2. Осаждение диэлектрических слоев из газовой фазы

Недостатком метода термического окисления кремния является прежде всего высокая температура процесса, что создает большие затруднения в технологии, особенно при окислении пластин, в которых уже сформированы структуры элементов ИС или формируются прецизионные структуры. Эти структуры при длительной высокотемпературной обработке значительно изменяют свои характеристики. Поэтому в технологии ИС были разработаны методы формирования диэлектрических слоев осаждением из газовой или паровой фазы при помощи химических реакций.

Для формирования проводящих участков внутри схемы, создания электрической изоляции, защиты поверхности от воздействия окружающей среды в производстве ИС широко используются тонкие слои на основе кремния: поликристаллический кремний, двуокись кремния, нитрид кремния, силикатные стекла. Общим для диэлектрических слоев различного назначения является требование технологичности, под которой понимают прежде всего совместимость процессов получения покрытия с изготовлением структуры ИС в целом. Технологичными следует считать также процессы, осуществляемые при невысоких температурах и обеспечивающие приемлемую для производства скорость роста. Загрязнения, ухудшающие электрические свойства слоя, должны отсутствовать. Поэтому химическое и электрохимическое выращивание слоев в растворах и электролитах при производстве ИС находит ограниченное применение.

2.1. Особенности технологии и оборудование

Указанные материалы получают из различных исходных реагентов осаждением из паровой (газовой) фазы (ПФХО) при пониженном давлении или в плазме. Метод основан на том, что в зоне реакции при высокой температуре (использование плазмы позволяет снизить температуру процесса) происходит химическое взаимодействие исходных реагентов с образованием конденсированной фазы и конечных газообразных продуктов, которые удаляются с потоком газа-носителя или откачиваются вакуумным насосом. Изменением температуры, давления, скорости газового потока, соотношения компонентов в смеси и их концентрации подбираются условия проведения процесса, обеспечивающие необходимые свойства материалов. Используют реакции пиролиза, восстановления (H₂), окисления (O₂, CO₂, N₂O, NO), гидролиза (H₂O), аммонолиза (NH₃) силана, дихлорсилана, тетрахлорида кремния. Это сложные многостадийные реакции, включающие в себя взаимодействие как в газовой фазе, так и на поверхности в адсорбционном слое. Их кинетика определяется в первую очередь механизмом химической реакции, а также массо- и теплопереносом.

Ключевым моментом, определяющим однородность осаждения слоев из газовой фазы, является соотношение скоростей реакции роста слоя на подложке и массопереноса реагентов или промежуточных продуктов реакции к подложке. Если скорость роста слоя больше или соизмерима со скоростью массопереноса, то процесс протекает в так называемой "диффузионной" области и осаждаемые слои будут иметь большую неоднородность по толщине. В том случае, когда скорость реакции роста слоя намного меньше скорости массопереноса, процесс будет протекать в так называемой "кинетической" области, т.е. закономерности роста слоев определяются химической реакцией, а не процессами массопереноса. В этом случае достигается высокая однородность осаждения слоев.

Однородные по толщине слои на пластинах большого диаметра при высокой производительности процесса получают в горизонтальных проточных реакторах пониженного давления (13,3–1330 Па) (РПД) с "горячими стенками" на основе стандартных промышленных диффузионных печей.

Уменьшение общего давления в реакторе (Р₀) вызывает резкое улучшение условий массопереноса, так как при переходе от атмосферного давления к давлению около 133 Па коэффициент диффузии возрастает примерно в 1000 раз (D~1/P₀). Таким образом, в РПД процесс осаждения, как правило, контролируется химической реакцией.

За счет улучшения условий массопереноса в РПД концентрация активных компонентов в газовой фазе остается практически постоянной по всей длине зоны реакции (550–600 мм), что позволяет, располагая пластины вертикально перпендикулярно потоку на расстояниях 3–20 мм друг от друга, реализовать объемную загрузку пластин и достичь высокой производительности процесса.

Резистивный нагрев обеспечивает высокую однородность прогрева подложек, газовой смеси и стабильность температуры.

