Способ осаждения легированных фосфором пленок кремния

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ ФОСФОРОМ ПЛЕНОК КРЕМНИЯ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ-управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Наливайко Олег Юрьевич Солодуха Виталий Александрович Трусов Виктор Леонидович Пшеничный Евгений Николаевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ-управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(57) Способ осаждения легированной фосфором пленки кремния, включающий осаждение на кремниевую подложку подслоя нелегированного поликристаллического кремния толщиной 10-50 нм при температуре осаждения легированного слоя, осаждение легированного слоя кремния в смеси моносилан-фосфин с последующей термообработкой при 8501000 С, отличающийся тем, что подслой осаждают аморфным при давлении 35-80 Па,легированный слой осаждают при температуре 540-560 С, давлении 53-106 Па и отношении объемных потоков фосфина и моносилана 0,0001-0,002, после чего осаждают защитный слой оксида кремния толщиной 20-200 нм и проводят термообработку осажденной пленки в среде азота. Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к технологии осаждения пленок кремния из газовой фазы, и может быть использовано в производстве сверхбольшой степени интеграции на подложках диаметром 150 мм и более. Известен способ осаждения легированных фосфором пленок кремния 1, включающий загрузку кремниевых пластин в реактор, откачку реактора до давления 13-133 Па,нагрев реактора до температуры 550-610 С, одновременный ввод в реактор моносилана и газообразного трибутилфосфина (или раздельный предварительный нагрев трибутилфосфина до температуры, при которой начинается его разложение, и раздельная подача паров трибутилфосфина в реактор, где он смешивается с моносиланом) с предварительно определенным соотношением и осаждение пленки требуемой толщины. При использовании данного способа обеспечивается приемлемая скорость осаждения 2,2-2,55 нм/мин, однородность толщины пленок на пластинах диаметром 150 мм по процессу не хуже 5,0 , однако однородность удельного сопротивления по процессу до 15,3 при удельном сопротивлении менее 1000 мкОмсм. Однако такая однородность удельного сопротивления недостаточна при производстве изделий с субмикронными про 18138 1 2014.04.30 ектными нормами на пластинах диаметром 150, 200 мм и более. Кроме того, пленки,полученные при использовании данного способа, имеют высокую шероховатость поверхности, что ухудшает воспроизводимость линейных размеров при формировании микрорисунка из-за эффектов рассеяния при экспонировании. Известен способ осаждения легированных фосфором пленок кремния 2, включающий загрузку кремниевых пластин в реактор, откачку реактора до давления 26,7-53 Па,нагрев реактора до температуры 540-570 С, подачу в реактор моносилана и фосфина при отношении объемных потоков 0,0008-0,002 и осаждение пленок легированного кремния. Однако данный способ имеет ряд недостатков. Так, фосфин, адсорбированный на поверхности подзатворного диэлектрика, блокирует адсорбцию моносилана, что может способствовать протеканию гомогенных реакций и, как следствие, приводит к ухудшению однородности пленки и повышению привнесенной дефектности осаждаемой пленки. Кроме того, пленки кремния, полученные при использовании данного способа, имеют высокую шероховатость поверхности, что приводит к снижению выхода годных и снижению надежности изготавливаемых приборов. Наиболее близким по технической сущности решением является способ осаждения легированных фосфором пленок кремния 3, включающий осаждение на кремниевую подложку подслоя нелегированного поликристаллического кремния толщиной 10-50 нм при температуре осаждения легированного слоя и давлении не более 13,3 Па пиролитическим разложением моносилана, осаждение легированного слоя кремния в смеси моносиланфосфин при температуре 560-580 С, давлении 33,7-66,5 Па, отношении объемных потоков фосфин-моносилан 0,0008-0,007 с последующей термообработкой при 850-1000 С. Отсутствие фосфина в газовой фазе на начальных стадиях роста пленки уменьшает вероятность протекания гомогенных реакций, что способствует улучшению однородности подслоя и, следовательно, пленки в целом, а также обеспечивает повышение стабильности электрических характеристик тонкого подзатворного диэлектрика за счет отсутствия на его поверхности продуктов гомогенного разложения. Однако и данный способ не лишен недостатков. При использовании данного способа однородность толщины легированной пленки кремния по пластине диаметром 200 мм составляет 4,8 , что недостаточно для производства ИМС с проектными нормами 0,35 мкм и ниже. Кроме того, так как осаждаются поликристаллические пленки, они имеют повышенную шероховатость поверхности,что ухудшает формирование микрорисунка при уменьшении минимальных размеров элементов. Данный способ также не позволяет получать легированные фосфором пленки кремния с более широким диапазоном удельных сопротивлений (600-12000 мкОмсм). Таким образом, и этот способ не позволяет формировать на пластинах большого диаметра однородные пленки легированного кремния с низкой шероховатостью поверхности в широком диапазоне удельных сопротивлений. В основу изобретения положена задача снижения шероховатости поверхности пленок кремния, расширения диапазона удельного сопротивления легированных пленок кремния и повышения выхода годных ИС. Сущность изобретения заключается в том, что в способе осаждения легированных пленок кремния, включающем осаждение на кремниевую подложку подслоя нелегированного поликристаллического кремния толщиной 10-50 нм при температуре осаждения легированного слоя, осаждение легированного слоя кремния в смеси моносилан-фосфин с последующей термообработкой при 850-1000 С, подслой осаждают аморфным при давлении 3580 Па, легированный слой осаждают при температуре 540-560 С, давлении 53-106 Па и отношении объемных потоков фосфина и моносилана 0,0001-0,002, после чего осаждают защитный слой оксида кремния толщиной 20-200 нм и проводят термообработку осажденной пленки в среде азота. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ осаждения легированных пленок кремния отличается от известного 2 18138 1 2014.04.30 тем, что подслой осаждают аморфным при давлении 35-80 Па, легированный слой осаждают при температуре 540-560 С, давлении 53-106 Па и отношении объемных потоков фосфина и моносилана 0,0001-0,002, после чего осаждают защитный слой оксида кремния толщиной 20-200 нм и проводят термообработку осажденной пленки в среде азота. Использования идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. При увеличении диаметра пластин возрастают объем реактора и площадь поверхности,на которой происходит осаждение пленки. Соответственно, для обеспечения однородного осаждения пленки как по пластине, так и вдоль реактора необходимо увеличивать потоки реагентов. Однако при использовании высоких температур будет происходить существенное обеднение реагентов вдоль реактора и, как следствие, ухудшение однородности осаждаемой пленки. Поэтому необходимо снижать температуру осаждения, что приводит к снижению скорости реакции и одновременно к повышению однородности осаждения пленки как по пластине, так и вдоль реактора. Для высоколегированных пленок кремния можно пренебречь шириной обедненной зоны на границах зерен, тогда удельное сопротивление можно представить как сумму сопротивлений зерен (кристаллитов) и сопротивлений границ зерен. При снижении температуры ниже 560 С происходит осаждение аморфных пленок кремния, которые не имеют зерен, следовательно, отсутствует сегрегация фосфора на границах зерен. Это способствует снижению удельного сопротивления легированных пленок кремния, что позволяет уменьшить соотношение объемных потоков фосфин-моносилан и повысить однородность удельного сопротивления. И, наконец, формирование аморфного подслоя кремния способствует снижению общей шероховатости осаждаемой пленки. При температуре осаждения ниже 540 С существенно снижается скорость осаждения,что снижает производительность процесса. При температуре выше 560 С