RU2119692C1 - Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films - Google Patents
Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films Download PDFInfo
- Publication number
- RU2119692C1 RU2119692C1 RU96105179A RU96105179A RU2119692C1 RU 2119692 C1 RU2119692 C1 RU 2119692C1 RU 96105179 A RU96105179 A RU 96105179A RU 96105179 A RU96105179 A RU 96105179A RU 2119692 C1 RU2119692 C1 RU 2119692C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- films
- oxidation reaction
- chemical deposition
- deposition
- thin silicon
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
Description
В технологии изготовления СБИС широко используются пленки диоксида кремния, получаемые а) окислением кремния при 1200oC в присутствии различных добавок, б) в реакции окисления моносилана кислородом в присутствии инертного газа при температуре не ниже 400oC [1], в) в реакции окисления моносилана закисью азота в зоне послесвечения плазмы при температурах не ниже 200oC [2] . Несмотря на различные технологические приемы, применяемые при реализации этих способов, в перечисленных методах используются либо высокие температуры, либо высокочастотный разряд, что недопустимо при работе с соединениями, подвижность электронов в которых резко уменьшается с ростом температуры, а также в высокочастотных электрическом и магнитном полях (A3B5, A2B6, высокотемпературные сверхпроводники).Silicon dioxide films are widely used in the VLSI manufacturing technology, obtained a) by oxidation of silicon at 1200 ° C in the presence of various additives, b) in the oxidation of monosilane by oxygen in the presence of an inert gas at a temperature of at least 400 ° C [1], c) in the reaction monosilane oxidation with nitrous oxide in the afterglow zone of the plasma at temperatures not lower than 200 o C [2]. Despite the various technological methods used in the implementation of these methods, the methods listed above use either high temperatures or a high-frequency discharge, which is unacceptable when working with compounds whose electron mobility decreases sharply with increasing temperature, as well as in high-frequency electric and magnetic fields ( A 3 B 5 , A 2 B 6 , high temperature superconductors).
Наиболее близким к предложенному по технической сути и достигаемому результату является способ получения пленок диоксида кремния, основанный на расширении области воспламенения горючих смесей при внешнем инициировании и использующий реакцию разветвленно-цепного окисления дихлорсилана при температуре 130oC в охлаждаемом до 0oC реакторе и давлении 250 Па в квазистатических условиях при однократном воспламенении, при этом воспламенение инициируют удаленным от подложки импульсным локальным источником энергии [3].The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method for producing silicon dioxide films, based on the expansion of the ignition region of combustible mixtures with external initiation and using the reaction of branched chain oxidation of dichlorosilane at a temperature of 130 o C in a reactor cooled to 0 o C and a pressure of 250 Pa under quasistatic conditions with a single ignition, while ignition is initiated by a pulsed local energy source remote from the substrate [3].
В способе-прототипе используется осаждение при однократном воспламенении, что принципиально ограничивает толщину получаемых пленок и соответственно возможность их использования в качестве защитных и диэлектрических слоев в технологии микроэлектроники. Использование нагреваемой металлической спирали в качестве источника физического стимулирования может приводить к включению адсорбированных на металле посторонних примесей в материал осаждаемой пленки и ухудшению ее электрофизических характеристик. In the prototype method, single-ignition deposition is used, which fundamentally limits the thickness of the resulting films and, accordingly, the possibility of their use as protective and dielectric layers in microelectronics technology. The use of a heated metal spiral as a source of physical stimulation can lead to the inclusion of extraneous impurities adsorbed on the metal in the material of the deposited film and the deterioration of its electrophysical characteristics.
В литературе известны два способа расширения области воспламенения горючих смесей при низких давлениях - описанное выше физическое инициирование [3] и использование химически активных добавок [4]. В технологии микроэлектроники используют обычно физические методы стимулирования, поскольку сорбция и побочные реакции химически активных добавок приводят к ухудшению механических и электрофизических свойств получаемых пленок [5]. В данном изобретении применяется инициирование химической добавкой, причем в качестве последней использован промежуточный продукт используемой рабочей реакции, поэтому перечисленные отрицательные явления исключены. Two methods are known in the literature for expanding the ignition region of combustible mixtures at low pressures — the physical initiation described above [3] and the use of chemically active additives [4]. In the technology of microelectronics, physical stimulation methods are usually used, since sorption and side reactions of chemically active additives lead to a deterioration in the mechanical and electrophysical properties of the resulting films [5]. In this invention, the initiation of a chemical additive is used, the intermediate product of the working reaction used being used as the latter, therefore, the above-mentioned negative phenomena are excluded.
