Формирование тонких слоев методом химического осаждения из газовой фазы

Роль тонких пленок для микроэлектроники трудно переоценить. Фундаментальной проблемой, стимулирующей прогресс в области технологии химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) является повышение степени интеграции, и, как следствие, использование трехмерных структур, где наиболее полно реализуются преимущества ХОГФ, такие как: широкий спектр химических реакций; высокая чистота пленок; качественное воспроизведение топологического рельефа; высокая адгезия пленок к нижележащим слоям; отсутствие или уменьшение радиационных повреждений; селективность процесса осаждения. ХОГФ–процессы являются базовой технологией создания диэлектриков и проводников вплоть до 65 нм технологии.

Химическое осаждение из парогазовой фазы представляет собой процесс, при котором вещества, находящиеся в газовой фазе, образуют твердый продукт, вступая в химическую реакцию на поверхности подложки или вблизи нее. ХОГФ позволяет получить практически все функциональные слои, используемые в производстве ИМС. Протекание химических реакций является особенностью, отличающей данные процессы от физических методов осаждения пленки (испарения или напыления). В зависимости от места протекания реакции химического осаждения могут быть гомогенными, гетерогенными или представлять собой сочетание обоих типов. Гомогенные реакции “зарождаются” в газовой фазе и приводят к образованию частиц, что является наиболее значительной проблемой для технологии ХОГФ. Большинство процессов выбирают таким образом, чтобы они протекали на поверхности подложки (гетерогенные реакции), а не в газовой фазе, и обеспечивали осаждение требуемой пленки. Свойства пленок и эффективность их производства путем химического осаждения из парогазовой фазы зависит от достаточно большого количества параметров процесса. Поэтому дальнейшее развитие процессов осаждения связывают с более полным использованием преимуществ метода и поиска оптимального соотношения между параметрами процессов применительно к специфике формируемых ИМС.

Процесс химического осаждения из парогазовой фазы может быть представлен как последовательность кинетических стадий (в частности для гетерогенного процесса):

1) массоперенос реагентов к подложке;

2) адсорбция реагентов на поверхности подложки;

3) химическая реакция на поверхности подложки, включая поверхностную диффузию;

4) десорбция газообразного продукта с поверхности подложки;

5) массоперенос газообразного продукта в направлении от подложки.

Наиболее медленная из этих стадий определяет общую скорость реакции. В диапазоне более низких температур конкретная реакция химического осаждения зачастую оказывается процессом, контролируемым поверхностью. Наиболее вероятной стадией, контролирующей скорость, является слабая абсорбция реагентов на поверхности подложки. В диапазоне более высоких температур скорость чаще всего контролируется диффузионными процессами, причем зависимость скорости осаждения от температуры становится более “умеренной”. Наиболее вероятной стадией, определяющей скорость, является диффузия реагентов и продуктов реакции через пограничный слой по направлениям к и от поверхности подложки.

ХОГФ процессы можно подразделять в соответствии с типом энергии, подаваемой для инициирования и поддержания реакции, следующим образом.

1. Термически активируемые реакции в различных диапазонах давления, к числу которых относится подавляющее большинство процессов химического осаждения из парогазовой фазы; тепло подается посредством резистивного нагрева, либо нагрева с использованием высокочастотной индукции. В этом случае эффект достигается за счет придания молекулам реагентов дополнительной кинетической энергии. Нагрев должен быть непрерывным.

2. Реакции с плазменной активацией процесса (PECVD), где тлеющий разряд, высокочастотным (ВЧ) возбуждением при низком давлении обеспечивает большую часть энергии необходимой для активации процесса осаждения. В отличие от термического нагрева технологический эффект достигается при этом за счет потенциальной энергии разрыва связей.

3. Реакции, индуцируемые фотонами — фотохимические и фоточувствительные реакции (PHCVD) в том числе лазерное осаждение (LCVD). Лазерное осаждение открывает возможности перёд безмасочным формированием микрорисунка, однако, технологическая база таких процессов находится на этапе разработки. При этом энергия, необходимая для реакции, обеспечивается электромагнитным излучением.