осаждается аморфно-кристаллический подслой кремния, что приводит к повышению шероховатости поверхности осажденных пленок, а также к сегрегации фосфора на границах зерен и, как следствие, к увеличению удельного сопротивления легированных пленок кремния. Поэтому при повышении температуры осаждения необходимо увеличивать соотношение объемных потоков фосфин-моносилан для получения требуемого уровня удельного сопротивления,кроме того, при этом ухудшается однородность удельного сопротивления пленок. При давлении во время осаждения подслоя менее 35 Па происходит осаждение аморфнокристаллического или кристаллического подслоя, что ухудшает шероховатость легированной пленки кремния. При давлении во время осаждения подслоя более 80 Па происходит формирование подслоя с повышенной шероховатостью, что приводит к повышению шероховатости легированной пленки кремния. При давлении во время осаждения легированного слоя менее 53 Па уменьшается загрузка рабочих пластин из-за смещения области с однородной толщиной и удельным сопротивлением легированных пленок кремния в сторону откачки. При давлении во время осаждения более 106 Па возрастает вероятность протекания гомогенных реакций, что приводит к повышению дефектности осаждаемых пленок, ухудшению однородности толщины и удельного сопротивления. При отношениях объемных потоков фосфин-моносилан более 0,002 в используемом диапазоне температур осаждения достигается минимальное удельное сопротивление легированных пленок кремния, и при дальнейшем увеличении отношения объемных потоков снижение удельного сопротивления не происходит, однако уменьшается скорость осаждения пленок и ухудшается однородность удельного сопротивления. При отношениях объемных потоков фосфин-моносилан менее 0,0001 удельное сопротивление легированных пленок существенно возрастает (более 12000 мкОмсм) и резко ухудшается управляемость процессом по величине удельного сопротивления. 3 18138 1 2014.04.30 При проведении термической обработки легированных пленок кремния без защитного слоя оксида кремния происходит диффузия фосфора из осажденной пленки, что приводит к формированию обедненного приповерхностного слоя и, как следствие, к увеличению удельного сопротивления легированных пленок кремния. Кроме того, наличие защитного слоя препятствует повышению шероховатости легированных пленок кремния при проведении термической обработки. Использование защитного слоя оксида кремния толщиной менее 20 нм не позволяет предотвратить диффузию фосфора из осажденной пленки и повысить стабильность и воспроизводимость удельного сопротивления легированных пленок кремния, кроме того, не обеспечивается воспроизводимость величины удельного сопротивления легированных пленок кремния. Использование защитного слоя толщиной более 200 нм нецелесообразно, так как повышаются затраты на формирование защитного слоя. Реализация предлагаемого способа осаждения легированных пленок кремния подтверждается следующими конкретными примерами. В качестве подложек использовались пластины КДБ-12 (100) диаметром 200 мм. На подложках проводилось выращивание оксида кремния толщиной 10010 нм путем термического окисления на установке . Легированные фосфором пленки кремния получали в вертикальном реакторе пониженного давления с использованием моносилана марки 5.0 и 1 -ной смеси фосфина с азотом марки 5.0. Температура осаждения варьировалась от 540 до 560 С. Температурный профиль поддерживался с точностью 0,5 С. Давление в реакторе при осаждении нелегированного подслоя кремния изменялось от 35 до 80 Па, а при осаждении легированного слоя кремния - от 53 до 106 Па. Отношение объемных потоков фосфина к моносилану изменялось от 0,0001 до 0,002. Пластины загружались в кварцевую лодочку, которая имеет 167 пазов. Толщина легированных пленок кремния измерялась методом интерферометрии на установке 2690 фирмы. Термический отжиг осажденных пленок проводился на установкепри температуре 850 и 900 С в азоте после осаждения защитного слоя среднетемпературного оксида кремния (СТО). На части образцов проводился быстрый термический отжиг на установке 8108 при температуре 1000 С в течение 30 с в среде азота с предварительным осаждением плазмохимического оксида кремния толщиной 100 нм на установке 5000. Контроль поверхностного сопротивленияпроводился на установке ЦИУС в 9 точках на пластине. Удельное сопротивление определялось по формуле уд. Контроль шероховатости поверхности проводился при помощи атомного силового микроскопа СЗМ-200. Оценка выхода годных (ВГ) проводилась на пластинах изделия КМОП СОЗУ 1 М. Толщина подзатворного диэлектрика составляла 7 нм, толщина легированного слоя кремния для формирования затвора 250 нм. Режимы формирования легированных пленок кремния и характеристики осаждаемых пленок и тестовых структур представлены в таблице. Анализ таблицы показывает, что при осаждении легированных пленок кремния в заявляемых режимах достигаются скорость осаждения пленок 2,02,3 нм/мин, однородность толщины по пластине(1,01,9) , однородность толщины по процессу(1,51,9) ,удельное сопротивление в диапазоне 60012000 мкОмсм, шероховатость поверхности менее 12 нм, наибольшие пробивные напряжения подзатворного диэлектрика и выход годных структур. При температурах ниже 540 С наблюдается существенное снижение скорости осаждения (ниже 2,0 нм/мин), кроме того, при низких температурах не обеспечивается получение легированных пленок кремния с удельным сопротивлением выше 8000 мкОмсм,даже при минимальных соотношениях потоков фосфин-моносилан. При давлениях во время осаждения подслоя менее 30 Па наблюдается образование аморфнокристаллической структуры, что приводит к увеличению шероховатости поверхности легированной пленки кремния и снижению пробивных напряжений подзатворного диэлектрика и выхода годных структур. 4 18138 1 2014.04.30 При давлении во время осаждения аморфного подслоя выше 80 Па происходит ухудшение однородности толщины подслоя вдоль реактора. При использовании и температуры выше 560 С происходит осаждение поликристаллического подслоя кремния, что приводит к повышению шероховатости осажденной легированной пленки кремния. При давлении выше 106 Па происходит повышение дефектности осаждаемого слоя, ухудшение однородности толщины и удельного сопротивления легированных пленок кремния по пластине и по загрузке. Увеличение отношения объемных потоков фосфин-моносилан выше 0,002 не приводит к уменьшению удельного сопротивления, однако при этом происходит снижение скорости осаждения легированных пленок кремния. Режимы формирования легированных пленок кремния и характеристики тестовых структур Характеристики Параметры осаждения легированных пленок кремния и тестовых структур ТемпеДавлеДавлература ние при ние прип/п осаждеосаждеосаждеждении, Па нии, Па ния, С 1 2 3 4 5 Прототип Диапазон ШероСоотно- Толщина удельного соховашение защит- противления тость ВГ/ВГпр,потоков ного При толщине защитного слоя менее 20 нм наблюдается увеличение удельного сопротивления легированных пленок кремния из-за диффузии фосфора из пленки во время отжига. Кроме того, отжиг легированных пленок кремния с удельным сопротивлением менее 2000 мкОмсм с защитным слоем оксида кремния толщиной менее 20 нм приводит к загрязнению фосфором реактора, в котором проводится отжиг. Предлагаемый способ позволяет снизить шероховатость легированных пленок кремния в 1,42-1,67 раза, расширить диапазон удельного сопротивления легированных пленок кремния до 600-12000 мкОмсм, повысить выход годных структур в 1,75-1,88 раза. При этом обеспечивается приемлемая скорость осаждения (2,0-2,3 нм/мин). Если вышеуказанные условия не соблюдаются, эффект не достигается. Таким образом, предлагаемый способ осаждения легированных пленок кремния позволяет решить задачу снижения шероховатости поверхности легированных пленок кремния, расширения диапазона удельного сопротивления легированных пленок кремния и повышения выхода годных ИС. Источники информации 1. Патент США 5096856, МПК 01 21/469, 1992. 2. Патент США 5256566, МПК 01 21/469, 1993. 3. А.с. СССР 1588202, МПК 01 21/205, 1989. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5