Способ формирования структуры полупроводник диэлектрик

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых (и/и) приборов и ИМС и может быть использовано на этапе формирования структуры и/и диэлектрик.Цель изобретения - повышение качества структуры путем уменьшения величины отрицательного заряда на границе раздела и/п-диэлектрик.Поставленцая цель достигается тем, что в способе формирования структуры и/и-диэлектрик до и,после нрнесения диэлектрической пленки пбФойф подвергают воздействию ультразвука частотой О,Е,6 кГц при акустическбм давлейии 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с.8 предлагаемом техническом решении повышение качества структуры пlп-диэлектрик обусловлено следующим.В планарной технологии диэлектрические слои имеют исключительно важное значение. Они применяются для разделения отдельных структур друг от друга в интегральных микросхемах, для изоляции проводящих слоев от кремниевой подложки, для создания многоуровневой разводки, как маскирующие покрытия при проведении процессов фотолитографии и диффузии. Поэтому очевидно, что качество диэлектрических пленок во многом определяет совершенство и надежностные характеристики и/и приборов и ИМС, изготавливаемых по ппанарной технологии, В процессе формирования в диэлектрической пленке возникают различного рода дефекты атомного размера, такие как Недостаток или избыток ионов кислорода в составе тетраэдров аморфной структуры двуокиси ионов кремния, посторонние примеси, насыщенные .связи на границе раздела Я - ЯОг и т.д.На поверхности кремниевой пластины после ее подготовки к окислению остается 2-3 монослоя различных газов (Н 2, М 2, С 02 и т.д,), при высокотемпературном осаждении пленки концентрация газов может стать достаточной для образования сквозных пор из-за диффузии отдельных пузырьков таза к поверхности растущей пленки.Структурные несовершенства поверхности кремниевой подложки после механической обработки и адсорбция ионов щелочных металлов и других загрязнений в результате химической обработки подложки являются источниками крупных дефектов в слое окисла. В частности, линейные дислокации служат стоками атомов неконтролируемых примесей, в первую очередь натрия, калия, меди. Вследствие того, что скорость диффузии в ненарушенном слое кристалла значительна, концентрация атомов примеси будет достаточной для прорыва диэлектрической пленки, и через образовавшуюся пору происходит испарение примесных атомов. Дислокация может переместиться в 5 другое место, что приводит к образованиюеще одной поры. Таким образом, чем выше концентрация неконтролируемой примеси, тем выше плотность пор. Оставшиеся после очистки Я подложек загрязнения препятст ауют росту однородной по толщине пленкиЯ 02 вследствие образования ловушек и .точечных проколов и могут стать центрами кристаллизации, Это вызывает отклонение от стехиометрического состава диэлект-: 15 рической пленки, ухудшается адгезия ккремнию, изменяется коэффициент термического расширения пленки, объемное и поверхностное сопротивление, т,е, происходит растрескивание, нарушается стабиль ность электрофизических характеристикприборов с окисной изоляцией. В результате формирования структуры и/и-диэлектрик в слое окисла образуется положительный заряд, и электроны в Я подложке концент рируются у поверхности и/и. Положительный заряд в окисле обусловлен щелочными ионами, вакансиями кислорода, избыточными ионами кремния, положительным зарядом, вызываемым реакциями на границе 30 раздела и/п-диэлектрик, зарядом, захваченным поверхностными ловушками в окисле, Донорные. примеси в кремнии при высокотемпературном окислении выталкиваются из окисла и концентрируются у по верхности кремния, а акцепторная примесьадсорбируется в окисле.Таким образом, на границе разделаи/п-диэлектрик индуцируется отрицательный заряд. Этот отрицательный заряд, на пример, в и/и и-типа проводимости, а в и/ир-типа образуется слой с инверсной проводимостью.Для и/и прибора, такого, как МОП-транзистор, поверхностная область или канал с 45 высокой плотностью индуцированных отрицательных зарядов, так образованных, оказывает отрицательное влияние на электрические характеристики р-и-перехода диода, транзистор или ИМС, образованных в и/и 50 подложке. Растут точки утечки р-п-перехода,и уменьшается пороговое напряжение.Таким образом, следует, что необходимо научитьвя управлять зарядом на границе раздела и/п-диэлектрик, который является 55 следствием термодинамически неравновесного состояния рассматриваемой системы.Предлагаемый способ формирования структуры и/и-диэлектрик дает возможность достаточно полно решить поставленную задачу.Сущностью изобретения является ввод новесное состояние и изменения плотности изгибных колебаний частотой 0,6-1,6 кГц поверхности заряда на границе и/и-диэлекпри акустическом давлении 0,1-0,2 Па в те- трик. Для решения поставленной задачи в чение времени 5-7 с сразу после химической этом случае требуется большая затрата вреобработки п/и подложки и после технологи мени и применение частоты изгибных колеческой операции осаждения диэлектриче- баний более 1,6 кГц, что нежелательно по ской пленки. причинам, рассмотренным выше.Выбор данного режима ввода изгибных Применение давления больше 0,2 Па колебаний сделан на основании экспери- при данном частотном диапазоне может выментальных результатов и объясняется сле звать сильный волновой удар по структуре и дующим, каждому материалу в частности, что, в своюВ кристаллической решетке кремния очередь, будетспособствоватьдополнительатомы кремния расположены регулярно. В номуобразованиюдефектов илокальных порезультатеподготовкиподложкикпроведе- лей уоругих напряжений в материалах нию технологической операции осаждения 15 полупроводника и диэлектрика.диэлектрической пленки в подложке, как Акустическое воздействиезаданнойчасбыло рассмотрено выше, образуется ряд татой и давлением в течение времени меньше микротрещин и дефектов. При окисленйи 5 с является малоэффективным для перехограница раздела 31-310 г, 51-31 зйа продвига- да системы дефектов в равновесное состоется в кремний, т.е. 9 прокисляется, периодич яние и снижения величины отрицательного ность кристаллической решетки нарушается, заряда на границе и/п-электрик.сйстема входит в термодинамически нерав- Воздействие частотой и давлением зановесное состояние, Использование изгиб- данного диапазона в течение времени ных колебаний частотой больше 1,6 кГц . больше 7 сможетпривестикзначительному может вызвать процессы, связанные с обра повышению температуры рассматриваемой зованием и развитием микротрещин. Вы- структуры и вызвать тем самым увеличение свобождаемая в результате роста трещинывязкости материалов и, таким образом, сниупругая энергия становится больше энер- жение модуляупругост.ьгии, расходуемой на разрыв межатомных Адсорбированные на поверхности связей (поверхностной энергии), и микро кремниевой подложки и сформированной трещина начинает стремительно расти, а на ней диэлектрической пленке ионов щеупругая энергия "стекает" к границам тре- лочных металлов и газов приводит к обращины, где возбуждает поверхностные вол- зованию отрицательного заряда на границе ны. При этом скорость роста трещины и/п-диэлектрик.можетбыть сравнимасоскоростью.рэлеев Ввод изгибных колебаний в подложку ской волны (3 км/с), это приводит к образо- кремния, а затем и в систему 51-3102 и Я- ванию сквозных микротрещин и выколов в Язй частотой диапазона 0,6-1,6 кГц влияет кремнии. на поведение атомов, адсорбированпых наПри использовании изгибных колеба-. поверхностикристалла,идаетвозможность ний частотой ниже 0,6 кГц в исследуемой 40 системе прийти в равновесное состояние. структуре и/и-диэлектрик возникает допол- Связь между такими ионами осуществляетнительный механизм диссипации и вяз- ся за счет обмена энергиями, приобретаекость ее возрастает, поскольку большая мыми дефектами в результате прохождения часть переносимой волной энергии превра- через структуру акустической волны, хотя щается в тепловую энергию. 45 взаимодействие между ними мало и носитТаким образом, кмеханизмамувеличе- характер притяжения. Таким образом, ния теплоемкости структуры 81-3 Юг, Я- ввод в структуру изгибных акустических 31 зй 4(шероховатость поверхности, влияние колебаний заданного диапазона частот кристаллической анизотропии и т.п.) при- вызывает десорбцию загрязняющих ионов бавляется еще механизм, связанный с ис с поверхности,чтосопровождаетсяуменьшепользованием колебаний низкой (нижв кием величины отрицательного заряда на 0,6 кГц) частоты. В результате происходит границе раздела кремний-двуокись кремния уменьшение модуля упругости структуры и или изменением знака заряда. В технолодисперсия скорости распространения аку- гии формирования структур и/и-диэлектстических колебаний, связанная с большим 55 рик традиционные методы десорбции коэффициентом затухания ультразвука. загрязняющих примесей малоэффективны.Выбор давления в диапазоне 0,1-0,2 Па Способ поясняется графиками на фиг,1, обусловлен следующим. Использование 2 (кривые 1-12) для диэлектрических пленок давления ниже 0,1 Па является недостаточ- ЗЮг и Язй 4, сформированных на 3 подложным для перехода системы дефектов в рав- ках и- и р-типа проводимости, где приведена зависимость плотности поверхностногозаряда на границе раздела и/и-диэлектрикот частоты вводимых изгибных колебаний,На фиг.1 кривые 1-3 отражают зависимостьдля структуры р-типа 31-3102 при воздействии акустическим давлением Р 1 = 0,1 Па;Р 2 = 0,15 Па и Рз = 0,2 Па соответственно,кривые 4-6 - зависимость плотности поверхностного заряда от частоты изгибныхколебаний при акустическом давлении Р 1 == 0,1 Па, Р 2 = 0,15 Па, Рз = 0,2 Па для структуры и-типа кремний - 3102. На фиг.2 кривые 7-9 показывают зависимость плотностиповерхностного заряда на границе р-типакремний - Яза при акустическом давленииР = 0,1 Па, Р 2 = 0,15 Па, Рз = 0,2 Па соответственно, кривые 10-12 - зависимость плотности поверхностного заряда на границеи-типа кремний - 31 зй 4 при акустическомдавлении Р = 0,1 Па, Р 2 = 0,15 Па, Рз = 0,2Па соответственно,Перечисленные существенные отличияприводят к переходу системы дефектов вравновесное состояние, вызывает десорбцию загрязняющих ионов с поверхности, чтосопровождается уменьшением величины отрицательного заряда на границе разделакремний - диэлектрик или изменением знака заряда и соответственно приводят кповышению качества структуры и/и-диэлектрик. Это создает возможность широкого применения данного способа наэтапе формирования структуры и/и-диэлектрик.В качестве подложек использовалисьпластины кремния КДБориентации (100)и КЭФ,5 ориентации (100) диаметром100 мм. Перед формированием диэлектрической пленки 3102 и 31 зй 4 проводили химическую обработку поверхности подложки помаршруту функционирования микросхемК 565 РУ 5.Химическая очистка поверхности включала:1. Гидромеханическую отмывку. Проводилась обработка подложек в смеси КАРО(1,5 л Н 202 и 3,5 л Н 2304) в течение 3-5 минпри температуре смеси Т = 120-170 С. Температура воды для отмывки Т = 65+5 ОС, Отмывка осуществлялась в течение 2 мин вгорячей воде и 6 мин в каскадах холоднойводы.2. Обработку в ПАР М 4 (вода деионизованная 27 л, аммиак водный 9 л, перекисьводорода 9 л, 1 ч, оксиэтилидендифосфоновая кислота, 1 ч, этилендиаминтетрауксусная кислота), Температура раствора Т=65+ 5 С, время обработки 10 мин. Температура воды для промывки Т = 65+5 С, 2-3окунания в течение 2 мин.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 3. Отмывку и сушку на центрифуге: отмывка при скорости вращения центрифуги 500-700 об/мин в течение 120-140 с, сушка при скорости центрифуги 1200-1400 об/мин в течение 220-240 с.После химической обработки подложек проводили проверку чистоты поверхности. Далее подложки и- и р-типа проводимости подвергались воздействию акустических колебаний частотой 0,6-1,6 кГц при давлении 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с. Конкретная реализация ввода в полупроводник изгибных колебаний осуществлялась на установке Ввода колебаний (Электронная техника, сер,З, микроэлектроника, вып.1, 1989), состоящей из блока закрепления пластины, генераторов ГЗи ГЗ, осциллографа С 1-68, частотомера электронно-счетного ЧЗ - 34 А и цифропечатающего устройства Ф 5033 К.