Способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНКИ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Соловьев Ярослав Александрович Наливайко Олег Юрьевич Емельянов Виктор Андреевич Лепешкевич Геннадий Вольдемарович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) Способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния, включающий загрузку кремниевых подложек в нагретый до температуры осаждения реактор,наполненный азотом, с градиентом температуры 640-670 С, вакуумирование реактора,подачу моносилана и закиси азота в реактор и осаждение при пониженном давлении пленки полуизолирующего поликристаллического кремния заданной толщины с требуемым содержанием кислорода, отличающийся тем, что перед загрузкой подложек в реактор проводят химическое окисление подложек до образования слоя оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а перед подачей в реактор моносилана и закиси азота осуществляют стабилизацию их потока продувкой, минуя реактор. 12058 1 2009.06.30 Изобретение относится к химическому осаждению слоев из газовой фазы, а более конкретно к технологии формирования защитного покрытия изделий силовой микроэлектроники (ИСМЭ). Известен способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния (ПП) 1, включающий загрузку кремниевых подложек в реактор, нагрев реактора до температуры осаждения, подачу в реактор азота, моносилана и закиси азота и осаждение пленки полуизолирующего поликристаллического кремния при атмосферном давлении заданной толщины с требуемым содержанием кислорода. Однако данному способу осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния присущ ряд недостатков. Во-первых, осаждение пленки ППК производится при атмосферном давлении, что обусловливает плохое качество и повышенный разброс по толщине и содержанию кислорода пленки ПП из-за образования частиц в газовой фазе и повышенных разбросов по температуре. Во-вторых, в данном способе пленка ПП наносится непосредственно на поверхность кремниевой подложки после полного удаления слоя оксида кремния, сформированного на этапах формирования активной структуры ИСМЭ. Поэтому в данном способе от момента очистки до начала осаждения пленки ППК на поверхности подложек образуется слой естественного оксида кремния с неконтролируемыми зарядовыми свойствами, который дополнительно загрязняется в газовой среде реактора. Таким образом, перечисленные факторы обусловливают разброс толщины пленок ППК и содержания в них кислорода, а также низкий выход годных ИСМЭ, изготовленных с их использованием, большие токи утечки и их разброс. Известен способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния (ПП) 2, включающий загрузку кремниевых подложек в реактор, нагрев реактора до температуры выше 1000 С, химическое удаление слоя естественного оксида кремния подачей в реактор водорода или паров соляной кислоты, подачу в реактор азота, моносилана и закиси азота и осаждение пленки полуизолирующего поликристаллического кремния при атмосферном давлении заданной толщины с требуемым содержанием кислорода. В данном способе химическое удаление слоя естественного оксида кремния подачей в реактор водорода или паров соляной кислоты при температуре более 1000 С способствует улучшению границы раздела между поверхностью кремния и слоем ПП. Однако и в данном способе осаждение пленки ППК производится при атмосферном давлении, что обусловливает плохое качество и повышенный разброс по толщине и содержанию кислорода пленки ПП, из-за попутных газофазных реакций и разбросов по температуре в газовой среде реактора. Кроме того, удаление слоя естественного оксида кремния в данном способе проводится при температуре более 1000 С, что активирует процессы диффузии примесей в активной структуре ИСМЭ. Таким образом, данный способ также характеризуется разбросом толщины пленок ПП и содержания в них кислорода, а также низким выходом годных ИСМЭ с их использованием, большими токами утечки и их разбросом. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния 3, включающий загрузку кремниевых подложек в нагретый до температуры осаждения реактор, наполненный азотом, с градиентом температуры 640-670 С, вакуумирование реактора, подачу моносилана и закиси азота в реактор и осаждение при пониженном давлении пленки полуизолирующего поликристаллического кремния заданной толщины с требуемым содержанием кислорода. В данном способе осаждение пленки полуизолирующего поликристаллического кремния проводится при пониженном давлении, что улучшает чистоту и качество пленок ПП. Однако в данном способе пленка ППК наносится непосредственно на поверхность кремниевой подложки после полного удаления слоя оксида кремния, сформированного на этапах формирования активной структуры ИСМЭ, что обусловливает плохое качество пленки ППК и ее границы раздела с подложкой из-за наличия естественного слоя оксида кремния с неконтролируемыми зарядовыми свойствами. Кроме того, из-за отсутствия перед осажде 2 12058 1 2009.06.30 нием пленки ППК стабилизации потоков моносилана и закиси азота продувкой, минуя реактор, в