В данном изобретении использован установленный нами факт образования в качестве промежуточного продукта низкотемпературного окисления дихлорсилана соединения, содержащего Si - O связи. Было показано, что это соединение взаимодействует с другими активными частицами (носителями цепей) процесса окисления, приводя в определенных условиях к расширению области воспламенения смесей дихлорсилана с кислородом до 15oC. Это - квадратичная реакция (второго кинетического порядка) по концентрации промежуточных частиц, и если она приводит к увеличению количества носителей цепей, то согласно [4] область воспламенения должна расширяться, что и наблюдается экспериментально. Таким образом, достичь значительного расширения области воспламенения можно, добавляя к рабочей смеси Si - O содержащий промежуточный продукт. Накопление этого продукта, который является относительно долгоживущим (время жизни около 100 с), осуществляют в буферном объеме, воспламеняя в нем исходную горючую смесь термическим импульсным источником. После нескольких инициированных воспламенений буферный объем соединяют с реактором, в котором находится подложка для осаждения и через который непрерывно прокачивается исходная смесь при нужном давлении. Возникает осциллирующий режим самовоспламенения, переходящий в стационарное горение, сопровождающееся осаждением однородной и равномерной пленки диоксида кремния. Наблюдаемая сложная картина осцилляций согласуется с ожидаемой при наличии квадратичной реакции разветвления цепей.This invention uses the fact that we established that an Si-O bond-containing compound is formed as an intermediate product of low-temperature oxidation of dichlorosilane. It was shown that this compound interacts with other active particles (chain carriers) of the oxidation process, leading under certain conditions to expand the ignition region of mixtures of dichlorosilane with oxygen to 15 o C. This is a quadratic reaction (second kinetic order) in the concentration of intermediate particles, and if it leads to an increase in the number of chain carriers, then according to [4] the ignition region should expand, which is observed experimentally. Thus, a significant expansion of the ignition region can be achieved by adding an intermediate product to the Si - O working mixture. The accumulation of this product, which is relatively long-lived (life time of about 100 s), is carried out in a buffer volume, igniting the initial combustible mixture in it with a thermal pulse source. After several initiated ignitions, the buffer volume is connected to the reactor in which the deposition substrate is located and through which the initial mixture is continuously pumped at the desired pressure. An oscillating mode of self-ignition arises, which transfers to stationary combustion, which is accompanied by the deposition of a uniform and uniform silicon dioxide film. The observed complex pattern of oscillations is consistent with that expected in the presence of a quadratic chain branching reaction.
Новизна изобретения определяется следующими признаками:
а) использованием химического инициирования, лишенного недостатков, связанных с отрицательным влиянием хемосорбции и побочных реакций химически активной примеси;
б) устранением источника физического стимулирования из зоны осаждения, что позволяет избежать хемосорбции в материале пленки содержащихся в нем примесей, и их влияния на механические и электрофизические свойства получаемой пленки.The novelty of the invention is determined by the following features:
a) the use of chemical initiation, devoid of the disadvantages associated with the negative effects of chemisorption and adverse reactions of chemically active impurities;
b) elimination of the source of physical stimulation from the deposition zone, which avoids chemisorption in the film material of the impurities contained in it, and their effect on the mechanical and electrophysical properties of the resulting film.
Указанные приемы позволяют избежать одновременного расположения в реакторе источника физического инициирования и покрываемой поверхности, а также понизить температуру осаждения (до 35oC) и общее давление процесса (до 0,6 Торр) за счет расширения области воспламенения.These techniques can avoid the simultaneous location in the reactor of the source of physical initiation and the surface to be coated, as well as lower the deposition temperature (to 35 o C) and the total process pressure (to 0.6 Torr) due to the expansion of the ignition region.