После ввода изгибных колебаний заданного режима на подложках формировали диэлектрические пленки 3102 и 31 зй 4 Осаждение диэлектрической пленки Я 02 осуществлялось на установке "Оксид М" сухим окислением при температуре Т = 850+ 5 С и суммарном давлении Р = 50+ 3 Па. Использовался пар 5 раствора НС 1 и пар 02 (160 л/ч), Толщина пленки 3102 составляла0,8 мкм и определялась на толщинометре МРЧ-ЯР фирмы Е 1 ТЕ неразрушающим способом.Осаждение диэлектрической пленки 31 зК 4 осуществлялось на установке "Лада" с горизонтальным трубчатым реактором и горячими стенками. Использовался вакуумный агрегат ЯЯЧфирмы А САТЕЕ. Величина давления в реакторе поддерживалась путем подачи регулярного потока азота на вход насоса. Загрузка-выгрузка бесконтактная консольного типа, Использовался дихлорсилан (Я 1 Н 2 С) и аммиак электронного класса чистыми ТУ-17-27-515-89. Величина суммарного давления при осаждении 31 зй 4 составляла Р = 50+3 Па. Температура осаждения Т = 815+55 С. Толщина осаждаемой пленки составляла - 0,8 мкм и определялась на толщинометре МРЧ-ЯР фирмы 1.Е 1 Т 2 неразрушающим способом.После формирования диэлектрической пленки 3102 и 31 зй 4 в структуру и/и-диэлектрик вводили акустические колебания частотой 0,6-1,6 кГц при акустическом давлении 0,1-0,2 Па в течение 5-7 с.Величина поверхностного заряда на границе раздела и/п-диэлектрик определялась путем измерения С-Ч-характеристик на измерителе емкости 4061 А.Примеры конкретной реализации способа формирования структуры и/и-диэлектрик приведены в таблице.Приведенные примеры иллюстрируютпредлагаемый способ формирования струк.турц и/и-диэлектрик. (31-3102 и 31-31 й).В таблице примеры 1-5 показывают изменение плотности поверхностного заряда 5на границе раздела и/п-диэлектрик, где вкачестве и/и использована кремниеваяподложка р-типа проводимости, а диэлектрика - пленка Я 02. Ввод в структуру иэгибныхколебаний проводили частотой 0,6-1,6 кГц 10при давлении Р = 0,1 Па, Р 2 "0,15 Па, Рз ==0,2 Па в течение 5-7 с, Прототип приведенв примере 6, Время воздействия акустиче. ских колебаний практически определяетсяприменяемой частотой изгибных колебаний: большей частоте требуется меньшеевремя воздействия.Из примеров 1-5 и кривых 1-3 видно, чтодля подложки кремния р-типа проводимости на которой сформирована диэлектрическая пленка 3102, величина отрицательногозаряда на границе раздела и/и-диэлектрик значительно уменьшается при воздействии акустических колебаний на подложкуи на структуру в целом по сравнению с прототипом. При конкретном режиме ввода изгибных колебаний частотой 1=0,98 кГцпри давлении Р=0,2 Па в течение 6 с зарядпереходит через ноль и изменяет свой знак,т,е, становится положительным и равным - 301,5 х 10 см при 1 = 1,6 кГц, Р = 0,2 Па, т ==5 сПримеры 7-11 в таблице и кривые 4-6показывают изменение величины отрицательного заряда на границе раздела и/и-диэлектрик, где в качестве и/и использованкремний и-типа проводимости, на которомформировали пленку 3102, в зависимостиот режимов воздействия акустическими колебаниями по сравнению с прототипом 40(пример 12). Для данной структуры приповерхностная область и/и характеризуетсябольшей величиной отрицательного зарядаввиду и-типа проводимости. Поэтому награнице раздела 31-3102 после ввода изгибных колебаний величина отрицательного заряда изменится в меньшей степени(до,0 х 10 см ) посравнениюс результатами, полученными по структуре 31 р-типапроводимости - 3102. Плотность поверхностного заряда на границе 31-3102 для и-типакремния будет равна нулю при акустическом воздействии частотой 5 = 1,1 кГц придавлении Р = 0,2 Па в течение 6 с,Примеры 13-17 в таблице и кривые 7-9 55характеризуют плотность поверхностногозаряда на границе раздела Р-типа кремнийпленка 31 зй 4 в результате акустического воздействия в сравнении с прототипом (пример 18), В данной системе воздействие изгибными колебаниями не приводит к изменению знака поверхностного заряда на границе раздела, однако наблюдается значительное снижение его величины, Оптимальными режимами акустического воздействия являются: 1 - 0,98 кГц при акустическом давлении Р = 0,2 Па в течение т -6 с, что дает плотность пове 5 рхностного отрицательного заряда 6,5 х 10 см (знак "плюс" означает, что заряд отрицательный), Для рассматриваемой структуры р-31 зй 4 в прототипе ве- личина поверхностного заряда составляет 1,2 х 10 см, что значительно хуже.