МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 4, с. 288-299
ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК.621.315.612
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК БФСС В РЕАКТОРЕ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2007 г. А. С. Турцевич, О. Ю. Наливайко, Л. П. Ануфриев
УП "Завод Транзистор", Белоруссия Aturtsevich@transistor.com.bu Поступила в редакцию 23.06.2006 г.
Проведена модернизация установки осаждения слоев при пониженном давлении "Карат" и реализована система подачи жидких реагентов при помощи испарителей барботажного типа. Впервые проведено исследование процессов осаждения и свойств пленок среднетемпературного фосфоро- и бо-рофосфоросиликатоного стекол, с использованием системы ТЭОС-ДМФ-ТЭБ. Показано, что использование диметилфосфита позволяет в широком диапазоне управлять концентрацией фосфора в пленках СТ ФСС и БФСС. Установлено, что оптимальным диапазоном концентраций бора и фосфора, обеспечивающим приемлемую планарность поверхности после оплавления и устойчивость к дефекто-образованию при межоперационном хранении, составляет 8.7 ± 0.3 вес. % при Ср = 3.0-3.8 вес. %. Установлено, что при использовании системы ТЭОС-ДМФ-ТЭБ(ТМБ) обеднения концентрации фосфора в пленке вдоль реактора не происходит, а суммарная концентрация Св + Ср остается практически постоянной. При этом скорость осаждения пленок БФСС составляет 9.0-10.0 нм/мин и обеспечивается высокая однородность пленок по толщине. После осаждения пленки имеют плотность 2.3 г/см3 и "зеркальную" поверхность, что свидетельствует о минимальной шероховатости поверхности. Пленки БФСС оптимального состава характеризуются пониженной реакционной способностью по отношению к влаге воздуха.
ВВЕДЕНИЕ
С ростом степени интеграции все более важной становится проблема планаризации поверхности подложек на всех стадиях изготовления СБИС [1]. Для планаризации топологического рельефа широко используются легкоплавкие стекла и, в первую очередь, фосфоросиликатное (ФСС) и борофосфоросиликатное (БФСС) стекла [2]. Для получения легкоплавких стекол чаще всего используется окисление моносилана [3] и пиролиз тетраэтоксисилана (ТЭОС) с добавками лигатуры [4], причем из-за более хороших технологических параметров пиролиз ТЭОС предпочтительнее [5].
Недостатками процессов с использованием моносилана является высокая токсичность используемых реагентов, сложность управления процессом и высокая дефектность получаемых слоев вследствие того, что реакции окисления мо-носилана и фосфина протекают по радикально-цепному механизму [5, 6] с образованием промежуточных продуктов в газовой фазе. Из-за низкой температуры осаждения конформность воспроизведения топологического рельефа при использовании моносилана низкая. Пленки с высоким содержанием лигатуры, необходимым для достижения требуемой степени планарности, имеют низкую стабильность при хранении. Применение кремнийорганических соединений (КОС) позволяет получить слои высокого качества [7] и
снизить количество экологически вредных выбросов [8]. Кроме того, использование КОС для осаждения слоев БФСС способствует повышению степени планарности топологического рельефа ИС после оплавления за счет более высокой конформности воспроизведения рельефа на этапе осаждения [9].
Физико-химические свойства кремнийсодер-жащих соединений и лигатуры представлены в табл. 1 и 2.
Основными недостатками систем ТЭОС-ТМФ'ат-О2 и ТЭОС-ТМФ'ат-ТМБ-О2 по сравнению с другими системами считается сложность получения относительно высоких концентраций фосфора (более 3 вес. %) из-за низкого давления паров триметилфосфата [11, 12]. Как показано в работе [13], концентрация фосфора в БФСС, полученном с использованием триметилосфата, сильно зависит от температуры осаждения (рис. 1). По мере увеличения температуры от 675 до 725°С концентрация фосфора снижается от 8-9 до 1.0 вес. %. При этом концентрация бора практически не изменяется и составляет 6.2-6.4 вес. %. Таким образом, для системы ТЭОС-ТМФ'ат-ТМБ-О2 скорость уменьшения концентрации фосфора составляет примерно 0.06 вес. %/град.
