Глава 5. Диэлектрические пленки в ис. Методы их получения. Технологии изготовления гибридных ис

5.1. Конструктивно-технологические функции диэлектрических плёнок

Создание, развитие и широкое внедрение в промышленность планарной технологии в кремниевых ИС в значительной мере обязаны тому, что на поверхности кремния можно сформировать диэлектрическую пленку, обладающую прекрасными маскирующими свойствами. Для этого наиболее распространенным и качественным диэлектриком остается диоксид кремния.

Использование окисленной поверхности кремния в качестве маски обусловлено химической инертностью диоксида кремния SiO₂ по отношению ко многим реагентам. Достаточно сказать, что пленка SiO₂ растворима только в плавиковой кислоте и концентрированных растворах щелочей. Однако роль таких пленок не исчерпывается их применением в качестве масок при формировании элементов ИС и защиты этих элементов от влияния внешних воздействий (примесей, влаги, излучения и т.п.) Диэлектрические пленки служат также для электрической изоляции отдельных приборов и коммутационных проводников (особенно многослойных) в ИС.

В зависимости от функций, выполняемых диэлектрическими пленками, к ним предъявляют различные требования. Например, пленки, применяемые в качестве масок, должны обеспечивать:

• селективность по отношению к тем или иным технологическим факторам (к растворам, облучению, газам, плазме и т.п.);

• отсутствие пор и трещин;

• равномерность толщины, структуры физико-химических свойств по площади и глубине маски;

• хорошую адгезию к пластине.

Если диэлектрическая пленка применяется в качестве изоляции, то её основными характеристиками являются:

• удельное электросопротивление;

• тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) ;

• диэлектрическая проницаемость (ε);

• равномерность и стабильность этих свойств.

5.2. Формирование плёнок SiO2термическим окислением кремния

Наиболее широко применяемым методом формирования плёнок SiO₂ является окисление кремния при высоких температурах - термическое окисление.

Плёнки SiO₂ толщиной 0,5–1 нм легко образуются уже при комнатной температуре, и такая тонкая пленка оказывается весьма устойчивой. Соответственно при высоких температурах (~1200°C) эта аморфная плёнка кристаллизуется. Переходу из аморфного состояния в кристаллическое способствуют центры кристаллизации, созданные примесями и несовершенством структуры.

В результате реакции кремния с кислородом или водой образуется так называемый термический оксид кремния:

. (5.1)

. (5.2)

Заметим, что скорость реакции (5.2) выше, чем скорость реакции (5.1).

В отличие от термических, анодными диоксидами называются такие, которые получаются в жидком электролите или плазме за счет реакции ионов, движущихся под действием электрического поля:

, (5.3)

где - положительный заряд от внешнего источника.

После образования первого слоя SiO₂ на поверхности кремния дальнейший рост диоксида может протекать по двум механизмам:

а) диффузия кислорода через поверхностный слой SiO₂ к поверхности кремния и реакция на этой поверхности с образованием нового монолитного слоя SiO₂;

б) к поверхности диоксида диффундирует кремний и окисляется кислородом.

Однако следует заметить, что второй механизм не играет существенной роли в процессе окисления, так как скорость диффузии кремния в диоксидах на несколько порядков меньше скорости диффузии кислорода.

Таким образом, механизм окисления кремния складывается из нескольких последовательных стадий:

а) диффузии кислорода (или другого окислителя) из газового потока к поверхности кремниевой пластины;

б) адсорбции кислорода этой поверхностью;

в) реакции окисления кремния согласно уравнениям и образования первоначального слоя SiO₂;

г) диффузии окислителя через этот слой к поверхности кремния Si, где и протекает следующая реакция окисления.

Рис.5.1. Схема процесса последовательного окисления Si

Самой медленной из указанных стадий является диффузия кислорода через слой диоксида. Следовательно, она и будет лимитировать скорость процесса в целом.

Для стационарного процесса скорости потоков кислорода во всех стадиях должны быть равны. Поскольку адсорбция происходит мгновенно, то j₁= j₂= j₃ , где j₁ – скорость массопередачи кислорода из газового потока к поверхности пластины; j₂ – диффузии кислорода через окисленный слой к поверхности кремния; j₃ – скорость реакции окисления Si.

Согласно закону Фика, для потока окислителя можно записать:

j ₂ , (5.4)

где D – коэффициент диффузии окислителя в слое диоксида; ,– соответственно концентрации О₂ на поверхности пластины (SiO₂) и границе раздела ″кремний-диоксид″; – толщина слоя диоксида (формально глубина диффузии).

Скорость взаимодействия кремния с кислородом по уравнению (5.1) описывается реакцией первого порядка:

j₃ , где k – постоянная скорости реакции окисления кремния.

