close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15299

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15299
(13) C1
(19)
H 01L 21/205 (2006.01)
C 23C 16/30 (2006.01)
СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК SiGe
(21) Номер заявки: a 20100912
(22) 2010.06.11
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(72) Авторы: Турцевич Аркадий Степанович; Наливайко Олег Юрьевич; Солодуха Виталий Александрович; Комаров Фадей Фадеевич; Лепешкевич
Геннадий Вольдемарович; Пшеничный Евгений Николаевич (BY)
(73) Патентообладатель: Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(56) US 7354848 B2, 2008.
WO 2004/102633 A3.
EP 0430280 A2, 1991.
EP 1680808 A1, 2006.
US 6605520 B2, 2003.
EP 0305195 A2, 1989.
US 5130885 A, 1992.
US 7176111 B2, 2007.
BY 15299 C1 2011.12.30
(57)
Способ осаждения тонкой пленки SiGe, включающий загрузку полупроводниковых
подложек с оксидом кремния в камеру осаждения, подачу моносилана в камеру осаждения
и осаждение зародышевого кремниевого слоя, подачу в камеру осаждения моносилана и
моногермана и осаждение основного слоя SiGe на зародышевом слое, отличающийся тем,
что осаждение зародышевого и основного слоев проводят при температуре 550-560 °С и
давлении от 0,05 до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а
основной - от 5 до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. %.
Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к технологии
осаждения пленок SiGe из газовой фазы при пониженном давлении, и может быть использовано при создании элементов памяти ЭСППЗУ.
Пленки SiGe используются в различных микроэлектронных устройствах. В таких
устройствах, как гироскопы, акселерометры, микрозеркала, резонаторы поликристаллические пленки SiGe обычно имеют толщину от 3 до 12 мкм и осаждаются с высокими скоростями (более 50 нм/мин) [1]. Пленки SiGe с низким удельным сопротивлением для
формирования затворных электродов обычно осаждаются со скоростями примерно от 5 до
15 нм/мин. Одним из перспективных направлений использования пленок SiGe является
создание нанокристаллов Ge, внедренных в матрицу SiO2, путем термического окисления
пленок SiGe [2]. В этом случае используются очень тонкие (10-30 нм) пленки SiGe с содержанием Ge до 20 ат. %, в связи с чем возникает необходимость разработки процессов
осаждения пленок SiGe с очень низкими скоростями осаждения.
Известен способ осаждения пленок SiGe на подложке [1], включающий осаждение на
подложку первого слоя поликристаллического SiGe методом химического осаждения из
газовой фазы (ХОГФ) при пониженном давлении при первой температуре ниже или равной примерно 520 °C и осаждение на первый слой второго слоя поликристаллического
SiGe методом ХОГФ с плазменной активацией процесса осаждения при второй температуре, меньшей или равной 520 °C, посредством чего получается пленка поликристалличе-
BY 15299 C1 2011.12.30
ского SiGe, содержащая первый и второй слой. Данный метод позволяет получать пленки
поликристаллического SiGe со скоростью осаждения выше 100 нм/мин с низкими механическими напряжениями и низким удельным сопротивлением. Однако такой процесс не
может использоваться для осаждения пленок SiGe толщиной менее 25 нм из-за слишком
короткой длительности осаждения, что приводит к высокой невоспроизводимости и неоднородности тонких пленок SiGe по толщине. Кроме того, при использовании данного способа содержание Ge в пленках SiGe превышает 30 ат. %, а поверхность имеет высокую
шероховатость.
Известен также способ осаждения пленок SiGe [3], включающий размещение полупроводниковой подложки с подзатворным оксидом внутри камеры осаждения, подачу моносилана и водорода в камеру осаждения и формирование множества микрокристаллов Si
на поверхности подзатворного оксида с использованием плазменной системы и подачу
моносилана, моногермана и водорода в камеру осаждения для осаждения слоя SiGe вокруг
микрокристаллов. Данный способ позволяет получить толстые пленки SiGe с низкой шероховатостью поверхности за счет создания слоя зародышей с высокой плотностью. Содержание Ge в пленках SiGe может варьироваться от 5 до 50 ат. %, однако уменьшение
содержания Ge достигается за счет увеличения температуры осаждения, что приводит к
увеличению скорости осаждения и не позволяет повысить однородность и воспроизводимость толщины тонких пленок SiGe.
