Пиролитическое осаждение кремния из газовой фазы

Метод химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении
Метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении

В технологии интегральных схем применяются металлические и диэлектрические пленки, изготавливаемые различными методами. В связи с дальнейшей миниатюризацией СБИС необходимо разработать новые методы изготовления пленок с еще меньшей толщиной, плотностью дефектов и большей однородностью. Требуется также максимально увеличить число пластин, которые могут быть обработаны в единицу времени, учесть возможные отрицательные последствия химических реакций между пленкой и подложкой, разогрев пленки в процессе формирования, а также возможность повреждений при облучении.

Рассмотрим пиролитический метод формирования пленок (метод химического осаждения из газовой фазы).
Метод химического осаждения из газовой фазы основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих материалов.

На рис. 1 в разрезе показана установка формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении.На нагретом пьедестале (подставке) горизонтально располагаются пластины. Сверху поступает газ, в атмосфере которого протекают химические реакции. Формирование пленки происходит в результате химических реакций на поверхности пластины. Для обеспечения однородности толщины пленки, газ равномерно подводится к поверхности пластин.

Температура по всей поверхности пластин во время окисления должна поддерживаться одинаковой. Поэтому установки снабжаются устройствами для вращения подставки, а также используются системы подачи газа в соответствии с выбранной формой пьедестала.

В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH₄ и кислород, а в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются и разогреваются). Внутри пьедестала имеется полость, предназначенная для предотвращения рассеяния тепла во внешнее пространство и обеспечения равномерности температуры на пьедестале. Однако, поскольку пластины не плотно прилегают к пьедесталу, то температура их поверхности неодинакова и воспроизводимость результатов ухудшается. Кроме того, по мере увеличения диаметра пластин их число в составе одной партии уменьшается, что препятствует организации их массового производства и является существенным недостатком данного метода.

Метод формирования пленок при нормальном давлении обладает и рядом достоинств, к числу которых относится большая, чем для других методов, скорость формирования пленок, отработанная конструкция установок. Установки сравнительно компактны и отличаются низкой стоимостью. Все это дает основание надеяться, что описанный метод будет применяться и в дальнейшем при внесении некоторых усовершенствований.

Конструкция установки формирования пленок методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении показана на рис. 2. В последнее время главная роль отводится методу формирования пленок при низком давлении. Печь, в которой протекают химические реакции, аналогична диффузионной печи. Пластины в печи располагаются вертикально, расстояние между ними в горизонтальном направлении может быть выбрано равным нескольким миллиметрам. Результаты не зависят от диаметра пластин.

В одной обрабатываемой партии может быть 200 пластин. Длина свободного пробега при низком давлении (обычно 65.5 - 13.3 Па) для молекул химически активных газов в 1000 - 1500 раз больше, чем при нормальном (10⁵ Па). Вследствие высокой скорости диффузии химически активных газов распределение концентрации газов в печи равномерно. Пластины разогреваются индукционным способом. При этом температура на поверхности каждой пластины и между пластинами распределяется равномерно, а воспроизводимость результатов обработки весьма высока.

Сочетание этого фактора с равномерностью распределения концентрации химически активных газов приводит к тому, что и при увеличении числа пластин в партии равномерность толщины пленки существенно повышается по сравнению с использованием метода химического осаждения из газовой фазы при нормальном давлении. Большое достоинство данного метода состоит также в том, что при наличии на пластине ступенек молекулы химически активных газов обтекают эти неровности и пленка повторяет форму пластины.

Метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении широко применяется преимущественно для получения пленок поликристаллического кремния и нитридов кремния. При попытках использования этого метода для формирования других пленок возникает ряд проблем. Так, например, в случае формирования защитных пленок фосфорсиликатного стекла (применяющихся для защиты поверхности ИС) приходится считаться с зависимостью диаметра пластин от диаметра камеры, в которой производится обработка, при получении пленок, содержащих фосфор и мышьяк, в камеру наряду с моносиланом необходимо вводить в малых количествах фосфин и арсин, что приводит к существенному снижению скорости формирования пленок и ухудшению их равномерности по толщине.

Когда к равномерности распределения концентрации химически активных газов предъявляются жесткие требования, в конструкции установки, изображенной на рис. 2, необходимо существенно улучшить геометрию камеры, системы расположения пластин, а также усовершенствовать систему подачи газа.

Поскольку в любом из вариантов метода осаждения из газовой фазы осуществляется пиролиз химически активных газов, то формирование пленки должно проводится при довольно высокой температуре по сравнению с методом термического напыления. В частности, при формировании пленок поликристаллического кремния пластина должна быть разогрета до 600 - 650 ºС, а пленок нитрида кремния до 750 - 800 ºС. Если нагрев пластин до указанных температур по каким-либо причинам нежелателен, то используют альтернативные методы получения пленок (например, плазмохимический метод).