Поскольку для стационарного процесса j₂ = j₃ , то

. (5.5)

Для потока окислителя, достигающего поверхность раздела между диоксидом и кремнием:

, (5.6)

где – число молекул окислителя в единицу объёма диоксида, – скорость роста диоксида.

Пусть при t = 0 . Величина– есть толщина диоксида, полученного при предыдущем акте окисления, то есть окисление осуществляется в несколько этапов. Тогда из (5.6) следует

, (5.7)

где ;.

Решая эту систему, получаем:

. (5.8)

Уравнение имеет два предельных случая:

1. Время окисления велико: , гдеВ = const – постоянная параболического закона окисления.

2. Время окисления мало: , гдеВ/А = const – постоянная линейного закона окисления.

t+τ

Рис. 5.2. Экспериментальная зависимость толщины

оксида кремния от времени окисления

lnB

Рис. 5.3. Экспериментальная зависимость параметра В от температуры

Рассмотренная модель термического окисления справедлива как для окисления в чистом ″сухом″ кислороде, так и в чистых парах воды. На практике при термическом окислении обычно используется смесь кислорода и паров воды.

Следует отметить, что количественный анализ процесса окисления во влажном кислороде довольно сложен из-за большого числа возможных реакций в системе и одновременной диффузии в оксидном слое двух окислителей – кислорода и водяных паров. Кроме того, пленки SiO₂, полученные в парах воды и во влажном кислороде, обладают худшими электрическими и защитными свойствами, чем пленки, полученные в ″сухом″ кислороде.

Химическое осаждение диэлектрических пленок из газовой фазы наиболее распространено на практике вследствие простоты, универсальности и высокой производительности процесса. Простота процесса объясняется простотой оборудования и доступностью (недефицитностью) исходных материалов, универсальностью (возможностью осаждать пленки различных материалов), высокой производительностью (значительно большей скоростью химических реакций осаждения по сравнению с процессом окисления).

Для окисления пленок SiO₂ используются следующие реакции:

1. –пиролиз (T = 600-800⁰С, R – органические радикалы, например C₂H₅, CH₃);

2. –окисление (Т = 250-400⁰С);

3. –гидролиз (Т = 200-250⁰С).

Для получения SiO₂-пленок по реакции пиролиза могут использоваться и другие этоксилианы, представляющие собой продукты замещения в молекуле SiH₄ атомов водорода на группу OC₂H₅. При этом степень замещения может изменяться от 0 до 4. Скорость роста пленок SiO₂ по такому методу замещения при Т >700°C достаточно велика, что позволяет получать слои достаточно высокого качества толщиной в несколько микрон всего за 10-15 минут.

Использование температур ниже 700°С не рекомендовано, поскольку в этом случае пиролиз оказывается неполным и, как правило, пленки SiO₂ оказываются загрязненными промежуточными продуктами разложения, которые содержат неконтролируемые донорные и акцепторные примеси.

В отличие от реакции пиролиза (1), реакции окисления (2) и гидролиза (3) протекают без органических остатков и в результате формируются очень чистые пленки. Вместе с тем низкие температуры также крайне не желательны. Поэтому основным требованием к реакциям окисления и гидролиза является жесткий контроль температуры и регулировка концентрации газовой фазы на поверхности пластин.

Обычно скорость роста пленки растет линейно с увеличением скорости потока силана. Однако при повышении температуры скорость осаждения SiO₂ растет очень резко и практически неконтролируемо. Поэтому производят разбавление газа, например кислородом, и тогда зависимость скорости роста SiO₂ от скорости потока силана принимает следующий вид, показанный на рис. 5.4:

Рис. 5.4. Зависимость скорости роста пленки SiO₂ с увеличением

скорости потока газа (силана SiН₄)

Процесс, описываемый реакцией гидролиза (3), начинает протекать уже при комнатной температуре, и образующийся в парах диоксид кремния осаждается на поверхность в виде достаточно рыхлых образований. Как и в предыдущем случае, необходимо поддерживать температуру на уровне 500-550⁰С и подавать пары SiCl₄ (SiF₄) непосредственно на поверхность пластины.

Достоинством процесса осаждения слоев SiO₂ по реакциям окисления (2) и гидролиза (3) является возможность их сочетания с эпитаксиальным наращиванием кремния в одном аппарате и высокая чистота формируемых пленок.

Помимо оксида кремния в технологии ИС используются нитрид кремния Si₃N₄, оксид алюминия Al₂O₃, диоксид TiO₂, пятиокись тантала Ta₂O₅. Например, формирование пленок Si₃N₄ прямым азотированием пластин кремния практически не применяется из-за высоких температур (~1300⁰С) процесса и чрезвычайно малых скоростей формирования пленок. Как и при создании слоев SiO₂, наилучшие результаты получаются при использовании газофазных реакций.

Слои оксида алюминия обычно получают анодным окислением алюминия или осаждением Al₂O₃ из металлоорганических соединений алюминия, как и в случае SiO₂.