Представляет интерес сравнить обобщенные характеристики процессов осаждения в реакторах атмосферного (РАД) и пониженного давления:

Параметр	РАД	РПД
Производительность, пластин/цикл	До 50	До 200
Уменьшение производительности при увеличении диаметра подложки	Сильное	Слабое
Равномерность температуры в рабочей зоне, С Разброс толщины слоев,  %: по пластине по партии пластин	5—10	1
	5—10 10—15	2 3
Скорость осаждения, Å/мин	200—1000	50—200
Расход газа-носителя, м3/ч	1,5—5	0,05

Резкое уменьшение расхода газа-носителя в РПД обусловлено осуществлением доставки исходных реагентов в рабочую зону с помощью вакуумного насоса. В целом затраты на обработку одной пластины в РПД примерно в 5–10 раз меньше, чем в РАД, причем различие усиливается при увеличении диаметра пластин

Однако для некоторых процессов только снижение давления без внесения специальных изменений в конструкцию реактора не позволяет добиться условий равномерного роста слоев по радиусу пластины.

В процессах получения слоев двуокиси кремния из тетраэтоксисилана (ТЭОС), дихлорсилана и закиси азота, слоев кремния — из тетрахлорида кремния и аммиака, дихлорсилана и аммиака, слоев поликристаллического кремния — пиролизом силана при малых расстояниях между пластинами (h) скорости роста всегда падают при движении от края пластины к ее центру, т. е. получается "обычный" вогнутый вид профилей по радиусу пластины. При увеличении h профиль выравнивается. Полагают, что при уменьшении расстояния между пластинами ниже некоторого предела характеристическая скорость диффузии исходных реагентов уменьшается настолько, что становится сравнимой со скоростью поверхностной реакции. Расстояние между пластинами, при котором разброс по пластине равен величине δ=[W(r₀)W(0)]/W(r₀), где W(r₀) и W(0) – скорости осаждения соответственно на краю и в центре пластины, определятся уравнением

h=K_гетr²/(2Dδ), (2.1)

где K_гет – константа скорости гетерогенной реакции; D – коэффициент диффузии.

В процессах получения слоев нитрида кремния из моносилана и аммиака и слоев двуокиси кремния из моносилана и кислорода при малых расстояниях между пластинами также наблюдается "обычный" вид профилей, однако при увеличении h профиль меняется на ярко выраженный "обратный", когда скорость осаждения в центре пластины значительно превышает скорость осаждения на ее краях. Кроме того, для всех процессов этой группы наблюдается ярко выраженный "краевой эффект" — сильное утолщение слоя по периметру пластины. Характерно, что для этих процессов форма профиля осаждения практически не меняется при изменении температуры, давления и концентрации, но сильно зависит от соотношения радиусов пластин (r₀) и реактора (R) и расстояния между пластинами. Оптимальные условия осаждения, гарантирующие разброс толщины на уровне 10 %, характеризуются уравнениями

h/(Rr₀)=610^3P₀+b при P₀160 Па; (2.2)

610^3P₀+0,3h/(Rr₀)2 при P₀=66160 Па, (2.3)

где b – коэффициент, зависящий от природы используемых реагентов. С возрастанием молекулярной массы значение b увеличивается. Для большинства химических систем b=0,31,2.

При давлениях выше 660 Па работать нецелесообразно ввиду резкого уменьшения производительности процессов, а при давлениях менее 66 Па скорости осаждения становятся очень низкими для практического использования.

Предполагается, что лимитирующей стадией всего процесса осаждения является гомогенная реакция образования промежуточного продукта. Характер распределения образующегося продукта по поверхности пластины обусловлен диффузией промежуточного продукта к пластинам.

Оптимальное расстояние h_опт, т. е. расстояние, при котором минимален разброс толщины слоя по пластине, определяет при фиксированной длине реакционной зоны L и толщине пластин a оптимальную производительность процесса осаждения в РПД N_опт:

N_опт=L/(a+h_опт) (2.4)

при постановке по одной пластине в паз лодочки и

N_опт=2L/(2a+h_опт) (2.5)

при постановке пластин попарно нерабочими сторонами одна к другой.

