Способ формирования слоев поликристаллического кремния

Изобретение относится К микроэлектронике, а именно к технологии изготовления интегральнь 1 х схем и полупроводниковых приборов.Известен способ 1, включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками перпендикулярно газовому потоку, откачку реактора до предельного вакуума, подачу моносилана, осаждение слоя поликристаллического кремния, прекращение подачи моносилана, откачку реактора до предельного вакуума, напуск в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин. К недостаткам способа относятсянеоптимальная температура и давление в зоне осаждения (температура 700 С, давление 80-212 Па) и, как следствие, низкая стабильность и воспроизводимость слоев поликристаллического кремния по толщинеповыщенная Шероховатость слоев поликристаллического кремния, составляющая 0,03-0,05 мкмналичие выростов - бугорков - в слоях поликристаллического кремния размером по высоте 0,1-0,15 мкм, что обуславливает невоспроизводимость их травления и низкое качество окисла, выращенного на данных слоях поликристаллического кремния (полиоксиды),и, как следствие, низкая напряженность пробоя полиоксиданизкий уровень пробивного напряжения подзатворного окисла из-за образования однокристаллитного слоя поликристаллического кремния.Известен способ 2, включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора до предельного вакуума, подачу моносилана, осаждение слоя поликристаллического кремния при температуре 600-650 С и давлении 20-70 Па,прекращение подачи моносилана, откачку реактора до предельного вакуума, напуск в реактор инертного газа до атмосферного давления, выгрузку полупроводниковых пластин.отличие морфологии рельефа поверхности слоев поликристаллического кремния в начале и конце зоны осаждения из-за наличия градиента температурынедостаточная стабильность и воспроизводимость слоев поликристаллического кремния по толщиненаличие выростов - бугорков - в слоях поликристаллического кремния, что обуславливает невоспроизводимость их травлениянизкое качество полиоксидов и, как следствие, низкая напряженность пробоя полиоксиданизкий уровень пробивного напряжения подзатворного окисла из-за образования однокристаллитного слоя поликристаллического кремния.Наиболее близким к предлагаемому техническому рещению является способ формирования слоев поликристаллического кремния З, включающий загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора до предельного вакуума,подачу моносилана при температуре 550-570 С и осаждение слоя аморфного кремния в течение 5-10 минут, повыщение температуры до температуры роста поликристаллического кремния 610-640 С, не прекращая подачи моносилана, осаждение слоя поликристаллического кремния до заданной толщины, прекращение подачи моносилана, откачку реактора до предельного вакуума, напуск в реактор инертного газа до атмосферного давления и выгрузку полупроводниковых пластин из реактора.Однако и данный способ не лищен недостатков, так как наблюдаютсяповыщенный и невоспроизводимый разброс толщины слоя поликристаллического кремния по длине рабочей зоны реактора из-за того, что подача моносилана в реактор не прекращается во время поднятия температуры от температуры осаждения аморфного кремния до температуры осаждения поликристаллического кремния, т.е. осаждение проводится при неустановивщемся температурном режиме и с высокой скоростью поднятия температурыповыщенная Шероховатость микрорельефа слоев поликристаллического кремния и,как следствие, недостаточно высокое качество полиоксида, выращенного на данном слоенизкий уровень пробивного напряжения подзатворного окисла из-за образования однокристаллитного слоя поликристаллического кремния.Предложенное изобретение решает задачу повышения качества слоев поликристаллического кремния, а также стабильности и воспроизводимости их по толщине.Поставленная задача решается тем, что в способе формирования слоев поликристаллического кремния, включающем загрузку полупроводниковых пластин в реактор с горячими стенками, откачку реактора до предельного вакуума, подачу моносилана при температуре 550-570 С и осаждение слоя аморфного кремния, прекращение подачи моносилана,откачивают реактор до предельного вакуума и одновременно повышают температуру со скоростью 3-9 С/мин до температуры роста поликристаллического кремния 610-640 С,подают моносилан и осаждают слой поликристаллического кремния до заданной толщины, прекращают подачу моносилана, откачивают реактор до предельного вакуума, подают в реактор инертный газ до атмосферного давления и выгружают полупроводниковые пластины из реактора.Использование идентичной или сходной последовательности действий для решаемой задачи не обнаружено.Решение поставленной задачи объясняется следующим образом.