способ фотохимического осаждения тонких пленок и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ фотохимического осаждения тонких пленок, включающий нагрев подложки в реакторе атмосферного давления, подачу смеси реагирующих газов в зону осаждения и облучение ее ультрафиолетовым излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и скорости осаждения пленок, облучение проводят вакуумным ультрафиолетовым излучением эксимерных молекул инертного газа газоразрядной плазмы барьерного разряда при напряжении 1 20 кВ и частоте 1 20 кГц, причем спектр излучения выбирают из области спектра поглощения смеси реагирующих газов.

2. Эксимерный реактор вертикального типа для фотохимического осаждения тонких пленок, включающий подложкодержатель с нагревателем, узел ввода газа в зону осаждения и источник ультрафиолетового излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и скорости осаждения пленок, в верхней части реактора расположен источник вакуумного ультрафиолетового излучения, включающий электрод с диэлектрическим покрытием и осевым каналом для подачи рабочего газа и сетчатый электрод, а также узел дополнительного ввода рабочего газа, расположенный по краю диэлектрического покрытия электрода, и узел ввода смеси реагирующих газов, расположенный у подложкодержателя, при этом оба узла выполнены в виде трубчатого кольца с отверстиями на внутренней поверхности, а между источником излучения и подложкодержателем размещен центральный эжектор вспомогательного газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии микроэлектронного производства БИС и СБИС и может найти применение при развитии субмикронной технологии микроэлектроники.

В современной микротехнологии широко распространены методы изготовления тонких пленок (металлы, диэлектрики, полупроводники и др.) химическим осаждением из газовой фазы.

Известен способ с фотохимической стимуляцией процесса осаждения, расширяющий сферу применения и открывающий новые возможности [1]

Недостатком этого способа и устройства получения тонких пленок при помощи прямого фотовозбуждения является тот факт, что максимум спектральной интенсивности источника излучения не совпадает с областью спектра, где спектральный коэффициент поглощения реагирующего газа имеет большое значение, что не дает и в полной мере проявить достоинство фотохимического осаждения по сравнению с термохимическим, более заметно повысить скорость осаждения.

Наиболее близкими к изобретению являются способ и устройство, описанные в работе [2] В указанном техническом решении газоразрядная плазма источника излучения не отделена от реактора специальным окном и в фотохимическом осаждении участвует вся спектральная область излучения внутренней лампы (тлеющий разряд в азоте). Газ, проходящий через газоразрядную зону, удаляется из реактора общей системой насосов.

Однако данные способ и устройство обладают рядом недостатков, в них не приняты меры против попадания реагирующих газов из зоны осаждения за счет диффузии в газоразрядную плазму. В результате может иметь место изменение спектрального состава и интенсивности излучения, что приведет к разбросу полученных пленок по толщине при одинаковой выдержке времени при осаждении.

Известно, что излучения из плазмы тлеющего разряда в азоте более интенсивно в сине-фиолетовой и близкой ультрафиолетовой частях спектра. В области вакуумного ультрафиолетового излучения интенсивность излучения мала, в то время как поглощение закиси азота в этой области большое, что приводит к энергетически неполному использованию спектра источника излучения и уменьшению скорости осаждения.

Целью изобретения является повышение качества и скорости осаждения пленок.

Цель достигается тем, что в реакторе создают зону вакуумного ультрафиолетового излучения при помощи газоразрядной плазмы барьерного разряда с применением в качестве излучающего одного из тяжелых инертных газов и облучают зону осаждения и подложку излучением от эксимерных молекул этого газа, причем между зонами излучения и осаждения создают буферную зону путем подачи в нее вспомогательного газа, граница прозрачности которого при фотопоглощении меньше длины волны эксимерного излучения.

Цель достигается также тем, что в эксимерном реакторе вертикального типа в верхней части расположен источник вакуумного ультрафиолетового излучения, содержащий два электрода верхний сплошной, покрытый диэлектриком, с каналом центрального ввода излучающего газа, и нижний сетчатый, подключенные к блоку питания напряжением 1-20 кВ и частотой 1-20 кГц, а также узел ввода излучающего газа в зону излучения, состоящий из трубчатого кольца с отверстиями на внутренней стороне и расположенный по краю диэлектрического покрытия сплошного электрода, в нижней части реактора по краю подложкодержателя расположен аналогичный узел ввода смеси реагирующих газов, а между источниками излучения и подложкодержателем размещен центральный эжектор вспомогательного газа.

Принципиальная особенность прямого фотохимического осаждения тонких пленок в предлагаемом изобретении заключается в том, что при его выполнении процессы излучения и осаждения взаимосвязаны и происходят в одном аппарате эксимерном реакторе при атмосферном давлении. Другая особенность заключается в том, что вместо традиционных источников вакуумного ультрафиолетового излучения (ртутной, водородной, дейтериевой ламп или эксимерных лазеров) в предлагаемом изобретении использовано излучение от эксимерных молекул газоразрядной плазмы барьерного разряда непосредственно в реакторе.

При выборе спектрального состава излучателя максимальная доля падающего потока приходится на спектральный диапазон поглощения реагирующего вещества. В этом случае будет иметь место повышение скорости осаждения. Для такого реагирующего газа, как кислород, наибольшее совпадение спектров излучения и поглощения будет, если в качестве рабочего газа излучателя использовать ксенон. Для закиси азота наиболее подходящим будет аргон. Для аммиака криптон. Приведенными примерами не ограничивается область согласования с другими реагирующими газами. Вакуумное ультрафиолетовое излучение, полученное при помощи эксимерных молекул тяжелых инертных газов, может быть использовано для ряда фотохимических реакций, где реагентами являются металлоорганические и элементоорганические соединения.