W W W

Рабочая зона

l l l

а) б) в)

Рис. 2.1. Профили скорости осаждения по длине зоны в цилиндрическом РПД с плоским температурным профилем и односторонним вводом газа для систем: а – SiH₄–O₂, SiH₄–NH₃, пиролиз SiH₄–PH₄; б – SiH4–N₂O; в – пиролиз SiH₄, SiH₂Cl₂–NH₂, SiH₂Cl₂–N₂O, ТЭОС–O₂

По мере движения газовой смеси по реактору происходит расходование компонентов на образование слоя материала, т. е. концентрация компонентов постепенно падает. Это означает, что для большинства процессов осаждения при плоском температурном профиле в рабочей зоне наблюдается уменьшение скорости осаждения по длине реактора. Для выравнивания скорости осаждения на практике используют несколько способов, применение которых определяется спецификой протекания реакции, в частности, формой профиля скорости осаждения по длине реактора. Характерные профили осаждения показаны на рис. 2.1.

Процессы, характеризуемые кривой на рис. 2.1, а, наиболее сложны для оптимизации по длине реактора, так как необходимо компенсировать очень сильный спад скорости осаждения. С этой целью вводят температурный градиент по рабочей зоне, увеличивают скорость движения газовой смеси по реактору, проводят разбавление газовой смеси инертным газом для снижения парциальных давлений основных компонентов. В случае, когда эти меры нежелательны или не дают удовлетворительных результатов, используют реакторы сложных конструкций, в частности, ввод газа делают распределенным по рабочей зоне. Наибольшую сложность для оптимизации представляет процесс осаждения низкотемпературного окисла окислением силана кислородом, который протекает по механизму разветвленной цепной реакции.

Профиль скорости осаждения, показанный на рис. 2.1, б, интересен тем, что на начальном этапе процесса существует область низкой скорости осаждения, связанная с гетерогенной реакцией образования слоя. Затем начинается бурный рост скорости осаждения, который, предположительно, характеризует развитие реакции в газовой фазе. Оптимизация процесса осаждения окисла в системе силан—закись азота требует подбора оптимального газового потока и введения температурного перепада 20–40 С в зависимости от температуры осаждения.

Для систем, характеризуемых кривой на рис. 2.1, в, оптимизация процесса по длине реактора наиболее проста, так как профиль скорости осаждения можно без особого труда сделать плоским при почти плоском температурном профиле варьированием скорости движения газа, температуры краев рабочей зоны, общего давления.

Воспроизводимость температурных режимов РПД имеет очень большое значение для воспроизводимости скорости осаждения. Так, при изменении температуры в реакторе на 1 С скорость осаждения слоев изменяется на 1,52,0 %. Как правило, измерение температуры в реакторах производится термопарами при атмосферном давлении. Однако при откачке реактора температура может изменяться на 10–30 С. При загрузке партии пластин на лодочке в реактор происходит изменение температуры в рабочей зоне, для восстановления которой до исходного значения требуется 20–30 мин, причем масса лодочки с пластинами оказывает сильное влияние на скорость восстановления температуры.

Один из важнейших параметров процесса осаждения — рабочее давление, стабильность поддержания которого должна быть не хуже 5 %.

При анализе режимов работы РПД исходят из того, что поток газа Q', лПа/с, в любом сечении вакуумной системы постоянен и может быть записан как произведение давления в i-ом сечении P₀(i) на объем газа, проходящего через это сечение в единицу времени S_i, л/с или м³/ч:

Q'=P₀(i)S_i=const. (2.6)

Величина S_i называется быстротой (скоростью) откачки. Суммарный газовый поток Q'_сум, откачиваемый вакуумным насосом, выражается следующим образом:

Q'_сум=Q'_реаг+Q'_натек+Q'_газ+Q'_масл+Q'_прон, (2.7)

где Q'_реаг – поток реагентов, поступающих в реактор из газовой системы; Q'_натек – поток атмосферного воздуха, поступающего через щели и места плохого уплотнения, например, прокладки в шлюзах; Q'_газ – газоотделение со стенок реактора и вакуумной системы; Q'_масл – поток паров масла, поступающего в откачиваемый реактор из насоса с масляным уплотнением; Q'_прон – газопроницание стенок реактора и вакуумной системы.