Пример. Цилиндрический проточный реактор для осаждения тонких пленок высотой 200 мм и диаметром 150 мм выполнен из кварца и снабжен съемной крышкой, фланцами для ввода газов, измерения температуры и давления, ввода электрических контактов и откачки. На нижнем торце реактора расположен нагреватель диаметром 100 мм и высотой 20 мм, выполненный из тефлона. В отверстие на боковой поверхности нагревателя помещена термопара хромель-алюмель с диаметром спая 0,1 мм, соединенная с задатчиком температуры для контроля температуры нагревателя. На нагревателе располагают пластину кремния (КЭФ-4,5 (100) диаметром 76 мм). В 1 мм от поверхности пластины у ее края (чтобы не нарушать равномерность осаждения) размещают тонкую термопару с диаметром спая 0.04 мм, сигнал с которой подают на регистрирующий прибор (самописец или осциллограф. Рабочая газовая смесь поступает независимо и в реактор, и в сферический буферный объем диаметром 70 мм, снабженный датчиком давления и выполненный из кварца. Импульсный нагреватель, состоящий из нескольких витков нихромовой проволоки, размещен в боковом вводе буферного объема. Последний отсечен от реактора электромагнитным клапаном. Example. A cylindrical flow reactor for the deposition of thin films with a height of 200 mm and a diameter of 150 mm is made of quartz and equipped with a removable cover, flanges for introducing gases, measuring temperature and pressure, introducing electrical contacts and pumping. At the bottom of the reactor is a heater with a diameter of 100 mm and a height of 20 mm made of Teflon. A chromel-alumel thermocouple with a junction diameter of 0.1 mm is connected to a hole on the side of the heater, connected to a temperature setter to control the temperature of the heater. A silicon wafer (KEF-4.5 (100) with a diameter of 76 mm) is placed on the heater. A thin thermocouple with a junction diameter of 0.04 mm is placed 1 mm from the surface of the plate at its edge (so as not to disturb the uniformity of deposition), the signal from which is fed to a recording device (recorder or oscilloscope. The working gas mixture enters both the reactor and the spherical buffer volume of 70 mm in diameter, equipped with a pressure sensor and made of quartz. A pulse heater, consisting of several turns of nichrome wire, is placed in the side input of the buffer volume. The latter is cut off from the reactor by an electromagnetic valve ohm
Процедуру осаждения осуществляют следующим образом. В реакторе, предварительно откачанном до 10-2 мм рт.ст., устанавливают поток рабочего газа (30% SiH2Cl2 + O2) при давлении 0,6 - 0,9 мм рт.ст. В буферный объем напускают 3 мм рт. ст. рабочего газа, воспламеняют импульсным нагревателем и открывают электромагнитный клапан. Если реакция не началась, клапан закрывают и повторяют инициирование. О начале осаждения свидетельствует возникновение периодических осцилляций температуры (фиг.1), переходящих в стационарное горение, сопровождающееся осаждением, скорость которого составляет около 5 нм/мин (0,6 мм рт.ст., 35oC).The deposition procedure is as follows. In the reactor, previously evacuated to 10 -2 mm Hg, set the flow of the working gas (30% SiH 2 Cl 2 + O 2 ) at a pressure of 0.6 - 0.9 mm Hg 3 mmHg are injected into the buffer volume. Art. the working gas is ignited by a pulse heater and the solenoid valve is opened. If the reaction does not start, the valve is closed and the initiation is repeated. The onset of deposition is evidenced by the occurrence of periodic temperature oscillations (FIG. 1), which turn into stationary combustion, accompanied by deposition, the speed of which is about 5 nm / min (0.6 mm Hg, 35 ° C).
Пленки с толщиной до 0,6 мкм имеют разброс по толщине < 6%, пористость 1-2 см-2. На фиг.2 приведен ИК-спектр покрытия толщиной 0,14 мкм, полученного при 35oC. Видно, что наряду с интенсивной полосой поглощения связи Si - O - Si при 1050 см-1 наблюдаются очень слабые полосы связей Si - H (2150 см-1) и Si - OH (3400 см-1), нежелательных в технологии микроэлектроники. Полученные при различных температурах (35oC - а, 45oC - б, 55oC - в) пленки были исследованы методом ЭСХА (фиг.3). Химическое состояние атомов кремния определяли по энергетическому положению уровня Si2p, составляющего для данной методики E = 103,2 эВ (для чистого кремния E = 98,9 эВ). Величины E для наших образцов составили для Si2p 103,5 ± 0,3 эВ. Это означает (см. фиг.3), что атомы кремния Si2p и Si2s (155 эВ) в пленках валентно связаны с атомами кислорода (536 эВ) и находятся в валентном состоянии, близком к стехиометрическому SiO2. На стехиометричность состава пленок указывает также и то, что спектральные линии Si2p и атомов O, зарегистрированные с 50-кратной растяжкой по абсциссе относительно фиг.3, имеют строго симметричную колоколообразную форму. Уширение этих линий в сторону меньших энергий связи отсутствует, т.