Способ осаждения легированных пленок поликристаллического кремния для изготовления обкладок накопительного конденсатора

 

Использование: в микроэлектронике, в частности способах создания накопительных конденсаторов УБИС ДЗУПВ. Сущность изобретения: способ предусматривает осаждение легированных пленок поликристаллического кремния с нанесением островкового подслоя толщиной 2-9,5 нм с последующим его отжигом в смеси гексафторида вольфрама с инертным газом /соотношение (1:5):(1:50)/ при 250-300 ^oC и давлении 15-100 Па в течение 0,5-2 мин. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании накопительных конденсаторов УБИС ДЗУПВ.

Известен способ осаждения легированных пленок поликристаллического кремния [1] включающий осаждение слоя аморфного кремния при 560-580^oС из парогазовой смеси разложением моносилана с добавлением в нее фосфина и рекристаллизацию аморфного кремния с поликристаллический термообработкой в среде азота с кислородом при 950-1000^oС.

Однако из-за повышенных механических напряжений, сильного воздействия пленки на приповерхностный слой подложки данному способу присущи следующие недостатки: при термообработке аморфной пленки происходит перегруппировка атомов кремния, в результате они оказываются в узлах решетки; но поскольку межатомные расстояния в "псевдорешетке" аморфного кремния больше, чем в упорядоченной решетке кристаллического кремния, рекристаллизационный слой дает "усадку", происходит образование пор, трещин и микропустот, причем дальнейшие процессы обработок способствуют развитию этих дефектов. При последующих технологических операциях через сквозные поры и микротрещины возможно проникновение травителя, легирующей примеси или материала, применяемого для формирования омического контакта, что обуславливает резкое ухудшение качества МДП-структур, формируемых на основе пленок поликристаллического кремния, осажденного при помощи данного способа. Наконец, из-за плоского микрорельефа поверхности рекристаллизованной пленки эффективная площадь накопительного конденсатора ДОЗУ практически равна площадки этой обкладки в плане, что не позволяет использовать ячейку памяти с простым стековым конденсатором при создании ДОЗУ информационной емкостью 4-64 Мбит.

Целью изобретения является увеличение эффективной площади поверхности пленки путем изменения условий зародышеобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе осаждения легированных пленок поликристаллического кремния, включающим нанесение подслоя поликристаллического кремния пиролитическим разложением моносилана при давлении не более 13,3 Па и температуре 560-580^oС, осаждение слоя кремния при давлении 33,7-66,5 Па из парогазовой смеси, содержащей моносилан и фосфин при соотношении ингредиентов в смеси 0,0008-0,007, при температуре 560-580^oС и последующую термообработку, подслой наносят островковым толщиной 2-9,5 нм, затем проводят отжиг подслоя в гексафториде вольфрама с инертным газом при температуре 250-300^o при давлении 15-100 Па в течение 0,5-2 мин при соотношении гексафторид вольфрама-инертный газ 1:5 1:50.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом техническом решении увеличение эффективности площади поверхности пленки путем изменения условий зародышеобразования обусловлено следующим: так как подслой наносят при низком давлении (не более 13,3 Па) пиролитическим разложением моносилана толщиной 2-9,5 нм, то он формируется островковым, т.е. в виде отдельных центров зародышеобразования. При последующем отжиге "островкового" подслоя в гексафториде вольфрама с инертным газом при указанных условиях на поверхности центров зародышеобразования в результате восстановления гексафторида вольфрама кремнием образуется "корочка" из вольфрама. При этом образования вольфрама на диэлектрическом слое (т. е. в местах, свободных от зародышей кремния) не происходит, так как реакция восстановления гексафторида вольфрама кремнием в указанных условиях абсолютно селективна.

При последующем осаждении сформированные на первом этапе центры зародышеобразования получают преимущественное развитие, вероятно, за счет стимулирующего действия вольфрама. При этом габитус растущих кристаллитов приближается к полусферической форме, размеры их составляют в основании 200-300 нм, а высота достигает 100-150 нм. Плотность таких кристаллитов равна 1,2 х 19⁹ см^-2. С учетом размеров и плотности управляемо формируемых зерен-кристаллитов полусферической формы за счет изменения условий зародышеобразования установлено, что увеличение эффективной площади поверхности поликристаллической пленки существенно возрастает. Важным является также то, что токи утечки при этом благодаря полусферической форме зерен практически не увеличиваются.

При отсутствии отжига подслоя в гексафториде вольфрама с инертным газом пленка формируется с весьма гладким микрорельефом поверхности.

На фиг.1 приведен ПЭМ-снимок микрорельефа поверхности пленки, полученной по способу-прототипу; на фиг.2 РЭМ-снимок (под углом 20) микрорельефа поверхности пленки, полученной по изобретению.

