9.2 Отримання шарів оксиду і нітриду кремнію

 

У виробництві напівпровідникових ІМС важливу роль відіграють шари оксиду і нітриду кремнію, які мають маскуючі, діелектричні, ізолюючі і захисні властивості. В конструкції напівпровідникових ІМС ці шари використовують для ізоляції елементів, як діелектрик підзатвора в МДН-транзисторах і діелектрик в МДН-конденсаторах, як підкладка для розміщення контактних площадок і внутрішньосхемних з'єднань з металевих плівок, для міжшарової ізоляції розведення і захисту кристалів.

У технології виготовлення напівпровідникових ІМС головне призначення шарів і – створення маски, необхідної при локальному обробленні напівпровідникових пластин. Крім того, шари використовують як джерело домішок при легуванні напівпровідників.

Отримання шарів і , спільно з літографією складають основу планарної технології ІМС.

Методи отримання шарів. За участю поверхні початкової напівпровідникової пластини в утворенні з'єднання методи отримання шарів оксиду кремнію поділяють на дві групи:

  •  методи, засновані на хімічній реакції при взаємодії матеріалу пластини з окислювачем;
  •  методи, засновані на формуванні окисної фази при поставці готових кремнієкисневих асоціацій із зовнішнього середовища.

    У планарній технології частіше всього використовують (або можливе використовування) таких методів:

  •  термічне окислення кремнію;
  •  осадження оксиду кремнію за допомогою піролізу силанів;
  •  анодне окислення в розчинах електроліту;
  •  окислення в тліючому розряді (низькотемпературній кисневій плазмі), плазмохімічне осадження;
  •  осадження оксиду за допомогою хімічних реакцій перенесення;
  •  реактивне катодне розпилювання кремнію;
  •  окислення пористого кремнію.

    Кожний з перерахованих методів має певні переваги і недоліки при використовуванні його у виробництві напівпровідникових структур.

    Так, наприклад, піроліз силанів, реактивне розпилювання і реакції перенесення дозволяють одержувати оксидні шари не тільки на кремнії, але і на інших матеріалах, що може бути використане в планарних германієвих приладах, а також в приладах на основі з'єднань АВ. Методи низькотемпературного окислення і реакції перенесення застосовують для створення пасивувальних шарів на структурах з рельєфом, анодне окислення — для створення шарів легованого оксиду, що дозволяє здійснювати дифузію з таких шарів. Для пасивації структур різної геометрії можна застосовувати також реактивне напилення.

    Піроліз силанів використовують в планарній технології на кремнії для отримання товстих шарів оксиду при низьких температурах, коли термічне окислення неприйнятне через істотну зміну параметрів дифузійних шарів при температурах окислення. Такі шари необхідні в спеціальних типах транзисторів, зокрема в НВЧ-транзисторах, для зменшення сумарної ємності колектора, значний внесок в яку вносить ємність контактних площадок, розташованих на оксиді.

    Найчастіше застосовують два методи: піроліз в потоці газу-носія і вакуумний піроліз.

    При піролізі, в потоці газу газ-носій, проходячи через, барботер, захоплює пари силану і надходить в реакційну камеру, яка являє собою кварцову трубу, поміщену в піч з температурою, достатньою для розкладання силану. Звичайно використовують тетраетоксисилан, що розкладається при 700°С. При розкладанні утворюється оксид кремнію, який осідає на поміщені в робочу зону печі кремнієві пластини. Цей метод дає найдоскональніші за структурою шари, проте він дуже критичний до підбору швидкості газу-носія, конструкції утримувачів пластин й самої системи. Це пояснюється тим, що досить важко одержати ламінарний потік без завихрень, що дає рівномірні плівки по всій площі осадження. Крім того, зона, в якій розкладання силану не приводить ще до помітного зниження його концентрації в потоці, звичайно менша зони з постійною температурою в печі, а збільшення цієї зони за рахунок більшої швидкості потоку також приводить до нерівномірності плівок за товщиною через появу завихрень у утримувача з пластинами.