Наиболее близким по технической сущности решением является способ осаждения
тонкой пленки SiGe [4], включающий загрузку полупроводниковых подложек с оксидом
кремния в камеру осаждения, подачу кремнийсодержащего реагента (моносилана) в камеру осаждения и осаждение зародышевого кремниевого слоя, затем подачу в камеру моносилана, моногермана и осаждение основного слоя SiGe на зародышевом слое.
Однако и данный способ не лишен недостатков. В данном способе при введении моногермана в газовую смесь минимальная скорость осаждения составляет 5-10 нм/мин, при
этом содержание Ge в пленках SiGe более 20 ат. %. При такой скорости длительность
осаждения пленок толщиной менее 25 нм не превышает 2,5-5 мин, что приводит к ухудшению воспроизводимости толщины пленок от процесса к процессу. Уменьшение потоков реагентов приводит к ухудшению однородности толщины и ухудшению управления
содержанием Ge в пленке SiGe, что не позволяет получить пленки SiGe с содержанием Ge
менее 20 ат. %. Таким образом, и этот способ не может использоваться для осаждения
пленок SiGe толщиной менее 25 нм с содержанием Ge менее 20 ат. %.
В основу изобретения положена задача повышения воспроизводимости толщины и
содержания Ge в пленках SiGe толщиной менее 25 нм с содержанием Ge до 20 ат. % и, в
конечном итоге, повышения плотности распределения нанокристаллов Ge.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе осаждения тонкой пленки
SiGe, включающем загрузку полупроводниковых подложек с оксидом кремния в камеру
осаждения, подачу кремнийсодержащего реагента в камеру осаждения, осаждение зародышевого кремниевого слоя, подачу в камеру осаждения моносилана, моногермана и осаждение основного слоя SiGe на зародышевом слое, осаждение зародышевого и основного
слоев проводят при температуре 550-560 °C и давлении от 0,05 до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а основной - от 5 до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. %.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что
заявляемый способ осаждения пленок SiGe отличается от известного тем, что осаждение
зародышевого и основного слоев проводят при температуре 550-560 °C и давлении от 0,05
до 0,15 мм рт.ст., зародышевый слой осаждают толщиной от 1 до 5 нм, а основной - от 5
до 20 нм, при этом содержание германия в слое составляет от 4 до 20 ат. %.
Использования идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для
решения поставленной задачи не обнаружено.
2
BY 15299 C1 2011.12.30
Решение поставленной задачи объясняется следующим образом.
Наиболее сильное влияние на скорость осаждения и содержание Ge в пленках SiGe
при пониженном давлении оказывают два фактора: температура осаждения и концентрация моногермана в газовой фазе. Увеличение концентрации моногермана в газовой смеси
приводит к возрастанию скорости осаждения. Снижение температуры приводит к уменьшению скорости осаждения, с другой стороны, с уменьшением температуры возрастает
содержание Ge в пленках SiGe при одинаковых концентрациях моногермана в газовой фазе. При температурах ниже 560 °C скорость осаждения пленок нелегированного кремния
при пониженном давлении становится менее 2,0 нм/мин, что позволяет увеличить длительность осаждения пленок толщиной 25 нм до 12 минут, что способствует повышению
управляемости и воспроизводимости процесса осаждения по толщине и содержанию Ge.
