Способ осаждения тонких пленок SiGe

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Наливайко Олег Юрьевич Солодуха Виталий Александрович Комаров Фадей Фадеевич Лепешкевич Геннадий Вольдемарович Пшеничный Евгений Николаевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ осаждения тонкой пленки , включающий загрузку полупроводниковых подложек с оксидом кремния в камеру осаждения, подачу моносилана в камеру осаждения и осаждение зародышевого кремниевого слоя, подачу в камеру осаждения моносилана и моногермана и осаждение основного слояна зародышевом слое, отличающийся тем,что осаждение зародышевого и основного слоев проводят при температуре 550-560 С и давлении от 0,05 до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а основной - от 5 до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. . Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к технологии осаждения пленокиз газовой фазы при пониженном давлении, и может быть использовано при создании элементов памяти ЭСППЗУ. Пленкииспользуются в различных микроэлектронных устройствах. В таких устройствах, как гироскопы, акселерометры, микрозеркала, резонаторы поликристаллические пленкиобычно имеют толщину от 3 до 12 мкм и осаждаются с высокими скоростями (более 50 нм/мин) 1. Пленкис низким удельным сопротивлением для формирования затворных электродов обычно осаждаются со скоростями примерно от 5 до 15 нм/мин. Одним из перспективных направлений использования пленокявляется создание нанокристаллов , внедренных в матрицу 2, путем термического окисления пленок 2. В этом случае используются очень тонкие (10-30 нм) пленкис содержаниемдо 20 ат. , в связи с чем возникает необходимость разработки процессов осаждения пленокс очень низкими скоростями осаждения. Известен способ осаждения пленокна подложке 1, включающий осаждение на подложку первого слоя поликристаллическогометодом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) при пониженном давлении при первой температуре ниже или равной примерно 520 и осаждение на первый слой второго слоя поликристаллическогометодом ХОГФ с плазменной активацией процесса осаждения при второй температуре, меньшей или равной 520 , посредством чего получается пленка поликристалличе 15299 1 2011.12.30 ского , содержащая первый и второй слой. Данный метод позволяет получать пленки поликристаллическогосо скоростью осаждения выше 100 нм/мин с низкими механическими напряжениями и низким удельным сопротивлением. Однако такой процесс не может использоваться для осаждения пленоктолщиной менее 25 нм из-за слишком короткой длительности осаждения, что приводит к высокой невоспроизводимости и неоднородности тонких пленокпо толщине. Кроме того, при использовании данного способа содержаниев пленкахпревышает 30 ат. , а поверхность имеет высокую шероховатость. Известен также способ осаждения пленок 3, включающий размещение полупроводниковой подложки с подзатворным оксидом внутри камеры осаждения, подачу моносилана и водорода в камеру осаждения и формирование множества микрокристалловна поверхности подзатворного оксида с использованием плазменной системы и подачу моносилана, моногермана и водорода в камеру осаждения для осаждения слоявокруг микрокристаллов. Данный способ позволяет получить толстые пленкис низкой шероховатостью поверхности за счет создания слоя зародышей с высокой плотностью. Содержаниев пленкахможет варьироваться от 5 до 50 ат. , однако уменьшение содержаниядостигается за счет увеличения температуры осаждения, что приводит к увеличению скорости осаждения и не позволяет повысить однородность и воспроизводимость толщины тонких пленок . Наиболее близким по технической сущности решением является способ осаждения тонкой пленки 4, включающий загрузку полупроводниковых подложек с оксидом кремния в камеру осаждения, подачу кремнийсодержащего реагента (моносилана) в камеру осаждения и осаждение зародышевого кремниевого слоя, затем подачу в камеру моносилана, моногермана и осаждение основного слояна зародышевом слое. Однако и данный способ не лишен недостатков. В данном способе при введении моногермана в газовую смесь минимальная скорость осаждения составляет 5-10 нм/мин, при этом содержаниев пленкахболее 20 ат. . При такой скорости длительность осаждения пленок толщиной менее 25 нм не превышает 2,5-5 мин, что приводит к ухудшению воспроизводимости толщины пленок от процесса к процессу. Уменьшение потоков реагентов приводит к ухудшению однородности толщины и ухудшению управления содержаниемв пленке , что не позволяет получить пленкис содержаниемменее 20 ат. . Таким образом, и этот способ не может использоваться для осаждения пленоктолщиной менее 25 нм с содержаниемменее 20 ат. . В основу изобретения положена задача повышения воспроизводимости толщины и содержанияв пленкахтолщиной менее 25 нм с содержаниемдо 20 ат.