По мере удаления от вакуумного насоса, имеющего быстроту откачки S_нас, происходит постепенное уменьшение быстроты откачки вследствие определенного сопротивления элементов вакуумной системы проходящему газовому потоку. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью U и характеризует как отдельные элементы, так и систему в целом. Реальную быстроту откачки в рабочем объеме называют эффективной быстротой откачки S_эфф, которая связана с S_нас уравнением

1/S_эфф=1/S_нас+1/U. (2.8)

I П Ш П IV П V VI V П Ш VП VШ

Рис. 2.2. Циклограмма изменения давления при осаждении слоев в РПД: I – загрузка пластин в рабочую зону; П – откачка до предельного давления; Ш – продувка аргоном; IV – измерение натекания; V – напуск реагентов в байпасную линию; VI – переключение потока в реактор, корректировка давления и осаждение слоев; VП – разгерметизация; VШ – выгрузка пластин из реактора

S_эфф определяет рабочее давление в реакторе P_раб. Эффективная быстрота откачки всегда меньше быстроты откачки вакуумного насоса, а P_раб, следовательно, больше давления на входе вакуумного насоса P_нас. Величину U для всей вакуумной системы РПД можно определить экспериментально, выразив через давление и поток газа по уравнениям (2.6) и (2.8):

U=Q'_сум/(P_рабP_нас). (2.9)

На практике вместо величин потоков газов обычно пользуются объемными расходами газов G_реаг, измеряя их с помощью ротаметров или других приборов, расположенных в газовых системах установок. Как правило, перед измеряющими расход газа приборами устанавливаются регуляторы давления, настроенные на избыточное давление ~210⁴ Па. Величина потока газа выражается через его расход согласно формуле:

Q'_реаг=G_реагP_атм, (2.10)

где P_атм – давление газа на входе в измеряющий расход газа прибор (обычно 1,210⁵ Па).

Типичная циклограмма работы РПД приведена на рис. 2.2.

Рассмотрим три режима работы вакуумной системы: откачка реактора до предельного остаточного давления, продувка реактора и осаждение слоев, измерение натекания в реактор.

При откачке реактора до предельного остаточного давления поток реагентов в реактор не поступает, т. е. Q'_реаг=0. Согласно (2.7) результирующее давление определяется натеканием газа из атмосферы, газоотделением со стенок и обратным потоком паров масла из вакуумного насоса. Величиной Q'_прон в силу очень малых величин можно пренебречь, так что предельное остаточное давление вакуумной системы P_{пред.вак}, устанавливающееся после длительной откачки, можно записать следующим образом:

P_{пред.вак}=(Q'_натек+Q'_масл+Q'_газ)/S'_фэф. (2.11)

При длительной откачке реактора до предельного давления в отсутствие натекания и газаоотделения P_{пред.вак} становится практически равным предельному остаточному давлению насоса P_{пред.нас}, величине паспортной. В случае негерметичности вакуумной системы или газоотделения со стенок P_{пред.вак} будет существенно превышать необходимое для работы давление и потребуется либо искать течь в вакуумной системе, либо проводить обработку реактора или элементов вакуумной системы. Величина Q'_масл максимальна при работе насоса на предельном остаточном давлении, но большого влияния на процесс откачки не оказывает, так как ее изменения влияют на P_{пред.вак} в очень небольших пределах. Как правило, для процессов осаждения в РПД предельное давление в вакуумной системе составляет 1–3 Па.

При продувке реактора или осаждении слоев в реактор поступает поток газов Q'_реаг, в сотни раз превышающий основные составляющие суммарного потока, и можно считать, что рабочее давление в реакторе определяется величиной газового потока реагентов и эффективной быстротой откачки:

P_раб=Q'_реаг/S"_эфф, (2.12)

В уравнениях (2.11) и (2.12) S_эфф различны, так как быстрота откачки насоса, а следовательно, и S_эфф, зависят от давления, причем из-за сопротивления вакуумной системы S_эфф меньше S_нас примерно на 30 %.

Поскольку рабочее давление — один из важнейших параметров процессов осаждения в РПД, его величину подбирают на практике, оптимизируя режимы процесса осаждения. Диапазон изменения P_раб может составлять 25–2500 Па при стабильности поддержания 5 %, а в перспективе (2–3) %. Подставив выражение для S_эфф (2.8) в (2.12), получим:

P_раб=Q'_реаг(1/S_нас+1/U). (2.13)

Рабочее давление, таким образом, регулируется изменением величин Q'_реаг, S_нас и U. Схемы регулирования показаны на рис.2.3.