Сравнительный анализ приведенных микрофотографий убедительно демонстрирует повышение эффективной площади поверхности поликристаллического кремния за счет образования зерен полусферической формы в случае отжига подслоя в гексафториде вольфрама с инертным газом.

Пример реализации. Осаждение пленок кремния осуществляли на установке Лада-34 (ф. Semi Engineering) c горизонтальным трубчатым реактором с горячими стенками, изотермической зоной и распределенной подачей реагентов. Использовался вакуумный агрегат ф. Alcateel. Величина давления в реакторе поддерживалась путем подачи регулируемого потока азота на вход насоса. Загрузка, выгрузка бесконтактная, консольного типа.

Загрузка пластин групповая, в кассетах по 75 пластин с расстоянием между пластинами 3,5 мм.

В качестве источника кремния использовался моносилан-концентрат ТУ 6-02-1163-79, смесь фосфина с аргоном м8 ТУ 301-07-25-90 и гексафторид вольфрама ТУ 6-62-78-137-87, температура осаждения подслоя и основного слоя составляла 575±5^oС. Величина давления при осаждении подслоя составляла 8-10 Па, а при доращивании слоя 63,5±2 Па. Соотношение составляло приблизительно 0,0012. Температура поддерживалась с точностью ±0,5^oС.

Осаждение проводили следующим образом.

После загрузки пластин проводилась откачка реактора до предельного вакуума. Затем проводили нанесение подслоя толщиной 1-15 нм разложением моносилана. Затем отжигали подслой в гексатфориде вольфрама с аргоном при температуре 225-325^oС при давлении 10-120 Па в течение 0,3-2,5 мин при соотношении 1:3 1:70. Затем доращивали пленку при температуре 575±5^oС. Термообработку пленки проводили на установке Оксид ЗПО в среде азота при температуре 900^oС в течение 15 мин. Суммарная толщина пленки составляла 0,1±0,01 мкм.

Всего проведено 8 процессов.

Двуокись кремния формировали пирогенным окислением при 950^oС. Толщина пленки кремния контролировалась профилометром Dektak-4520 и при помощи многоугловой лазерной эллипсометрии.

Величина мирконеровностей поверхности и форма зерен контролировались при помощи просвечивающего электронного миркоскопа ЭМ-125 методом угольных реплик, растровой приставки на высоковольтном электронном микроскопе Н-800 и профилометра.

Дополнительно формировали плоские тестовые накопительные конденсаторы (НК) площадью 100 х 100 мкм², нижней обкладкой которых служила легированная пленка поликремния, осажденная по предлагаемому способу, и проводили измерения их емкости, отношение емкости НК с пленкой поликристаллического кремния, осажденной в каждом конкретном случае -С_к, и емкости НК для способа-прототипа С_п (С_к/C_п, отн. ед.).

В качестве конденсаторного диэлектрика использован нитрид кремния, полученный аммонолизом дихлорсилана толщиной 17,5±1,5 нм при температуре 800^oС и давлении 50±3 Па и отношении после чего проводилось прокисление пленки при температуре 850^oС, толщина прокисленного нитрида составляла 2 нм.

Верхняя обкладка НК формировалась из легированного в процессе роста фосфором поликремния, который осаждался по способу-прототипа.

Данные сведены в таблицу. В ней указаны: толщина подслоя (dn, нм); температура отжига в WF₆ (Т_o, ^oС); давление при отжиге в WF₆ (P_o, Па); длительность отжига (t, мин); отношение /Q_{инерт.газ}/γ, отн. ед.); а также отношение С_к/C_n, (C_к/C_n, отн.ед), характеризующее отношении площадей эффективных поверхностей пленки в сравнении с прототипом; характер формирования микрорисунка в поликремнии, легированном фосфором М ("+" нет затруднений, "-" есть затруднения); отношение тока утечки НК по прототипу In и током утечки НК для каждого конкретного случая Ik(In/Ik, отн. ед.).

Формула изобретения

Способ осаждения легированных пленок поликристаллического кремния для изготовления обкладок накопительного конденсатора, включающий нанесение подслоя поликристаллического кремния пиролитическим разложением моносилана при давлении не более 13,3 Па и температуре 560 580^oС, осаждение слоя кремния при 33,7 66,5 Па из парогазовой смеси, содержащей моносилан и фосфин, при отношении ингредиентов в смеси 0,0008 0,007, при температуре осаждения подслоя и последующую термообработку, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективной площади поверхности пленки путем изменения условий зародышеобразования, подслой наносят островковый толщиной 2,0 9,5 нм, затем производят отжиг подслоя в смеси гексафторида вольфрама с инертным газом при 250 300^oC и 15 100 Па в течение 0,5 2,0 мин при соотношении гексафторид вольфрама инертный газ 1 5 50.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3