и, в конечном итоге, повышения плотности распределения нанокристаллов . Сущность изобретения заключается в том, что в способе осаждения тонкой пленки, включающем загрузку полупроводниковых подложек с оксидом кремния в камеру осаждения, подачу кремнийсодержащего реагента в камеру осаждения, осаждение зародышевого кремниевого слоя, подачу в камеру осаждения моносилана, моногермана и осаждение основного слояна зародышевом слое, осаждение зародышевого и основного слоев проводят при температуре 550-560 и давлении от 0,05 до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а основной - от 5 до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. . Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ осаждения пленокотличается от известного тем, что осаждение зародышевого и основного слоев проводят при температуре 550-560 и давлении от 0,05 до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а основной - от 5 до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. . Использования идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. 2 15299 1 2011.12.30 Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Наиболее сильное влияние на скорость осаждения и содержаниев пленкахпри пониженном давлении оказывают два фактора температура осаждения и концентрация моногермана в газовой фазе. Увеличение концентрации моногермана в газовой смеси приводит к возрастанию скорости осаждения. Снижение температуры приводит к уменьшению скорости осаждения, с другой стороны, с уменьшением температуры возрастает содержаниев пленкахпри одинаковых концентрациях моногермана в газовой фазе. При температурах ниже 560 скорость осаждения пленок нелегированного кремния при пониженном давлении становится менее 2,0 нм/мин, что позволяет увеличить длительность осаждения пленок толщиной 25 нм до 12 минут, что способствует повышению управляемости и воспроизводимости процесса осаждения по толщине и содержанию . Уменьшение давления в реакционной камере позволяет дополнительно уменьшить скорость осаждения и, кроме того, повысить однородность толщины пленок по пластине и вдоль реактора. В то же время при температурах ниже 550 при введении моногермана в газовую смесь содержаниев пленкахбыстро возрастает, что не позволяет получить пленки с содержаниемв диапазоне от 5 до 20 ат.несмотря на относительно низкую скорость осаждения и высокую однородность толщины. Таким образом, очевидно,что получение однородных по толщине и содержаниютонких пленокс содержаниемот 5 до 20 ат.возможно в узком диапазоне температур и давлений. Кроме того, пленкине могут осаждаться прямо на диэлектрик на основе оксида кремния, потому чтоподтравливает оксид кремния, приводя к формированию летучего, что препятствует росту высококачественного слоя . Эта химическая несовместимость делает желательным введение тонкого слоя кремния между оксидом кремния и слоем , поэтому необходимо проводить осаждение в две стадии. На первой стадии роста происходит адсорбция и пиролиз молекул моносилана на поверхности оксида кремния с образованием тонкого слоя кремния. На второй стадии на них начинается параллельная адсобрция и пиролиз молекул моногермана и моносилана и, следовательно, рост слоя . При этом с увеличением толщины осаждаемого слоя содержаниебыстро приближается к максимальному значению, а профиль распределенияпо толщине пленки становится практически однородным. При температуре выше 560 скорость осаждения пленокпревышает 2,5 нм/мин,что ухудшает однородность и воспроизводимость толщины пленок, а при температуре ниже 550 невозможно обеспечить получение тонких пленокс концентрациейв диапазоне от 5 до 20 ат. . При давлении выше 0,15 мм рт.ст. не удается достигнуть хорошей однородности толщины и содержанияв пленкахвдоль реакционной зоны. Давление ниже 0,05 мм рт.ст. в горизонтальном трубчатом реакторе пониженного давления не достигается из-за недостаточной скорости откачки стандартного вакуумного агрегата. Использование более мощных откачных агрегатов потребует существенных затрат на модернизацию вакуумной системы и системы управления давлением. Если зародышевый слой кремния менее 1 нм, то имеется вероятность опасного воздействия германия на нижележащий оксид кремния, так какможет диффундировать через слабые места в слоепри проведении последующих высокотемпературных обработок. Если зародышевый слой кремния более 5 нм, ухудшается воспроизводимость процесса окисленияиз-за необходимости окисления дополнительного слоя кремния. При толщине основного слояменее 5 нм и содержаниименее 5 ат.плотность нанокристалловслишком низкая, что не позволяет получить необходимые вольтфарадные характеристики МОП структуры. При толщине основного слояболее 20 нм и содержанииболее 20 ат.во время термического окисленияпроисходит формирование слишком крупных кристаллитов, что приводит к проколам оксида кремния и,как следствие, к увеличению утечек между затвором и каналом и снижению выхода годных. 3 15299 1 2011.12.30 Реализация предлагаемого способа осаждения пленкиподтверждается следующими конкретными примерами. В качестве подложек использовались кремниевые пластины диаметром 100 мм с ориентацией (100) и удельным сопротивление 12 Омсм (КДБ 12), легированные бором. Для проведения исследований процесса осаждения пленок 1- на пластинах предварительно выращивался термический оксид кремния толщиной 30 нм. Осаждение пленок 1- проводилось в горизонтальном реакторе пониженного давления с горячими стенками Лада-34 в интервале температур от 540 до 570 . Температурный профиль поддерживался с точностью 1 . Давление в реакторе изменялось в диапазоне от 0,05 до 0,20 мм рт. ст. В экспериментах использовались 100 -ный моносилан (4) и 5 -ная смесь моногермана (4) с водородом классификации ОС.Ч. Кремниевые пластины в кварцевой кассете помещались в реактор перпендикулярно газовому потоку, расстояние между пластинами составляло 5 мм. Толщина осаждаемых пленок 1- измерялась при помощи микроспектрофотометра- фирмы , а также при помощи метода Резерфордовского обратного рассеяния. Анализ содержания и профиля распределенияв пленках 1- проводился методом Оже-спектроскопии на установке -660 фирмы(экспресс-метод) и проверялся более точным методом Резерфордовского обратного рассеяния в наклонной геометрии на ускорительном комплексе 2500. Размеры и плотность нанокристалловопределялись при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Результаты исследования процесса осаждения пленок 1- и процент выхода годных тестовых МОП структур представлены в таблице. Анализ таблицы показывает, что диапазон температур 550-560 является оптимальным для получения однородных и воспроизводимых по толщине и содержаниюпленок 1- толщиной менее 25 нм с содержаниемменее 20 ат. . При этом скорость осаждения не превышает 2,5 нм/мин. При температуре выше 560 скорость осаждения пленокпревышает 2,5 нм/мин, что ухудшает однородность и воспроизводимость толщины слоев, а при температуре ниже 550 невозможно обеспечить получение тонких пленокс концентрациейв диапазоне от 5 до 20 ат. . Увеличение давления выше 0,15 мм рт. ст. приводит к ухудшению однородности и воспроизводимости толщины и содержанияв пленках 1-. Результаты исследования процесса осаждения пленок 1 Параметры Толщины слоев Характеристики пленок 1 процесса ОднородОдноТолщина Тол- СодерПлот Тем- ДавСкорость ность толпервого щина дерность родность п/п пера- ление,осаждещины по нанокри- содержа(зароды- второго жание тура, мм ния,пластине, сталлов, ния ,шевого) слоя рт.ст. нм/мин слоя, нм нм ат.см-2 1 540 0,04 0,8 3 25 1,9 4,5 8,1 9,81010 11 2 550 0,05 2 5 12,8 2,1 3,1 4,6 7,610 11 3 555 0,10 3 12 4,9 2,2 2,8 3,7 5,410 11 4 560 0,15 5 20 4,2 2,3 2,8 3,5 4,710 9 5 570 0,16 6 23 3,1 3,4 15,7 6,8 2,610 Про 560 0,4 4 18 16,7 5,5 4,5 5,0 2,81011 тотип Предлагаемый способ позволяет повысить воспроизводимость толщины пленокв 1,45-1,6 раза, воспроизводимость содержанияв 1,35-1,43 раза и повысить плотность нанокристалловв 1,7-2,7 раза. Если вышеуказанные условия осаждения тонких пленокне выполняются, эффект не достигается. 4 15299 1 2011.12.30 Таким образом, предлагаемый способ осаждения пленкипозволяет решить задачу повышения однородности и воспроизводимости толщины и содержанияв пленкахтолщиной менее 25 нм с содержаниемот 5 до 20 ат. , повышения плотности нанокристаллов . При этом скорость осаждения пленокне превышает 2,5 нм/мин. Источники информации 1. Патент США 7176111, МПК 0121/20, 2007. 2.-.,-.,.1-,, 1998,Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5