Уменьшение давления в реакционной камере позволяет дополнительно уменьшить скорость осаждения и, кроме того, повысить однородность толщины пленок по пластине и
вдоль реактора. В то же время при температурах ниже 550 °C при введении моногермана в
газовую смесь содержание Ge в пленках SiGe быстро возрастает, что не позволяет получить пленки с содержанием Ge в диапазоне от 5 до 20 ат. % несмотря на относительно
низкую скорость осаждения и высокую однородность толщины. Таким образом, очевидно,
что получение однородных по толщине и содержанию Ge тонких пленок SiGe с содержанием Ge от 5 до 20 ат. % возможно в узком диапазоне температур и давлений.
Кроме того, пленки SiGe не могут осаждаться прямо на диэлектрик на основе оксида
кремния, потому что Ge подтравливает оксид кремния, приводя к формированию летучего
GeO, что препятствует росту высококачественного слоя SiGe. Эта химическая несовместимость делает желательным введение тонкого слоя кремния между оксидом кремния и
слоем SiGe, поэтому необходимо проводить осаждение в две стадии.
На первой стадии роста происходит адсорбция и пиролиз молекул моносилана на поверхности оксида кремния с образованием тонкого слоя кремния. На второй стадии на них
начинается параллельная адсобрция и пиролиз молекул моногермана и моносилана и, следовательно, рост слоя SiGe. При этом с увеличением толщины осаждаемого слоя содержание Ge быстро приближается к максимальному значению, а профиль распределения Ge
по толщине пленки становится практически однородным.
При температуре выше 560 °C скорость осаждения пленок SiGe превышает 2,5 нм/мин,
что ухудшает однородность и воспроизводимость толщины пленок, а при температуре
ниже 550 °C невозможно обеспечить получение тонких пленок SiGe с концентрацией Ge в
диапазоне от 5 до 20 ат. %.
При давлении выше 0,15 мм рт.ст. не удается достигнуть хорошей однородности толщины и содержания Ge в пленках SiGe вдоль реакционной зоны. Давление ниже 0,05 мм рт.ст. в
горизонтальном трубчатом реакторе пониженного давления не достигается из-за недостаточной скорости откачки стандартного вакуумного агрегата. Использование более мощных
откачных агрегатов потребует существенных затрат на модернизацию вакуумной системы
и системы управления давлением.
Если зародышевый слой кремния менее 1 нм, то имеется вероятность опасного воздействия германия на нижележащий оксид кремния, так как Ge может диффундировать
через слабые места в слое SiGe при проведении последующих высокотемпературных обработок. Если зародышевый слой кремния более 5 нм, ухудшается воспроизводимость
процесса окисления SiGe из-за необходимости окисления дополнительного слоя кремния.
При толщине основного слоя SiGe менее 5 нм и содержании Ge менее 5 ат. % плотность нанокристаллов Ge слишком низкая, что не позволяет получить необходимые вольтфарадные характеристики МОП структуры. При толщине основного слоя SiGe более 20 нм
и содержании Ge более 20 ат. % во время термического окисления SiGe происходит формирование слишком крупных кристаллитов, что приводит к "проколам" оксида кремния и,
как следствие, к увеличению утечек между затвором и каналом и снижению выхода годных.
3
BY 15299 C1 2011.12.30
Реализация предлагаемого способа осаждения пленки SiGe подтверждается следующими конкретными примерами.
В качестве подложек использовались кремниевые пластины диаметром 100 мм с ориентацией (100) и удельным сопротивление 12 Ом⋅см (КДБ12), легированные бором. Для
проведения исследований процесса осаждения пленок Si1-xGex на пластинах предварительно выращивался термический оксид кремния толщиной 30 нм. Осаждение пленок
Si1-xGex проводилось в горизонтальном реакторе пониженного давления с горячими стенками "Лада-34" в интервале температур от 540 до 570 °C. Температурный профиль поддерживался с точностью ± 1 °C. Давление в реакторе изменялось в диапазоне от 0,05 до
0,20 мм рт. ст. В экспериментах использовались 100 %-ный моносилан (SiH4) и 5 %-ная
смесь моногермана (GeH4) с водородом классификации ОС.Ч. Кремниевые пластины в
кварцевой кассете помещались в реактор перпендикулярно газовому потоку, расстояние
между пластинами составляло 5 мм.