Примеры 19-23 в таблице и кривые 10-12 иллюстрируют результат акустического воздействия на структуру и-31 зй 4. Данная структура характеризуется большой степенью отрицательности заряда на границе раздела, поэтому, как видно из примеров, ввод изгибных колебаний не приводит к изменению знака заряда на границе, а способствует лишь незначительному уменьшению его величины. Однако полученный результат при оптимальном режиме 1 = =0,98 кГц, Р=02;т=бс, равный 1,0 х 10 см 2, по сравнению с прототгпом (4,0 х 10 см ) значительно лучше. Из таблицы видно, что при выборе режима ввода изгибных колебаний за пределами указанного диапазона практически не наблюдается уменьшения величины отрицательного поверхностного заряда на границе и/п-диэлектрик,Таким образом, приведенные в таблице и отображенные кривыми 1-12 результаты показывают, что предлагаемый способ формирования структуры и/и-диэлектрик позволяет значительно уменьшить плотность поверхностного отрицательного заряда на границе раздела и определяет оптимальные режимы обработки и/и подложки и структуры и/и-диэлектрик изгибными колебаниями для каждого конкретного типа полупроводника и диэлектрической пленки, Экспериментально полученные результаты представлены в сравнении с прототипом, Сравнительный анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что ввод изгибных колебаний в и/и подложку, а затем и в сформированную структуру значительно уменьшает величину поверхностного отри-. цательного заряда в сравнении со щелочной обработкой подложки в прототипе и при конкретных режимах акустического воздействия изменяет знак заряда (заряд становится положительным), что, в свою очередь повышает качество структуры,Я 02 Р=,0,1 Па Я 02 Р =0,15 Па Р=0,2 Па и-Я Я 02 1=0,2 кГц Р=0,1 Па 10 1=8 с Р =0,15 ПаР=02 Пэ Тип подложки Тип диэлектрической пленкиПараметры обработки Р,1 ПаР =0,15 ПаР=0,2 ПаР=0,1 ПаР=0,15 ПаР=0,2 ПаР=О,1 ПаР =0,15 Па Р=0,1 ПаР =0,15 ПаР=О,2 ПаР=0,1 ПаР =0,15 ПаР=02 Па 1, Обрабатка подложкив щелочной среде 2. Формирование пленки Я 02 толщиной0,8 мкм Р =0,1 ПаР =0,15 Па Р =0,2 Па Р,1 Па Р =0,15 Па Р =0,2 Па Плотность поверхности эаряда на границе и/и 01,0 х 101,0 х 101797411 Продолжение таблицы рическойпленки ряда на Границе и/и диэлектрик,Р= 0,1 ПаР =0,15 ПаР=0,2 Па 2,0 х 10 1,5 х 10 - 2,3 х 10 и31 О 2 1=1,8 кГц С=4 сР,1 ПаР =0,15 ПаРПа 91 зй 4 Пример Тип подложки Тип диэлект-Параметры обработки 1. Обработка подложки в щелочной среде2. Формирование пленки 3102 Р -0,1 ПаР=0,15 ПаР=0,2 ПаР =0,1 ПаР=0,15 ПаР=02 ПаР =0,1 ПаР =0,15 ПаР =0,2 ПаР-О,1 ПаР =0,15 ПаР=0,2 Па 1. Обработка подложки в щелочной среде 2, Формирование пленки31 зй 4 толщиной фф 0,8 мкм Плотность поверхности за 3,1 х 102,3 х 101,8 х 101,9 х 106,5 х 101,5 х 106,3 х 102,5 х УР1,5 х 101029,8 х 106,9 х 1026,5 х 107,5 х 101797411 15 я К-ТФормула изобретениСПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТР ТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИК - ДИЭЛЕ РИК, включающий нанесение диэлект ческой пленки на . химичес обработанную кремниевую подложку или р-типа проводимости, отличдющ ся тем, что, с целью повышения каче Продолжение таблицы ва структуры путем умень ны отрицательного заряд раздела полупроводник-ди после нанесения диэлектр ки подложку подвергают5 изгибных колебаний частокГц при акустическом да 0,2 Па в течение 5 - 7 с. шения величиа на границе электрик, до и, ической плен-воздействию той 06 - 1,6 влении 0;1