RU2012092C1

RU2012092C1 - Method for producing boron nitride layers on semiconductor substrates

Info

Publication number: RU2012092C1
Authority: RU
Inventors: Т.П. Смирнова; И.Л. Яшкин; Л.В. Храмова; П.Ю. Бакланов; Н.П. Сысоева; Ю.И. Амосов
Original assignee: Институт неорганической химии СО РАН
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: manufacture of semiconductor structures. SUBSTANCE: boron nitride layers are produced as result of reaction of borazole and helium under HF discharge conditions. EFFECT: facilitated procedure. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области изготовления структур на полупроводниках А³В⁵.The invention relates to the field of manufacturing structures on semiconductors A ³ B ⁵ .

Одной из важнейших проблем в технологии изготовления структур на полупроводниках типа А³В⁵ является улучшение качества границы раздела в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. На свойства границы раздела значительное влияние оказывает химический состав, структура и способ получения диэлектрических слоев.One of the most important problems in the technology of manufacturing structures on type A ³ B ⁵ semiconductors is improving the quality of the interface in metal-insulator-semiconductor structures. The chemical composition, structure, and method for producing dielectric layers have a significant influence on the properties of the interface.

На полупроводниках типа А³В⁵ предпочтительнее применять изоэлектронные диэлектрики, так как при этом исключается дополнительное легирование их поверхности элементами диэлектрического слоя. Одним из таких диэлектриков является нитрид бора.On type A ³ B ⁵ semiconductors, it is preferable to use isoelectronic dielectrics, as this excludes additional doping of their surface with elements of the dielectric layer. One such dielectric is boron nitride.

Слои нитрида бора в технологии полупроводниковых структур на А³В⁵ должны получать при низких температурах, что определяется низкими температурами разложения этих полупроводников, поэтому для получения слоев применяются процессы с нетермическими способами активации (плазмо-, фотоактивация и др. ).Layers of boron nitride in the technology of semiconductor structures on A ³ B ⁵ should be obtained at low temperatures, which is determined by the low decomposition temperatures of these semiconductors, therefore, processes with non-thermal activation methods (plasma, photoactivation, etc.) are used to obtain layers.

Известен способ получения слоев нитрида бора из борорганических соединений и их смесей с аммиаком [1] . A known method of producing layers of boron nitride from organoboron compounds and their mixtures with ammonia [1].

Слои получали при Т_п = 250-350^оС. Существенным недостатком способа является загрязнение слоев углеродом.The layers were obtained at T _n = 250-350 ° ^C. A significant drawback of the method is contamination of the carbon layers.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения слоев нитрида бора из боразола (В₃N₃H₆), заключающийся в том, что слои нитрида бора получали из боразола при ВЧ-активации при Т_п = 250-550^оС с использованием гелия и водорода в качестве газа-носителя [2] . Мощность ВЧ-разряда составляла 1-5 Вт, давление боразола Р = 0,1 Торр. Преимуществом использования боразола является то, что эта легколетучая жидкость легко подвергается глубокой очистке, инертна к технологической аппаратуре, в исходной молекуле содержит связь В-N и не содержит элементы, способные легировать полупроводники А³В⁵.The closest to the proposed method is a method for producing boron nitride layers borazole (B ₃ N ₃ H _6), comprising the steps that the layers of boron nitride prepared from borazole activation with HF at T _p = 250-550 ^{° C} using helium and hydrogen as a carrier gas [2]. The RF discharge power was 1–5 W, and the borazole pressure was P = 0.1 Torr. The advantage of using borazole is that this volatile liquid is easily deep cleaned, inert to technological equipment, contains the B-N bond in the original molecule and does not contain elements capable of doping A ³ B ⁵ semiconductors.

Недостатком такого способа является то, что при низких температурах Т_п = 250-300^оС в случае использования гелия в качестве газа-носителя получаются слои, содержащие большое количество водорода в виде В-Н, N-Н и N-Н₂ групп, поэтому получающиеся слои нестабильны, быстро гидролизуются в атмосферных условиях. Замена гелия на водород позволяет снизить содержание водорода в слоях до 15% и повысить устойчивость слоев к влаге. Однако содержание водорода на уровне 10-15% является причиной термической нестабильности слоев, а также их неустойчивости в электрических полях. Кроме того, для способа характерна взрывоопасность процесса при использовании водорода в качестве газа-носителя.The disadvantage of this method is that at low temperatures T _p = 250-300 ^about With the use of helium as a carrier gas, layers containing a large amount of hydrogen in the form of B-H, N-H and N-H ₂ groups are obtained therefore, the resulting layers are unstable, rapidly hydrolyzed under atmospheric conditions. Replacing helium with hydrogen can reduce the hydrogen content in the layers to 15% and increase the resistance of the layers to moisture. However, the hydrogen content at the level of 10-15% is the cause of the thermal instability of the layers, as well as their instability in electric fields. In addition, the method is characterized by the explosiveness of the process when using hydrogen as a carrier gas.