Толщина осаждаемых пленок Si1-xGex измерялась при помощи микроспектрофотометра
MPV-SP фирмы Leitz, а также при помощи метода Резерфордовского обратного рассеяния
(POP). Анализ содержания и профиля распределения Ge в пленках Si1-xGex проводился
методом Оже-спектроскопии на установке PHI-660 фирмы Perkin Elmer (экспресс-метод)
и проверялся более точным методом Резерфордовского обратного рассеяния в наклонной
геометрии на ускорительном комплексе AN 2500. Размеры и плотность нанокристаллов
Ge определялись при помощи просвечивающей электронной микроскопии.
Результаты исследования процесса осаждения пленок Si1-xGex и процент выхода годных тестовых МОП структур представлены в таблице.
Анализ таблицы показывает, что диапазон температур 550-560 °C является оптимальным для получения однородных и воспроизводимых по толщине и содержанию Ge пленок
Si1-xGex толщиной менее 25 нм с содержанием Ge менее 20 ат. %. При этом скорость осаждения не превышает 2,5 нм/мин. При температуре выше 560 °C скорость осаждения пленок SiGe превышает 2,5 нм/мин, что ухудшает однородность и воспроизводимость
толщины слоев, а при температуре ниже 550 °C невозможно обеспечить получение тонких
пленок SiGe с концентрацией Ge в диапазоне от 5 до 20 ат. %. Увеличение давления выше
0,15 мм рт. ст. приводит к ухудшению однородности и воспроизводимости толщины и содержания Ge в пленках Si1-xGex.
Результаты исследования процесса осаждения пленок Si1-xGex
Параметры
Толщины слоев
Характеристики пленок Si1-xGex
процесса
ОднородОдноТолщина Тол- СодерПлот№ Тем- ДавСкорость
ность толпервого щина дерность родность
п/п пера- ление,
осаждещины по нанокри- содержа(зароды- второго жание
тура, мм
ния,
пластине, сталлов, ния Ge,
шевого) слоя,
Ge,
°C рт.ст.
нм/мин
слоя, нм
нм
ат. %
см-2
±%
±%
1
540 0,04
0,8
3
25
1,9
4,5
8,1
9,8⋅1010
11
2
550 0,05
2
5
12,8
2,1
3,1
4,6
7,6⋅10
11
3
555 0,10
3
12
4,9
2,2
2,8
3,7
5,4⋅10
11
4
560 0,15
5
20
4,2
2,3
2,8
3,5
4,7⋅10
9
5
570 0,16
6
23
3,1
3,4
15,7
6,8
2,6⋅10
Про560
0,4
4
18
16,7
5,5
4,5
5,0
2,8⋅1011
тотип
Предлагаемый способ позволяет повысить воспроизводимость толщины пленок SiGe в
1,45-1,6 раза, воспроизводимость содержания Ge в 1,35-1,43 раза и повысить плотность
нанокристаллов Ge в 1,7-2,7 раза. Если вышеуказанные условия осаждения тонких пленок
SiGe не выполняются, эффект не достигается.
4
BY 15299 C1 2011.12.30
Таким образом, предлагаемый способ осаждения пленки SiGe позволяет решить задачу повышения однородности и воспроизводимости толщины и содержания Ge в пленках
SiGe толщиной менее 25 нм с содержанием Ge от 5 до 20 ат. %, повышения плотности
нанокристаллов Ge. При этом скорость осаждения пленок SiGe не превышает 2,5 нм/мин.
Источники информации:
1. Патент США 7176111, МПК H 01L21/20, 2007.
2. King Y-C., King T-J., Hu C. "MOS Memory Using Germanium Nanocrystals Formed by
Thermal Oxidation of Si1-xGex", International Electron Device Meeting, 1998, IEDM Technical
Digest. - P. 115-118.
3. Патент США 6605520, МПК H 01L 21/00, 2003.
4. Патент США 7354848, МПК H 01L 21/3205, 2008.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
103 Кб
Теги
by15299, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа