаждения и показателя преломления пленки нитрида кремния от ВЧ-мощности. Скорость осаждения почти прямолинейно возрастает с мощностью, потребляемой разрядом.

Рисунок 2. Влияние ВЧ-мощности на скорость осаждения и показатель преломления пленок нитрида кремния из смеси силана и аммиака при температуре 380 0С и давлении 2,3 × 102 Па.

Понижение давления при сохранении расхода газа повлечет уменьшение скорости осаждения. Введение в рабочую смесь инертного газа-носителя, например, аргона, вызывает снижение скорости осаждения вследствие падения концентрации реагентов, но при низком давлении оно может уменьшить разброс значений толщины пленки по рабочей зоне. Это связано с усилением диффузии реагентов к поверхности подложек и повышением эффективности передачи энергии электронов химически активным газам. При меньшем давлении возрастает коэффициент диффузии газов, что создает условия для протекания реакций, лимитируемых поверхностными процессами. Инертный газ может поглощать энергию электронов в разряде и переходить в возбужденное метастабильное состояние.

Метастабильные атомы через неупругие соударения могут передавать свою энгергию атомам химически активных газов (эффект Пеннинга). Этот процесс повышает плотность ионов и радикалов, генерируемых равномерно во всем объеме плазмы, что и улучшает равномерность осаждения.

Характер химических связей, образовавшихся в осажденной пленке, может быть определен по ее спектрам поглощения в ИК-диапазоне длин волн. Исследование спектра пленки Si3N4, осажденной при 300 0С, показывает содержание большого количества водорода в виде Si – H и N – H. Общее количество связанного водорода изменяется в зависимости от температуры осаждения и составляет, как правило, 18 – 22 ат.% в диапазоне температур 380 – 275 0С при осаждении из смеси силан – аммиак. При использовании вместо аммиака азота содержание водорода в пленке несколько меньше.

Величина отношения NH3/SiH4 влияет на то, с каким элементом – кремнием или азотом – оказывается преимущественно связан водород. Увеличение расхода SiH4 смещает распределение водорода в сторону связей Si – H. Величина показателя преломления пленки нитрида кремния, осажденной при различных уровнях мощности, лишь незначительно отклоняется от 2,04. Снижение расхода силана до значения отношения NH3/SiH4, равного 10, приводит к уменьшению показателя преломления до 2,0. Дальнейшее повышение отношения NH3/SiH4 снижает скорость осаждения и может повлечь ухудшение равномерности толщины пленки от пластины к пластине из-за обеднения смеси силаном.

В пленках Si3N4, полученных стимулированным плазмой осаждением, можно обнаружить значительное количество кислорода, связанного с кремнием, причем большие значения соответствуют меньшим температурам проведения процесса (100 0С). Предполагается, что большое количество О2 внедряется при низких температурах осаждения в результате десорбции влаги и кислорода с поверхности реакционной камеры. При более высокой температуре влага десорбируется со стенок и откачивается до начала осаждения. Наблюдаемые иногда в пленке следы углерода могут быть связаны с обратным потоком паров углерода из механических насосов или с влиянием графитовых электродов (с покрытием из SiC).

В общем случае пленки Si3N4 с наиболее близким к стехиометрическому составу (Si/N = 0,75) получаются в плазме при повышенных значениях мощности, температуры и отношения NH3/SiH4 и пониженном давлении. Отношение Si/N изменяется от 0,73 до 1,2 в зависимости от значений потребляемой мощности, температуры, давления, отношения реагентов.

При комнатных температурах пленки Si3N4 на кремниевых подложках обычно испытывают напряжения сжатия. Небольшое по величине напряжение сжатия желательно для предотвращения отслаивания или растрескивания пленок, особенно при термоциклировании приборов. Величина напряжений в пленках Si3N4 изменяется по параболическому закону с изменением состава, выраженного отношением Si/N. Подобная параболическая зависимость имеет место и для плотности пленки. Причины этой параболической зависимости остаются невыяснеными.

В таблице 1.6 сопоставлены свойства пленок нитрида кремния, полученных в плазме и традиционным методом осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении. Обращает на себя внимание низкая проницаемость термического нитрида. Хотя пленки Si3N4, полученные в плазме, более проницаемы для Na+ и других примесей, чем высокотемпературные, они широко применяются в качестве пассивирующих слоев.

Низкая температура осаждения, хорошие диэлектрические и механические свойства делают их пригодными для применения в качестве межслойного диэлектрика. Поскольку пленки Si3N4 более эффективно препятствуют миграции щелочных металлов и проникновению влаги, но менее эффективно противодействуют движению электронов, то в некоторых тонкопленочных структурах используются оба диэлектрика.

Однако использование нитрида и оксида кремния на активной площади ИС не практикуется из-за увеличения встроенного заряда и других побочных явлений, происходящих под действием ионной, электронной и фотонной бомбардировки при плазменном осаждении.

Таблица 1.6.

Свойство	Пленки, полученные высокотемпературным осаждением при атм. давлении и 900 0С	Пленки, полученные стимулированным плазмой осаждением при пониженном давлении и 300 0С
Состав	Si3N4	SixNyHz
Отношение Si/N	0,75	0,8 – 1,0
Плотность, г/см3	2,8 – 3,1	2,5 – 2,8
Показатель преломления	2,0 – 2,1	2,0 – 2,1
Диэлектрическая проницаемость	6 - 7	6 - 9
Напряженность электрического поля пробоя, В/см	107	6 106
Удельное сопротивление, Ом см	1015 - 1017	1015
Поверхностное сопротивление, Ом /□	>1013	1013
Внутреннее напряжение на кремниевой подложке, Н/м2 (при 23 0С)	(1,2 – 1,8) 109 растяжение	(1 - 8) 108 сжатие
Коэффициент термического расширения, 0С-1	4 10-6	(4 - 7)10-6
Перекрытие ступеньки	слабое	удовлетворительное
Проницаемость H2O	отсутствует	ничтожно мала
Термостабильность	высокая	разная при температуре > 400 0С
Глубина проникновения ионов Na+, нм	<10	<10
Количество ионов Na+, задерживаемое в верхнем слое толщиной 10 нм,%	> 99	> 99

1.1.4. Лабораторное задание