Цель изобретения - повышение стабильности слоев, получаемых из боразола. The purpose of the invention is to increase the stability of the layers obtained from borazole.

Это достигается тем, что по способу получения слоев нитрида бора на полупроводниках А³В⁵, включающему размещение подложек в нагреваемой зоне реактора, удаленной от зоны плазмы, создаваемой с помощью ВЧ-разряда и введение в реактор боразола и гелия, температуру подложки поддерживают в интервале 160-200^оС, расстояние между подложкой и краем индуктора составляет 10-14 см, мощность, подводимая к индуктору, составляет 6-10 Вт, процесс ведут при парциальном давлении гелия (3-8)˙10^-2 Торр, вводимого через зону ВЧ-разряда частотой 13,56 МГц и парциальном давлении боразола (2-3)˙10^-2 Торр, вводимого за зоной индуктора на расстоянии не более 1 см от его края.This is achieved by the fact that, according to the method for producing layers of boron nitride on A ³ B ⁵ semiconductors, including the placement of substrates in the heated zone of the reactor, remote from the plasma zone created by RF discharge and the introduction of borazole and helium into the reactor, the temperature of the substrate is maintained in the range 160-200 ^о С, the distance between the substrate and the edge of the inductor is 10-14 cm, the power supplied to the inductor is 6-10 W, the process is carried out at a partial pressure of helium (3-8) ˙10 ^-2 Torr introduced through the zone 13.56 MHz RF discharge and partial pressure borazole (2-3) ˙10 ^-2 Torr, introduced behind the inductor zone at a distance of not more than 1 cm from its edge.

Слои нитрида бора с низким ≅1 ат. % содержанием водорода при температурах подложек 160-200^оС получались за счет того, что возбужденные ВЧ-разрядом высокоэнергетические частицы гелия (Е = 19,8 эВ) сталкиваясь с молекулами боразола, вводимыми за зоной индуктора, по реакции Пеннинга образуют дегидрированные промежуточные радикалы, которые, адсорбируясь на подложке, полимеризуются. При этом за счет дополнительной термической активации и взаимодействия поверхности с возбужденными атомами гелия происходит более глубокое дегидрирование.Layers of boron nitride with a low ≅1 at. % Hydrogen content at substrate temperatures of 160-200 ^{° C} were obtained due to the fact that RF-excited high-energy particles discharge of helium (E = 19.8 eV) collide with molecules borazole administered per area inductor, at Penning form a dehydrogenated reaction intermediate radicals, which, being adsorbed on a substrate, polymerize. Moreover, due to additional thermal activation and surface interaction with excited helium atoms, a deeper dehydrogenation occurs.

Получение слоев нитрида бора осуществляется в реакторе для получения слоев, представляющем собой кварцевую трубу диаметром 70 мм и длиной 700 мм. Реактор имеет две зоны. В первой зоне расположен подложкодержатель, нагреваемый печью. Во второй зоне с помощью индуктора генерируется плазма частотой 13,56 мГц. Индуктор изготовлен из полой медной трубки диаметром 6 мм, имеет пять витков и его длина составляет 120 мм. Ввод боразола и гелия осуществляется через газораспределительные системы. Obtaining layers of boron nitride is carried out in the reactor to obtain layers, which is a quartz tube with a diameter of 70 mm and a length of 700 mm. The reactor has two zones. In the first zone is a substrate holder heated by the furnace. In the second zone, a plasma with a frequency of 13.56 MHz is generated using an inductor. The inductor is made of a hollow copper tube with a diameter of 6 mm, has five turns and its length is 120 mm. Borazole and helium are introduced through gas distribution systems.

Способ осуществляется следующим образом. Полированные пластины-полупроводники (антимонид индия, арсенид индия, арсенид галлия и др. ) после стандартной химической обработки (индивидуальной для каждого типа полупроводника) помещались в реактор на подложкодержатель, расположенный на расстоянии Х₁ от края индуктора. Реактор закрывался и откачивался со скоростью 5 л/с до остаточного давления Р_ост. = 10^-2 Торр. Подложка нагревалась до заданной температуры Т_п. Через газораспределительные системы подавался сначала гелий. После установления парциального давления гелия в реактор подавался боразол и устанавливалось его парциальное давление. Затем на индуктор подавалась ВЧ-мощность и проводился процесс. Скорость роста составляла 20-30 А/мин. После окончания процесса выключался ВЧ-генератор, отключался поток боразола, подложка охлаждалась и в потоке гелия извлекалась из реактора, отключался поток гелия.The method is as follows. After standard chemical treatment (individual for each type of semiconductor), polished semiconductor wafers (indium antimonide, indium arsenide, gallium arsenide, etc.) were placed in the reactor on a substrate holder located at a distance of X ₁ from the edge of the inductor. The reactor was closed and pumped out at a speed of 5 l / s to a residual pressure of R _ost. = 10 ^-2 Torr. The substrate was heated to a given temperature T _p . Helium was first supplied through gas distribution systems. After the partial pressure of helium was established, borazole was fed into the reactor and its partial pressure was established. Then, the RF power was supplied to the inductor and the process was carried out. The growth rate was 20-30 A / min. After the end of the process, the RF generator was turned off, the borazole stream was turned off, the substrate was cooled and removed from the reactor in the helium stream, and the helium stream was turned off.

Состав слоев определялся методом МК-спектроскопии, который позволяет кроме групп В-N определять количество водорода в виде групп В-Н, N-Н и N-Н₂. Другие методы такие, как Оже-спектроскопия и спектроскопия обратного рассеяния, не обнаруживают различие в составе стабильных и нестабильных слоев, содержащих большое количество водорода: в обоих случаях эти методы дают соотношение B/N = 1 и не пригодны для анализа водорода. Толщина слоев определялась методом эллипсометрии.The composition of the layers was determined by the method of MK spectroscopy, which, in addition to the B-N groups, allows determining the amount of hydrogen in the form of the B-H, N-H, and N-H ₂ groups. Other methods, such as Auger spectroscopy and backscattering spectroscopy, do not show a difference in the composition of stable and unstable layers containing a large amount of hydrogen: in both cases, these methods give a ratio B / N = 1 and are not suitable for hydrogen analysis. The thickness of the layers was determined by ellipsometry.

Таким образом, промышленное использование способа в технологии структур на полупроводниках А³В⁵ позволяет при более низких температурах подложки 160-200^оС получать слои нитрида бора с низким (1 ат. % ) содержанием водорода. Слои имеют показатель преломления n = 1,7 и диэлектрическую проницаемость ε= 5,5 (для сравнения эти показатели для стехиометрического нитрида бора, полученного при температурах > 800^оС составляют n = 1,72 и ε= 5,75 соответственно). Коэффициент поглощения слоев α= 4 ˙10⁴ см^-1 (поглощение осцилляторов В - N - В на частоте ω= 1370 см^-1) и толщина слоев не изменяются при длительном хранении в атмосферных условиях.Thus, the industrial use of the process technology in semiconductor structures A ³ B ⁵ allows at lower substrate temperatures 160-200 ^{° C} to obtain boron nitride layers with low (1 at.%) Content of hydrogen. The layers have a refractive index n = 1,7 and permittivity ε = 5,5 (Compare these numbers to the stoichiometric boron nitride obtained at temperatures> 800 ^° C are n = 1,72 and ε = 5,75 respectively). The absorption coefficient of the layers is α = 4 × 10 ⁴ cm ^-1 (absorption of the B - N - B oscillators at a frequency of ω = 1370 cm ^-1 ) and the layer thickness does not change during prolonged storage in atmospheric conditions.

Зависимость коэффициента поглощения от температуры отжига для слоев, полученных в примере 2, приведена в таблице. The dependence of the absorption coefficient on the annealing temperature for the layers obtained in example 2 is shown in the table.

Claims

METHOD FOR PRODUCING BORON NITRIDE LAYERS ON SUBSTRATES FROM SEMICONDUCTORS OF TYPE A ³ B ⁵ , comprising placing the substrate in the heated zone of the reactor, remote from the plasma zone created by RF discharge, and introducing borazole and helium into the reactor, characterized in that the substrate temperature is maintained in the range of 160 - 200 ^o C, the distance between the substrate and the edge of the inductor is 10 - 14 cm, the power supplied to the inductor is 6 - 10 W, the process is carried out at a partial pressure of helium (3 - 8) · 10 ^-2 Torr introduced through the RF discharge zone with a frequency of 13.56 MHz, and borazole artsialnom pressure (2 - 3) × 10 ^-2 Torr administered over inductor area is not more than 1 cm from its edge.