В предложенном изобретении, в отличие от прототипа, после осаждения аморфного кремния прекращают подачу моносилана, откачивают реактор до предельного вакуума и одновременно повышают температуру со скоростью 3-9 С/мин до температуры роста поликристаллического кремния, а затем напускают моносилан и доращивают слой поликристаллического кремния до заданной толщины. При этом после осаждения слоя аморфного кремния во время откачки реактора до предельного вакуума с одновременным повь 1 шением температуры с определенной скоростью происходит следующее образовавшийся слой аморфного кремния отжигается в среде остаточных газов, в результате чего на его поверхности образуется туннельно-прозрачная прослойка двуокиси кремния, имеющая толщину 0,5-1,5 нм. Дальнейший рост зерен поликристаллического кремния после достижения температуры 610-640 С происходит от новых Центров зародышеобразования на образовавшейся прослойке окисла. В итоге получается структура, в которой слой аморфного кремния отделен от поликристаллического кремния туннельно-прозрачной прослойкой двуокиси кремния. Наличие последней приводит к блокировке процесса рекристаллизации в вертикальном направлении при последующих термообработках полупроводниковых пластин, в результате чего поверхность поликристаллического кремния имеет менее вь 1 раженный рельеф, а слои поликристаллического кремния становятся двухкристаллитными по толщине, а не однокристаллитными, как у прототипа. Если бы подача моносилана в реактор продолжалась бы без прерывания, как у прототипа, то рост промежуточных аморфно-кристаллических и кристаллических слоев происходил бы непрерывно и, следовательно, недостатки прототипа не устраняются.Кроме того, так как кремниевые пластины установлены в кварцевых кассетах вертикально на небольшом расстоянии друг от друга и этим экранируют тепловое излучение от нагревателя реактора, то края пластин при подъеме температуры нагреваются быстрее,чем Центральная часть пластин, а это приводит к появлению на пластинах радиального градиента температуры и, тем самым, обуславливает увеличение разброса толщины поликристаллических слоев по поверхности пластины. Если нагрев пластин от температуры роста аморфного кремния до температуры роста поликристаллического кремния осу 1 Цествляется со скоростью 3-9 С/мин, то обеспечивается термическая однородность. Осаждение поликремния осуществляется только после вывода реактора на второй уровень температуры, чем обеспечивается минимальный разброс температуры как вдоль реактора, так и по поверхности пластин и, следовательно, повышается стабильность и воспроизводимость процесса осаждения по толщине слоя поликристаллического кремния. При высокой скорости подъема температуры (более 9 С/мин) термическая однородность не обеспечивается, что приводит к снижению стабильности и воспроизводимости по толщине и ухудшению качества слоев поликристаллического кремния. Кроме того, при такой скоро В 18758 С 12006.12.30сти образующаяся во время отжига прослойка двуокиси кремния имеет толщину менее 0,5 нм. При этом ухудшается качество слоев поликристаллического кремния.В случае малой скорости подъема температуры (менее 3 С/мин) термическая однородность обеспечивается, однако при этом значительно увеличивается длительность процесса осаждения поликристаллических слоев, что экономически нецелесообразно.Если вышеуказанная последовательность операций не выполняется, то положительный эффект не достигается.Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2, где на фиг. 1 изображен ПЭМ - скол слоя поликристаллического кремния, изготовленного по способу-прототипу, а на фиг. 2 изображен ПЭМ - скол слоя поликристаллического кремния, изготовленного по заявляемому способу.Способ формирования слоев поликристаллического кремния иллюстрируется следующим примером.На монокристаллических подложках КЭФ-4,5 ориентации (100) диаметром 100 мм выращивался подзатворнь 1 й слой двуокиси кремния (5102) на системе диффузионной однозонной СДОМЭ-3/ 150-005 Оксид ЗПО при температуре 850 1 1 С в среде водорода с расходом 400 1 40 л/ч и кислорода расходом 400 1 40 л/ч с добавлением 10 1 1 л/ч хлористого водорода. Толщина двуокиси кремния измерялась на спектрофотометре - толщиномере КСНЕ.442.241.00.Осаждение слоев поликристаллического кремния производилось на установке осаждения диэлектрических и поликремниевь 1 х пленок УЭДГЭ-150-008 Изотрон-4-150. На консольный загрузчик из карбида кремния помещали 4 кварцевые кассеты, в начало, середину и конец которых устанавливали окисленные пластины, а остальные свободные пазы кассет заполняли кремниевыми балластными пластинами того же диаметра. Дополнительно в каждую загрузку помещали еще по одной окисленной пластине КЭФ-4,5 для изготовления в дальнейщем конденсаторных структур. Расстояние между соседними пазами в кассетах составляло 2,75 мм. Всего в 4 кассетах помещалось 200 кремниевых пластин.