Регулирование Q'_реаг. Изменяется не поток собственно реагентов, поступающих в реактор, а дополнительный поток газа-носителя, поступающий в вакуумную систему между реактором и насосом. При каком-либо отклонении рабочего давления в реакторе от заданной величины изменяется величина вспомогательного потока газа, компенсирующая изменение P_раб. Например, при осаждении нитрида кремния аммонолизом дихлорсилана образуется большое количество побочного продукта — хлористого аммония, который попадает в вакуумный насос и ухудшает его характеристики. Вследствие уменьшения быстроты откачки насоса давление в реакторе постепенно возрастает, но соот ветствующее уменьшение величины вспомогательного потока азота компенсирует рост давления, стабилизируя его на заданном уровне.

а) б) в)

Рис. 2.3. Схемы устройств регулирования рабочего давления: а – с изменением величины вспомогательного потока газа; б – с изменением скорости вращения двигателя; в – с изменением проходного сечения вакуумной системы. 1 – регулятор расхода газа; 2 – реактор; 3 – датчик давления; 4 – управляющее устройство; 5 – натекатель; 6 – механический насос с масляным уплотнением; 7 – двухроторный насос; 8 – мотор двухроторного насоса; 9 – регулятор скорости вращения мотора; 10 – дроссельная заслонка

Регулирование S_нас. Способ применяется только для вакуумных агрегатов с двухроторными насосами, быстрота откачки которых зависит от скорости вращения двигателя — с увеличением последней растет быстрота откачки. Для процессов осаждения слоев с большими рабочими давлениями этот способ регулирования неприемлем, так как давление в реакторе будет постоянно поддерживаться практически равным входному давлению двухроторного насоса, для которого, согласно паспортным данным, оно не должно превышать 650–1300 Па.

Регулирование U. Проводимость вакуумной системы изменяется путем изменения ее сечения с помощью, например, дроссельной заслонки. Этот способ наиболее распространен в вакуумных установках. Конструкции заслонок различны, но наиболее проста и надежна конструкция в виде диска, имеющего диаметр несколько меньший, чем внутренний диаметр корпуса, закрепленного на поворачивающемся штоке.

Измерение натекания проводят обычно перед каждым процессом осаждения после откачки, продувки реактора инертным газом и стабилизации температуры в реакторе. Величину натекания вычисляют по формуле

Q'_натек=VΔP/t, (2.14)

где V – объем системы; ΔP – изменение давления; t – время измерения. Натекание атмосферного воздуха в реактор вызывает изменение свойств осажденных слоев, т. е. приводит к браку. Так, при осаждении нитрида кремния попадание в реактор кислородсодержащих веществ вызывает появление оксинитрида кремния переменного состава, а при осаждении поликремния наблюдается увеличение электрического сопротивления слоев после легирования фосфором из газовой фазы. Величина натекания подбирается экспериментально для каждого процесса осаждения.

Принципиальная схема установки для осаждения слоев при пониженном давлении приведена на рис. 2.4. Газовая система выполнена из нержавеющей стали и состоит из четырех независимых газовых линий для рабочих газов и двух вспомогательных для продувки инертным газом. На каждой газовой линии

Рис. 2.4. Принципиальная схема установки для осаждения слоев при пониженном давлении

установлены регулятор давления 1, измеритель расхода газа 2, натекатель 3, электромагнитный клапан 4. Смешивание газовых потоков происходит в смесителе 5, откуда смесь поступает либо в байпасную линию 6 для сброса или корректировки газовых расходов, либо в реактор 8. Кварцевый реактор с помощью резиновых прокладок закрепляется в водоохлаждаемых вакуумных шлюзах, расположенных на электропечи 9. Подача газов в реактор осуществляется через шлюз загрузки—выгрузки пластин 7. В откачном шлюзе 10 расположены датчик давления 11 и блок из трех термопар 12, позволяющих измерять температуру в откачанном объеме реактора. Для откачки используются вакуумные агрегаты АВР-150 или АВР-50 18, состоящие из двухроторного насоса 17 и форвакуумного насоса 19. Перед агрегатом расположены ловушка 13, фильтр 14, с помощью которого удерживаются продукты реакции, регулятор быстроты откачки 15, вакуумный вентиль 16. Маслоочиститель 20 необходим для увеличения ресурса работы насоса. Система очистки выброса состоит из маслоотражателя 21, фильтра 22 и поглотителя 23.