е. полученные пленки не содержат нестехиометрических фрагментов SiOx (0<x<2). Таким образом, пленки, полученные заявленным способом, стехиометричны по составу и практически не содержат нежелательных связей Si - H и Si - OH.Films with a thickness of up to 0.6 μm have a spread in thickness <6%, porosity of 1-2 cm -2 . Figure 2 shows the IR spectrum of the coating with a thickness of 0.14 μm obtained at 35 o C. It can be seen that along with the intense absorption band of the Si - O - Si bond at 1050 cm -1 , very weak Si - H bond bands are observed (2150 cm -1 ) and Si - OH (3400 cm -1 ), undesirable in microelectronics technology. Obtained at various temperatures (35 o C - a, 45 o C - b, 55 o C - c), the films were investigated by the method of ESCA (figure 3). The chemical state of silicon atoms was determined by the energy position of the Si2p level, which for this method is E = 103.2 eV (for pure silicon E = 98.9 eV). The values of E for our samples were 103.5 ± 0.3 eV for Si2p. This means (see Fig. 3) that the silicon atoms Si2p and Si2s (155 eV) in the films are valence bound to oxygen atoms (536 eV) and are in a valence state close to stoichiometric SiO 2 . The stoichiometric composition of the films is also indicated by the fact that the spectral lines of Si2p and O atoms, recorded with a 50-fold stretch in abscissa relative to FIG. 3, have a strictly symmetrical bell-shaped shape. There is no broadening of these lines toward lower binding energies, i.e. the resulting films do not contain non-stoichiometric SiO x fragments (0 <x <2). Thus, the films obtained by the claimed method are stoichiometric in composition and practically do not contain undesirable Si - H and Si - OH bonds.
Заявленный способ не требует сложного и дорогостоящего приборного оформления. Характеристики тонкопленочных покрытий, полученных заявленным методом, перспективны для применения этих покрытий в технологии соединений A3B5 и A2B6 и высокотемпературных сверхпроводников в качестве межслойных или пассивирующих защитных покрытий.The claimed method does not require complex and expensive instrumentation. The characteristics of thin-film coatings obtained by the claimed method are promising for the application of these coatings in the technology of compounds A 3 B 5 and A 2 B 6 and high-temperature superconductors as interlayer or passivating protective coatings.
Источники информации
1. Сугано Т., Икома Т., Такеиси Е. Введение в микроэлектронику. М.: Мир, 1988, 380 с.Sources of information
1. Sugano T., Ikoma T., Takeishi E. Introduction to microelectronics. M .: Mir, 1988, 380 p.
2. Lucovsky G., Kim S.S., Tsu D.V., Parsons G.N., Fitch J.T. Formation of silicon-based heterostructures in multichamber integrated processing thin film deposition systems. SPIE, 1989, v.1188. Multichamber and in siti Processing of Electronic Mat., p.140-150. 2. Lucovsky G., Kim S.S., Tsu D.V., Parsons G.N., Fitch J.T. Formation of silicon-based heterostructures in multichamber integrated processing thin film deposition systems. SPIE, 1989, v. 188. Multichamber and in siti Processing of Electronic Mat., P. 140-150.
3. Рубцов Н.М., Азатян В.В., Нагорный С.С., Темчин С.М., Лукашев А.С., Мержанов А. Г. Способ получения тонких пленок диоксида кремния. Патент RU 2040072, H 01 L 21/316, 1995. Бюл. 20. ИСМАН СССР, ИФП АН СССР. 1987. А.С. 1338717. 3. Rubtsov N.M., Azatyan V.V., Nagorny S.S., Temchin S.M., Lukashev A.S., Merzhanov A.G. A method for producing thin films of silicon dioxide. Patent RU 2040072, H 01 L 21/316, 1995. Bull. 20. ISMAN USSR, Institute of Physics of the Academy of Sciences of the USSR. 1987. A.S. 1338717.
4. Семенов Н.Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М.: Изд-во АН СССР, 1986, 686 с. 4. Semenov N.N. About some problems of chemical kinetics and reactivity. M.: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1986, 686 p.
5. Kern W. Deposited dielectrics fol VLSI. Part II, Semicond. Int. 1985, v.5, N3, p.122-140. 5. Kern W. Deposited dielectrics fol VLSI. Part II, Semicond. Int. 1985, v. 5, N3, p. 122-140.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96105179A RU2119692C1 (en) | 1996-03-15 | 1996-03-15 | Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96105179A RU2119692C1 (en) | 1996-03-15 | 1996-03-15 | Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU96105179A RU96105179A (en) | 1998-06-10 |
| RU2119692C1 true RU2119692C1 (en) | 1998-09-27 |
Family
ID=20178172
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96105179A RU2119692C1 (en) | 1996-03-15 | 1996-03-15 | Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2119692C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2191848C2 (en) * | 1999-12-16 | 2002-10-27 | Акционерное общество открытого типа "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for forming silica |
| RU2228563C2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-05-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт материаловедения" | Method for chemical treatment of silicon wafers |
| RU2430882C2 (en) * | 2009-05-28 | 2011-10-10 | Федеральное государственное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ФГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | Procedure for manufacture of layer of silicon dioxide and device for its realisation |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2029412C1 (en) * | 1992-05-08 | 1995-02-20 | Институт физики полупроводников СО РАН | Method of manufacture of layers of silicon dioxide |
| RU2040073C1 (en) * | 1991-06-18 | 1995-07-20 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method for production of thin films of silicon dioxide |
| RU2040072C1 (en) * | 1991-06-18 | 1995-07-20 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method for production of thin films of silicon dioxide |
-
1996
- 1996-03-15 RU RU96105179A patent/RU2119692C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040073C1 (en) * | 1991-06-18 | 1995-07-20 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method for production of thin films of silicon dioxide |
| RU2040072C1 (en) * | 1991-06-18 | 1995-07-20 | Институт структурной макрокинетики РАН | Method for production of thin films of silicon dioxide |
| RU2029412C1 (en) * | 1992-05-08 | 1995-02-20 | Институт физики полупроводников СО РАН | Method of manufacture of layers of silicon dioxide |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2191848C2 (en) * | 1999-12-16 | 2002-10-27 | Акционерное общество открытого типа "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Method for forming silica |
| RU2228563C2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-05-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт материаловедения" | Method for chemical treatment of silicon wafers |
| RU2430882C2 (en) * | 2009-05-28 | 2011-10-10 | Федеральное государственное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ФГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | Procedure for manufacture of layer of silicon dioxide and device for its realisation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim et al. | Comparison between ZnO films grown by atomic layer deposition using H2O or O3 as oxidant | |
| EP1340247B1 (en) | Method of forming dielectric films | |
| US6207587B1 (en) | Method for forming a dielectric | |
| US4675089A (en) | Low temperature deposition method for high quality aluminum oxide films | |
| Wrobel et al. | Oligomerization and polymerization steps in remote plasma chemical vapor deposition of silicon− carbon and silica films from organosilicon sources | |
| JPH0732151B2 (en) | Low temperature chemical vapor deposition of silicon dioxide film | |
| D'Anna et al. | Deposition of C N films by reactive laser ablation | |
| RU2119692C1 (en) | Method for chemical deposition of thin silicon-dioxide films | |
| JPH05279838A (en) | Formation of silicon nitride film and semiconductor device | |
| Zhang et al. | Thin tantalum oxide films prepared by 172 nm Excimer lamp irradiation using sol–gel method | |
| Levy et al. | Low pressure chemical vapor deposition of silicon nitride using the environmentally friendly tris (dimethylamino) silane precursor | |
| Leach et al. | Thermal desorption effects in chemical vapor deposition of silicon nanoparticles | |
| KR100787285B1 (en) | Process and Apparatus for Forming Semiconductor Thin Film | |
| John et al. | IR attenuated total reflectance studies of dc biased growth of diamond films | |
| US5569499A (en) | Method for reforming insulating film | |
| Zarchi et al. | Properties of silicon dioxide film deposited by PECVD at low temperature/pressure | |
| Grow et al. | Micromechanical characterization of chemically vapor deposited ceramic films | |
| Reinke et al. | Temperature dependence of silicon carbide interface formation: A photoelectron spectroscopy study | |
| Ohta et al. | Effect of ions and radicals on formation of silicon nitride gate dielectric films using plasma chemical vapor deposition | |
| Alexandrescu | Laser-stimulated processes in metal carbonyls for metal-based film synthesis | |
| RU2040072C1 (en) | Method for production of thin films of silicon dioxide | |
| Umezu et al. | Deposition of silicon nitride films by pulsed laser ablation of the Si target in nitrogen gas | |
| Hesch et al. | Chemical vapour deposition of amorphous hydrogenated silicon with a CO2 laser: chemical mechanism | |
| EP1090167A1 (en) | Process and apparatus for preparation of silicon crystals with reduced metal content | |
| Chen | Synthesis and characterization of silicon dioxide thin films by plasma enhances chemical vapor deposition from diethylsilane and nitrous oxide |