Загрузчик с кассетами задвигался в реактор установки, и затем производилась откачка реактора до давления не выще 0,3 Па, после чего включалась продувка реактора азотом с расходом 60 1 6 л/ч при постоянно действующей откачке. Температура по всей длине зоны осаждения задавалась постоянной и равной 565 11 С. После выхода на заданный температурный режим подача азота прекращалась, и реактор откачивался до предельного вакуума не выще 0,3 Па. Затем в реактор с обеих сторон подавался моносилан - концентрат (51 Н 4) ТУ 2437-003-16422443-2000 общим расходом 12 1 1 л/ч при давлении 40 1 4 Па для создания подслоя аморфного кремния толщиной 90-100 нм. Сразу же после прекращения подачи моносилана производилась откачка реактора до предельного вакуума, не превыщающего 0,3 Па, и одновременно начинался подъем температуры с контролируемой скоростью до достижения 635 1 1 С. Затем опять с двух сторон в реактор подавался моносилан с прежним расходом, и происходило осаждение поликремния при давлении 40 1 4 Па до достижения суммарной толщины слоя поликристаллического кремния 500 1 50 нм. Далее производилась откачка реактора до предельного вакуума не выще 0,3 Па, после чего включалась продувка реактора азотом с расходом 60 1 6 л/ч в течение 5 минут. Затем вакуумный затвор откачной системы закрывался, и через 3 минуты в реактор дополнительно подавался азот расходом 150 1 15 л/ч. Через 3 минуты давление в реакторе достигало атмосферного, и консольный загрузчик выгружал кассеты из реактора.На каждой окисленной кремниевой пластине замерялась толщина слоя осажденного поликристаллического кремния в 5 точках по пластине на спектрофотометре - толщиномере КСНЕ.442.241 .001.Количественная оценка состояния техпроцесса производилась с расчетом коэффициентов потенциальной и реальной воспроизводимости по формулегде Ср - коэффициент потенциальной воспроизводимости, А - половина поля допуска контролируемого параметра, с - среднеквадратичное отклонение контролируемого парамет ра. сРК ТАХ 1 (2)где СРК - коэффициент реальной воспроизводимости, ХН - номинальное значение пара метра, Х - среднее фактическое значение контролируемого параметра.Для получения достаточных статистических данных каждый из процессов, указанных в таблице, повторялся 5 раз. Номинальное значение толщины слоя осаждаемого поликремния (Хн) задавалось равным 500 нм, верхняя граница допуска составляла 550 нм,нижняя - 450 нм. Затем производилось легирование поликремния путем диффузии фосфора треххлористого марки ОСЧ ЕТО.035.290 ТУ на системе диффузионной однозонной многотрубной СДОМ-3-100 при температуре 850 1 С в среде кислорода с расходом 20 1 2 л/ч и азота с расходом 300 1 30 л/ч. Далее с поверхности поликремния удалялся образовавшийся в результате легирования слой фосфоросиликатного стекла в водном растворе фтористоводородной кислоты НР Н 2 О 1 3, после чего пластины обрабатывались последовательно в кислотно-аммиачном (КАРО) и перекисно-аммиачном (ПАР) растворах, промывались деионизованной водой и сушились на установке отмывки и сушки.Измерение поверхностного сопротивления (115) слоев легированного поликристаллического кремния производилось на системе отображения удельного сопротивления Лада-37 в 5 точках по пластине. Удельное сопротивление поликристаллического кремния определялось по формулер кз-а, (з) где р - удельное сопротивление материала поликристаллического кремния, (1 - толщина слоя поликристаллического кремния, 115 - поверхностное сопротивление слоя поликристаллического кремния.Затем на слой поликристаллического кремния наносилась пленка алюминия толщиной 1,2 мкм на установке вакуумной непрерывного действия с магнетронной системой распь 1 ления Магна 2 М, после чего методом фотолитографии формировались квадратные электроды площадью 0,25 см 2. Пленка алюминия травилась плазмохимическим методом в среде элегаза на установке Плазма НД 125 ПМ, а плазмохимическое травление слоя поликремния - на установке плазмохимического травления 08 ПХО 100 Т-005 также в среде элегаза. Вжигание алюминия производилось на электропечи диффузионной однозонной 02 ДОМ-75-001 при температуре 475 1 1 С в среде азота с расходом 1000 1 50 л/ч в течение 20 минут, после чего пластины отжигались в среде водорода на системе пирогенного окисления СОТ ППЭ-3/100 Б 2 М 1055.002.Измерение пробивного напряжения подзатворного окисла производилось на измерителе вольтамперных характеристик дРМ 2.651.012. Напряженность электрического пробоя окисла определялась из формулыДалее оценивалось влияние морфологии рельефа верхней поверхности поликристаллического слоя на изолирующие свойства выращенного на нем термического окисла (полиоксида). Для этого изготовленные образцы пластин с легированным поликремнием каждого из экспериментов окислялись пирогенным окислением до толщины окисла 0,1 мкм на системе диффузионной однозонной СДОМЭ-3/ 150-005 Оксид ЗПО, после чего проводилась стандартная химическая обработка пластин и на окисел осаждался слой поли