начальный момент роста пленка ППК также будет характеризоваться разбросом толщины и невоспроизводимым содержанием кислорода. То есть и данный способ характеризуется разбросом толщины пленок ППК и содержания в них кислорода, а также низким выходом годных ИСМЭ с их использованием, большими токами утечки и их разбросом. В основу изобретения положена задача уменьшения разброса толщины пленок ППК и содержания в них кислорода, повышения выхода годных ИСМЭ с их использованием,уменьшения токов утечки и их разброса. Поставленная задача решается тем, что в способе осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния, включающем загрузку кремниевых подложек в нагретый до температуры осаждения реактор, наполненный азотом, с градиентом температуры 640-670 С, вакуумирование реактора, подачу моносилана и закиси азота в реактор и осаждение при пониженном давлении пленки полуизолирующего поликристаллического кремния заданной толщины с требуемым содержанием кислорода, перед загрузкой подложек в реактор проводят химическое окисление подложек до образования слоя оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а перед подачей в реактор моносилана и закиси азота осуществляют стабилизацию их потока продувкой, минуя реактор. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния отличается от известного тем, что перед загрузкой подложек в реактор проводят химическое окисление подложек до образования слоя оксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, а перед подачей в реактор моносилана и закиси азота осуществляют стабилизацию их потока продувкой, минуя реактор. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. При нанесении пленки ПП на поверхность кремния наблюдается невоспроизводимость характеристик изделий силовой микроэлектроники при обратном смещении, особенно при высокой температуре неуправляемый рост тока утечки и его значительный разброс. Данный эффект объясняется наличием на границе раздела кремний - ПП адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, а также тонкого слоя загрязненного естественного оксида кремния. Данные загрязнения формируются при межоперационном хранении кремниевых пластин с кристаллами ИСМЭ (от очистки поверхности кремния до начала осаждения пленки ППК) и обусловливают катастрофическое увеличение поверхностной проводимости кремния. Причиной их возникновения является наличие оборванных связей атомов кремния на поверхности, что усиливает адсорбцию поверхностных загрязнений. Формирование относительно тонкого слоя химического оксида кремния толщиной (0,5-2,5) нм позволяет заполнить оборванные связи кислородом, тем самым защитить поверхность кремния от указанных загрязнений, а значит, избежать увеличения его поверхностной проводимости. При этом сохраняется электрический контакт кремния и пленки ППК за счет туннельного эффекта и обеспечивается эффективная работа пленки ППК в качестве резистивной полевой обкладки. При толщине слоя химического оксида кремния менее 0,5 нм не происходит достаточно эффективной защиты границы раздела кремний - ПП от адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений и все еще наблюдается невоспроизводимость характеристик ИСМЭ при обратном смещении, особенно при высокой температуре. При толщине слоя химического оксида кремния более 2,5 нм ухудшается электрический контакт между поверхностью кремния и слоем ППК, который утрачивает свою эффективность в качестве полевой обкладки. Это обусловливает рост токов утечки и ухудшение их воспроизводимости, что приводит к снижению выхода годных ИСМЭ. 12058 1 2009.06.30 Подача в реактор моносилана и закиси азота после стабилизации их потоков продувкой, минуя реактор (сначала по сбросовым магистралям пары реагентов подаются на скруббер, производится стабилизация их потоков, а затем переключением соответствующих клапанов производится их подача в реактор), необходима для повышения однородности толщины пленки ПП и содержания в ней кислорода на начальном этапе осаждения. Если реагенты подавать в реактор сразу, без предварительной стабилизации, то на начальном этапе роста пленки ПП их расход будет переменным, а значит, свойства растущей пленки, осажденной на данном этапе, будут невоспроизводимыми. Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана блок - схема реактора для осаждения полуизолирующего поликристаллического кремния. Предложенный способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния используется для изготовления различных ИСМЭ биполярных транзисторов,вертикальных ДМОП - транзисторов, тиристоров, а также биполярных транзисторов с изолированным затвором. В качестве примера показано его применение для изготовления биполярного транзистора 872 Г. Осаждение пленок ПП производилось на установке Изотрон-4-150 с кварцевым реактором (1). На карбидкремниевый консольный загрузчик (2) помещали две кварцевые кассеты (3) с подложками. Реактор соединялся с вакуумным агрегатом АВР-300 (4) при помощи вакуумного трубопровода с азотной ловушкой (5) и шиберным затвором (6). Продукты реакции улавливались скруббером (7). Управление потоками реагентов при подаче в реактор или сбросовую магистраль осуществлялось регуляторами расхода газов (8) и соответствующими клапанами (9) для каждого реагента. Требуемое давление в реакторе контролировалось датчиком давления емкостного типа (11) и поддерживалось подачей азота на вход вакуумного агрегата. Реагенты подавались в реактор со стороны переднего фланца (12). Дроссель (10) использовали для подачи в реактор азота с целью его продувки, а также напуска. Процесс осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния производился в следующей последовательности. В зависимости от требуемой толщины слоя оксида кремния химическое окисление подложек проводили в различных составах. Для формирования слоя оксида кремния толщиной до 1,0 нм химическое окисление проводили в перекисно-аммиачном растворе. Для формирования слоя оксида кремния толщиной от 0,7 до 2,0 нм химическое окисление проводили последовательной обработкой в смеси(раствор 2422 с соотношением компонентов 151) при температуре 100-150 С, затем в перекисно-аммиачном растворе и снова в смеси . Для формирования слоя оксида кремния толщиной более 1,5 нм химическое окисление проводили обработкой в азотной кислоте. Затем подложки размещались в кварцевых кассетах. Загрузчик с кассетами задвигался в реактор, наполненный азотом, нагретый до температуры 640-670 С, после чего производилась его откачка до давления менее 0,3 Па. Затем при постоянной откачке реактора включением соответствующих клапанов в сбросовую магистраль, минуя реактор, в течение 1 мин подавали моносилан и закись азота, до стабилизации их потоков. После этого подачу моносилана и закиси азота переключали на реактор и начинали осаждение пленки ПП. По окончании времени осаждения ППК отключалась подача в реактор реагентов, проводилась откачка реактора, продувка азотом до полного удаления реагентов и включалась подача азота до достижения атмосферного давления, а затем производилась выгрузка кремниевых подложек из реактора. После осаждения пленки ПП на подложки с транзисторными структурами наносили слои нитрида кремния и фосфоросиликатного стекла требуемой толщины, с последующим травлением контактных окон, формированием металлизации и контролем вольт-амперных характеристик. Толщина пленки полуизолирующего поликристаллического кремния измерялась на контрольных спутниках спектрофотометром - толщиномером - (, ФРГ) и во Разброс содержания кислорода в ППК,Разброс толщины пленки ППК,всех экспериментах составляла 0,10,02 мкм. Содержание кислорода в пленке ПП определяли Оже - электронным спектрометром -660 ( , США). Толщину слоя оксида кремния, полученного химическим окислением, измеряли лазерным эллипсометром Л ЭФ-3 М. Величину разбросов рассчитывали по формуле 100,2 гдеи- соответственно максимальное и минимальное значение измеренного параметра,- среднее арифметическое значение измеренного параметра. В таблице представлены сравнительные данные по свойствам пленок полуизолирующего поликристаллического кремния, а также выходу годных ИСМЭ с их использованием, величине токов утечки и их разбросу. Сравнительные данные по однородности толщины пленок ПП, содержания в них кислорода, а также по параметрам ИСМЭ с их использованием(естествен 84,26,3 1,0 21857 4,3 прототип ный окисел) 1 ВГ/ВП - отношение выхода годных транзисторов, изготовленных согласно заявляемому способу, к выходу годных по способу-прототипу. 2 Ток утечки при комнатной температуре измерялся на автоматизированном измерителе подачей напряжения коллектор-эмиттер 1530 В при нулевом сопротивлении эмиттербаза. 3 Ток утечки при температуре 125 С измеряли с помощью прибора наблюдений характеристик транзисторов Л 2-56 при обратном напряжении коллектор-база 1500 В. 12058 1 2009.06.30 Как видно из таблицы, оптимальным диапазоном толщины слоя оксида кремния после химического окисления является интервал от 0,5 до 2,5 нм. Если толщина слоя оксида кремния после химического окисления выходит за пределы указанного диапазона, а также если химическое окисление и стабилизация потоков моносилана и закиси азота не проводятся, то наблюдается увеличение разброса толщины пленок ППК и содержания в них кислорода, снижение выхода годных транзисторов с их использованием, увеличение обратного тока и их разброса. Анализ таблицы показывает, что предлагаемое изобретение позволяет уменьшить разброс толщины пленок ПП в 2,1-2,3 раза, разброс концентрации кислорода в 1,6-1,7 раза,увеличить выход годных ИСМЭ с их применением в 7,9-11,3 раза, уменьшить ток утечки в 2,5-7,1 раза и его разброс в 2,1-3,2 раза. Таким образом, предлагаемый способ осаждения пленки полуизолирующего поликристаллического кремния позволяет решить задачу уменьшения разброса толщины пленок ППК и содержания в них кислорода, повышения выхода годных ИСМЭ с их использованием, уменьшения токов утечки и их разброса. Источники информации 1. А.с. СССР 638289, МПК 701 27/04, 1978. 2. Патент США 4778776, МПК 701 21/306, 1988. 3. Патент США 4489103, МПК 7 В 05 5/12, 1984. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6