6.3. 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 под-ложки.

Наиболее медленная из этих стадий определяет общую ско-рость 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 инициирование 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 реа-гентов дополнительной кинетической энергии. Нагрев дол­жен быть непрерывным.

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

3. Реакции, индуцируемые фотонами - фотохимические и фото­чувствительные реакции (PHCVD) в том числе лазерное осаж­дение (LCVD). Лазерное осаждение открывает возможности перед 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. Преимуществом 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 трех-зонной 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 пленок нитрида крем­ния, диоксида кремния и поликристаллического кремния: 1 - загрузочный люк; 2 - датчик давления; 3 - 3-зонный резистив-ный 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 под-

ложки большого диаметра. К недостаткам относятся низкая ско­рость процесса осаждения и использование ядовитых, легковосп­ламеняющихся или способствующих коррозии газов.

В табл. 6.4 представлены сравнительные характеристики слоев SiO₂, полученных ХОГФ при различных условиях. Как видно из табл. 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.