Повышение скорости осаждения будет иметь место дополнительно также за счет повышения интенсивности излучения. Работа барьерного разряда при наличии потока рабочего излучающего газа дает возможность повысить уровень вводимой мощности, а следовательно, и интенсивность излучения.

Для того, чтобы исключить попадание реагирующих газов в газоразрядную плазму, создана буферная зона, куда подают газ, который не уменьшает интенсивность выхода излучения. Одновременно при помощи газового потока в этой зоне формируется пограничный слой реагирующих газов в зоне осаждения. В качестве вспомогательного буферного газа используют, например, гелий.

На чертеже показана принципиальная схема эксимерного реактора для осуществления способа фотохимического осаждения пленок.

Эксимерный реактор имеет подложку 1, расположенную на подложкодержателе 2. Для создания зоны излучения с газоразрядной плазмой барьерного разряда служит сплошной электрод 3, покрытый диэлектриком 4, с центральным вводом рабочего газа для излучения, сетчатый электрод 5 и узел 6 для дополнительного ввода рабочего газа в краевую область. Зона осаждения формируется при помощи узла 7 для подачи смеси реагирующих газов к поверхности подложки. Для разделения зоны излучения и осаждения создана буферная зона при помощи ввода вспомогательного газа через эжектор 8. Выхлоп газа осуществляют при помощи выходного патрубка 9. Переменное напряжение на сплошной и сетчатый электрод подают от источника 10 питания.

Выбор параметров разряда обусловлен следующими обстоятельствами. При напряжении на электродах менее 1 кВ и частоте сигнала ниже 1 кГц крайне затруднительно техническое обеспечение развития барьерного разряда вследствие необходимости использования малых разрядных промежутков, выдерживаемых с высокой точностью по всей площади электродов. Увеличение напряжения выше 20 кВ нецелесообразно из-за проявления краевых эффектов с ухудшением однородности излучения по площади электродов и из-за образования скользящих разрядов на элементах конструкции реактора. Выбор частоты барьерного разряда выше 20 кГц приводит к неоправданному увеличению габаритов, веса и повышению сложности источника питания. Таким образом, оптимальные параметры напряжения, подаваемого на электроды, равны: 1-20 кВ; 1-20 кГц.

П р и м е р. Процесс получения тонких пленок проводили в эксимерном реакторе, выполненном в соответствии с предлагаемым техническим решением. Реактор выполнен в виде отрезка трубы диаметром 150 мм из кварцевого стекла. Верхний сплошной электрод круглой формы (диаметр 8 см) из меди с диэлектрическим слоем из стекла. Узлы ввода газа выполнены из медных трубок с внутренним диаметром 3 мм. Нижний электрод изготовлен из медной сетки с размером ячеек 4 мм. Электроды подключены к блоку питания, напряжение на выходе которого регулируют от 1 до 20 кВ, частота сигнала в пределах 1-20 кГц.

Исследовали процесс получения тонких пленок двуокиси кремния на кремниевых подложках. Тонкие пленки SiO₂ (толщиной 5-10 нм) получали при использовании аргона в качестве излучающего газа, расход аргона составлял 25 см³/мин. Газом-носителем служил азот (расход 1500 см³/мин), реагирующий газ смесь закиси азота (расход 500 см³/мин) и моносилана (2% в гелии, расход 200 см³/мин). В качестве вспомогательного газа для создания буферной зоны использовали гелий (расход 200 см³/мин). Процесс проводили при атмосферном давлении. Напряжение и частоту варьировали во всем указанном диапазоне значений. Оптимальные величины напряжения составляли 10-12 кВ, частоты 2-6 кГц. В данном режиме скорость осаждения пленок SiO₂ составляла 200 нм/мин, что в 1,5-2,3 раза выше, чем при использовании известного способа (метод получения пленок SiO₂ при стимулировании процесса ультрафиолетовым излучением ртутной лампы).

После осаждения пленок SiO₂ на их поверхность наносили алюминиевые электроды диаметром 0,5 и 1 мм и определяли процент выхода годных структур типа металл-туннельнотонкий диэлектрик-полупроводник. Выход годных структур при использовании разработанного способа составлял: в случае электродов 0,5 мм 48-57% при диаметре 1,0 мм 29-34% при получении пленок SiO₂ по известному способу соответственно 21-26% и 7-13% Более высокий процент выхода МТДП-структур при получении туннельнотонких пленок SiO₂ с использованием эксимерного реактора обусловлен снижением пористости пленок и более равномерной их толщиной. Снижение дефектности является причиной повышения напряженности поля пробоя пленок SiO₂. Так, если при получении пленок по известному способу напряженность поля пробоя составляет (4,3-7,4) 10⁵ В/см, то в случае осаждения пленок в эксимерном реакторе напряженность поля пробоя повышается до (1,2-2,7) 10⁶ В/см.

Предлагаемый способ может быть успешно использован в технологии микроэлектроники при изготовлении больших и сверхбольших интегральных микросхем. Особенно эффективно применение данного способа в технологии получения сверхтонких и туннельнотонких диэлектрических пленок, когда важно качественное проведение начальной стадии процесса осаждения пленок формирование островков. Способ и реактор для его реализации могут быть применены при разработке модульного оборудования для гибких производственных систем и линий, а также автоматизированного технологического оборудования.

Повышение качества и процента выхода годных пленок позволит получить экономию в народном хозяйстве. Экономический эффект может быть получен в основном за счет повышения процента выхода годных многослойных структур на основе тонких пленок, получаемых в эксимерном реакторе.