Как показано в работе [11], приемлемые углы оплавления а < 45° достигаются при суммарной концентрации бора и фосфора (СВ + СР) > 8.7 вес. %. При этом концентрация бора должна быть не
Таблица 1. Физико-химические свойства кремнийсодержащих соединений и лигатуры [4]
Вещество Условное обозначение Химическая формула Молекулярный вес Физическое состояние Температура, С Плотность, г/смз для жидкости, г/л для газа Показатель преломления Токсичность -ПДК, мг/мз [1з]
плавления кипения
Моносилан - SiH4 з2.12 г -185 -112 1.44 - 1.0
Тетраэтоксисилан ТЭОС (C2H5O)4Si 208.з4 ж -82.5 166.5 0.96825°с 1.з8з7 20
Диметилхлорсилан ДМДХС (cнз)2a2Si 129.06 ж -зб 70.з 1.06420°с 1.4055 1.0
Фосфин - РНз з4.0 г -1зз.8 -87.4 1.5з - 0.1
Триметилфосфат ТМФ-ат (СН3О)3РО 140.07 ж - 19з-196 1.21425°с 1.4089 2.69
Триметидфосфит ТМФ-ит (СНзО)зР 124 ж - - - - -
Треххлористый фосфор - РС1з 1з7.зз ж -90.з 75.1 1.557 1.516 0.2
Оксихлорид фосфора - РОС1з 15з.зз ж - 105.8 1.675 1.460 0.05
Диборан - В2Н6 27.67 г -165.5 -92.5 1.24 - 0.1
Триметилборат ТМБ (СНзО)зВ 10з.91 ж - 55 0.91520°с - -
Трипропилборат ТПБ (СзН70)зВ 188.08 ж - 175-178 0.8625°с 1.з94 -
Треххлористый бор - ВС1з 117.17 ж -107 12.4 1.4з4 1.428 -
Таблица 2. Свойства фосфор- и борсодержащих реагентов
Вещество Химическая формула Обозначение Температура кипения, °С при давлении (мм. рт. ст.) Плотность, г/смз
Триметилборат (СНзО)зВ ТМБ 68.7 (760) 0.9547
22 (125)
Триэтилборат (С2Н5О)зВ ТЭБ 117.4 (760) 0.86з5
22 (1з)
Трипропилборат (СзН7О)зВ ТПБ 175-178 (760) 0.86
Треххлористый бор ВС1з 12.4 (760) 1.4з4
Триметилфосфат (СНзО)зРО ТМФат 19з-196 (760) 1.2144
110 (60)
Триметилфосфит (СНзО)зР ТМФит 110 (760) 1.049з
86-86.5 (з51)
Диметилфосфит [10] (СНзО)2Р(О)Н ДМФ 56-58 (10) 1.1944
Триэтилфосфит (СНзО)зР ТЭФит 156 (760) 0.9687
47-47.5 (10)
Треххлористый фосфор РС1з 75.1 (760) 1.557
Рис. 1. Зависимость концентраций бора и фосфора в слоях БФСС, осажденных в системе ТЭ0С-ТМФ'ит-ТМБ-02 [13] и [11]. -■- Бор [11] -□- Бор [13] Фосфор [11] о фосфор [13] _.
менее 5.65 вес. %, а концентрация фосфора - не менее 1.4 вес. %. Однако пленки с высоким содержанием бора нестабильны при хранении [14, 15], а также недостаточно геттерируют металлические загрязнения. Кроме того, при использовании системы ТЭОС-ТМФат-ТМБ из-за сильного проявления эффекта обеднения фосфором вдоль зоны осаждения достаточно труден поиск компромисса между скоростью осаждения, концентрацией фосфора и однородностью по толщине и по концентрации фосфора.