    У тих випадках, коли рівномірність шару оксиду за товщиною є головною вимогою, застосовують вакуумний піроліз. Система отримання шарів при вакуумному піролізі аналогічна розглянутій, різниця лише в тому, що реакційна камера відкачується, а пари силану в контрольованій залишковій атмосфері подаються в систему через натікач. При цьому пари рівномірно розподіляються по всьому об'єму реакційної камери і дають рівномірне осадження в зоні з постійною температурою. Трудність методу полягає в створенні контрольованої атмосфери у відкачуваному об'ємі. Поява неконтрольованих забруднень різко погіршує якість одержуваних цим методом шарів.

    Термічне окислення —найбільш поширене в планарній технології за кремнієвим методом, при якому шари оксиду одержують шляхом відпалу пластин в окислювальній атмосфері. Метод заснований на високо-температурних реакціях кремнію з киснем або кисневмісними речовинами. Термічне окислення вигідно відрізняється від інших методів технологічністю отримання високоякісних шарів. Оксидні шари досконалі за рівномірністю товщини і за структурою і мають високі діелектричні властивості. Застосування планарної технології на кремнії дає можливість поєднувати термічне окислення з процесом перерозподілу домішки (друга стадія дифузії), оскільки обидва ці процеси в більшості випадків можуть здійснюватися при одній і тій же температурі, вибраній з урахуванням вимог до дифузійних шарів.

    Є два основні різновиди методу термічного окислення кремнію: а) високотемпературне окислення в атмосфері сухого кисню або зволожених газів (кисню, азоту, аргону), а також водяної пари при атмосферному тиску; б) окислення в парах води при високому тиску і температурі 500 –800? С.

    Процес термічного окислення відбувається в три стадії:

    а) адсорбція окислювача на поверхні початкової пластини, покритої оксидом;

    б) перенесення окислювача через оксидний шар;

    в) реакція окислювача з кремнієм на межі поділу кремній – оксид кремнію.

    Отримання шарів . Подальше вдосконалення методів нанесення захисних шарів на пластини кремнію визначається такими основними завданнями:

  •  освоєнням нових матеріалів, що мають кращі в порівнянні з термічним оксидом властивості;    
  •  заміною процесу утворення шарів за рахунок матеріалу пластини процесами нанесення або осадження;    
  •  зменшенням температурної дії на пластину в процесі нанесення на неї захисного шару.

    Одним з перспективних матеріалів для захисту напівпровідникових структур на основі кремнію і їх ізоляції є нітрид кремнію .

    Для отримання шарів нітриду кремнію використовують різні методи:

  •  осадження продуктів при протіканні реакцій взаємодії третра-хлориду або силану – кремнію з аміаком або гідрозіном і тетраброміду кремнію з азотом;
  •  нанесення реактивним катодним розпилюванням, високочастотним реактивним розпилюванням, плазмохімічним осадженням кремнію в присутності азоту.

    З методів, заснованих на хімічних реакціях, найбільше застосування одержало осадження шарів при взаємодії силану з гидразіном . Нанесення здійснюють в кварцовій трубі, через яку пропускають водень, насичений гідразіном з добавками силану, при температурі 550950°С.

    Високочастотне реактивне розпилювання засновано на розпилюванні в плазмі азоту атомів кремнію при бомбардуванні кремнієвої мішені іонами азоту і подальшої хімічної реакції. Його перевага перед реактивним катодним розпилюванням полягає в тому, що шари нечутливі до наявності в камері оксигену.

    У порівнянні з шарами шари нітриду кремнію внаслідок вищої густини і термостійкості мають кращі маскувальні і захисні властивості в меншій товщині (менше 0,2 мкм). При цьому можна одержати і менші розміри елементів. Шари можна наносити у багато разів швидше (до 10 нм/хв), ніж шари , і при нижчих температурах. Крім того, електрична міцність шарів вища, ніж шарів , і досягає 10 В/см, діелектрична проникність складає 6 – 9. Шари застосовують як самостійно, так і в поєднанні з шарами .