Скорость осаждения и однородность пленок, полученных посредством всех процессов химического осаждения из парогазовой фазы, определяются двумя основными параметрами: скоростью массопереноса газообразных реагентов к поверхности подложки и скоростью реакции реагентов на поверхности подложки.

Наиболее простым термически активным процессом является обычное химическое осаждение из парогазовой фазы при атмосферном давлении. В процессе осаждения при атмосферном давлении эти две скорости обычно имеют одинаковый порядок величины. Недостатком этого процесса является тенденция к гомогенному зародышеобразованию, приводящему к образованию мелких частиц, для предотвращения чего необходимы специальные методы инжекции газа. Преимущество химического осаждения из парогазовой фазы при атмосферном давлении является его простота.

Термически активируемые процессы, протекающие при низком давлении, проводятся в большинстве случаев с использованием резистивного нагрева. Уменьшение давления газа усиливает массоперенос относительно скорости реакции на поверхности подложки. К числу ключевых параметров, оказывающих влияние на однородность пленки по толщине в условиях химического осаждения из парогазовой фазы при низком давлении, относятся: распределение и величина температуры в реакторе, уровень давления в реакторе и скорости потоков газообразных реагентов. Для того, чтобы получить равномерный профиль для каждой подложки в пределах всего реактора необходим тщательный контроль и регулировка указанных параметров. В случае осаждения при низком давлении однородность пленок по толщине и качество покрытия ступеньки значительно улучшаются по сравнению с таковыми при осаждении при атмосферном давлении. Пленки имеют меньше дефектов, например, таких, как загрязнение мелкими частицами, вследствие изначально более чистых рабочих условий в реакторе с горячими стенками и вертикальным расположением подложек, что сводит к минимуму образование и осаждение мелких частиц, гомогенно “зародившихся” в газовой фазе. Эти аспекты имеют особенно важное значение для технологии СБИС, где требуется очень высокий уровень надежности устройств и максимальный процент выхода годной продукции.

На рис. 6.1 представлен реактор с горячими стенками, работающий при пониженном давлении и используемый для осаждения поликремния, диоксида кремния и нитрида кремния. Такой реактор состоит из кварцевой трубы, нагреваемой в трехзонной печи. Действие механического насоса иногда усиливается использованием вентилятора. Давление в реакционной камере обычно составляет от 30 до 250 Па, температура 300–900 °С, а расход газа 100–1000 см³/мин в пересчете на атмосферное давление. Подложки устанавливаются вертикально, перпендикулярно газовому потоку, в кварцевой лодочке. Одновременно в реакторах такого типа можно обрабатывать от 50 до 200 подложек.

Рис. 6.1. Промышленный реактор нанесения плёнок нитрида кремния, диоксида кремния и поликристаллического кремния

1 – загрузочный люк; 2 – датчикдавления; 3 – 3–зонный резистивный нагреватель; 4 – кварцевая труба; 5 – ловушка; 6 – вакуумный насос; 7– кремниевые пластины; 8 – регулятор расхода газа

Реакторы с горячими стенками, работающие при пониженном давлении, можно легко увеличить (в масштабе) для обработки подложек диаметром 150 мм. Основные преимущества реакторов рассматриваемого типа — высокая однородность пленок по толщине, большой объем загрузки и возможность обрабатывать подложки большого диаметра. К недостаткам относятся низкая скорость процесса осаждения и использование ядовитых, легковоспламеняющихся или способствующих коррозии газов.

В таблице 6.4 представлены сравнительные характеристики слоев SiO₂, полученных ХОГФ при различных условиях. Как видно из таблицы 6.4, наилучшим сочетанием свойств обладают слои диоксида кремния, полученные среднетемпературным ХОГФ, что и обусловило его широкое распространение. Однако температура процесса не позволяет наносить указанные слои после нанесения слоя алюминия. Поэтому для структур с нанесенными алюминиевыми слоями используют низкотемпературное ХОГФ.

Таблица 6.4. Свойства слоев SiO₂, осажденных различными методами