Поэтому представляет интерес поиск альтернативных систем реагентов для повышения управляемости процессов осаждения СТ ФСС и СТ БФСС по концентрации бора и фосфора, а также стабильности и воспроизводимости осаждаемых пленок по толщине и стабильности пленок СТ БФСС при хранении. В этой связи очень привлекательной является система ТЭОС-диме-тилфосфит (ДМФ) и ТЭОС-ДМФ-ТЭБ(ТМБ).
В настоящей работе исследована кинетика процесса осаждения фосфоросиликатного и бо-рофосфоросиликатного стекла в системе ТЭОС-ДМФ-ТЭБ, а также свойства осаждаемых пленок.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
В качестве подложек использовали кремниевые пластины диаметром 100 мм, легированные бором, с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 12 Ом • см.
Осаждение пленок ФСС и БФСС осуществляли в промышленном реакторе пониженного давления с горячими стенками "Карат" (УЭ ДГЭ.150-009). Отличительные особенности установки "Карат" описаны в [16]. Дополнительно разработана и реа-
лизована система подачи жидких реагентов при помощи испарителей барботажного типа (рис.2). Все реагенты подавались из индивидуальных испарителей, так как имеют разное давление насыщенных паров при одинаковой температуре.
Использовались тетраэтоксисилан ТУ60-11-2154-94, подвергнутый очистке путем перегонки, диметилфосфит ТУ6-09-20-241-93 и триметил-борат ТУ 6-09-20-239-93. Температура испарителей поддерживалась с точностью ±0.5°С. Температура испарителя с ТЭОС составляла 55-57°С, испарителя с ТЭБ - 22-24°С, температура ДМФ варьировалась от 20 до 40°С. Трубопроводы подачи паров ТЭОС нагревались при помощи нагревательных проводов с изоляцией до температуры на 5-10°С выше, чем температура испарителя. Пластины загружались в специальные перфорированные кварцевые кассеты с расстоянием между пластинами 7.5 мм (рис. 3). Толщина осаждаемых пленок составляла 0.75 ± 0.05 мкм. Оплавление слоев БФСС проводили при температуре 850°С в атмосфере сухого кислорода в течение 45 минут, а оплавление слоев ФСС - при температуре 950°С в атмосфере сухого кислорода в течение 30 мин.
Толщина пленок определялась при помощи спектрофотометра MPV-SP фирмы Leica, концентрация фосфора - рентгенофлуоресцентным методом на установке М3613 фирмы Rigaku, а концентрация бора - при помощи ИК-спектро-метрии на установке "SPECORD-75". Кроме того, спектры пленок анализировались при помощи установки ФМС-1201. Величина показателя преломления определялась при помощи лазерного эллипсометра ЛЭФ-3М.
Контроль эффективности планаризации проводился путем измерения угла наклона ступеньки
11
N2 технол.
Рис. 2. Блок-схема подачи реагентов, реализованная на установке "Карат", где: 1 - кварцевый реактор; 2 - карбид-кремниевая консоль; 3 - заслонка; 4 - вакуумный агрегат; 5 - вакуумный затвор; 6 - азотная ловушка; 7 - испаритель (ТЭБ) и испаритель барботажного типа (ТЭОС, ДМФ); 8 - регуляторы расхода газа; 9 - клапаны, 10 - датчик давления; 11 - калиброванное отверстие для напуска азота в реактор; 12 - кассета с пластинами.
Рис. 3. Перфорированная кварцевая кассета. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том з6 < 4 2007
6
4
Рис. 4. Тестовая структура для оценки степени планар-ности топологического рельефа. 1 - подложка, 2 - поликремниевая шина на тонком SiO2, 3 - слой БФСС.
Концентрация фосфора, вес.% 11 г
10
9 8 7 6 5
670 680 690 700 710 720
Температура осаждения, С
Рис. 5. Зависимость концентрации фосфора от температуры осаждения.
Концентрация фосфора, вес.% 12 г
11
10
9 8 7 6 5 4
15 20 25 з0 з5 40 45
Температура ДМФ, С
Рис. 6. Зависимость концентрации фосфора от температуры ДМФ при различны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.