188812. lajstromszámú szabadalom • Eljárás félvezető eszközök felületvédelmére
1 188 812 2 A találmány tárgya olyan eljárás, mely a félvezető eszköz aktiv felületének védelmét, passziválását szolgálja. A félvezető eszköz készítés során annak aktív felülete fölött keletkezett foszforszilikát üveget eltávolítjuk és a szilíciumnitrid réteget csak ezután választjuk le. Közismert, hogy a félvezető eszközök elkészítése után olyan környezeti hatásoknak lehetnek kitéve, amelyek leronthatják a kezdeti kedvező elektromos tulajdonságaikat. Ezért az eszközkészítés során különös gonddal kell a félvezető eszközök legkritikusabb részét, a felületét védeni. A félvezető technológiában legelterjedtebb a szilíciumoxidos védelem. Ismert lény azonban, hogy a sziliciumoxid a benne mozogni képes alkáli ionok miatt a p-n átmenetek számára nem biztosít megfelelően hosszú idejű védelmet. A szakirodalomból egyértelműen megállapítható, hogy a gyártók a SiO, réteg fölött elhelyezkedő második védőrétegként általában foszforszilikát üveg, szilíciumnitrid, alumíniumoxid, stb. dielektrikum rétegeket alkalmaznak. Napjainkban legjobban a foszforszilikát üveg használata terjed el. Ennek legfőbb oka, hogy kis költséggel és nagy termelékenységgel lehet előállítani. A kedvező tulajdonságai pedig jelentős mértékben növelik a félvezető eszközök stabilitását. Komoly hátránya azonban az, hogy a vízzel szemben nem ellenálló. A védőrétegként alkalmazott szilíciumnitrid réteg rendelkezik azokkal az. előnyökkel, melyekkel a foszforszilikát üveg, vagyis az alkáli ionok, a különböző gázok, nevezetesen a H2, N2, 02, diffúzióját megakadályozó tulajdonságokkal és emellett még a vízzel szemben is ellenálló. Elterjedését és a lelvezető eszköz gyártástechnológiában való beépitését hosszú ideig elsősorban az hátráltatta, hogy az előállitása lényegesen drágább és kevésbé termelékeny volt, mint a foszforszilikát üvegé. Az utóbbi néhány évben azonban elsősorban a kisnyomású kémiai gőzfázisú rétegleválasztási mód — Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) - rohamos elterjedésével a sziliciumnitrid réteg előállítási költsége nem nagyobb, mint a foszforszilikát üvegé. Ez a körülmény lehetővé teszi, hogy a felhasználók a félvezető eszközök felületvédelmére egyre nagyobb mértékben alkalmazzák. A kedvező tulajdonságaik miatt a félvezető eszközök megbízhatósága ezáltal növekedett. A szilíciumnitrid Si3N4 réteg felhasználása során tapasztalt legfontosabb probléma a réteg repedésre való hajlama. Ez azt jelenti, hogy a Si3N4 réteg leválasztása után a félvezető elem további gyártása során a technológiai paraméterektől függően a Si3N4 rétegben repedések keletkeznek. Nem szükséges bizonyítani, hogy az ilyen repedezett Si3N4 réteg nem tölti be a neki szánt védő, passziváló szerepét. E tényből fakad, hogy olyan technológia kialakítására van szükség, amelynek végén a Si3N4 réteg, és a többi dielektrikum réteg is repedés illetve lyukmentes marad. A szakirodalom még nem tisztázta teljesen a Si3N4 réteg repedésének az okát, azonban három fontos tényezőt emlitenek meg, ezek pedig a következők: 1. A Si alapú félvezető eszközökben előforduló leggyakoribb dielektrikum rétegek hőtágulási 5 együtthatóinak a különbözősége. 2. A dielektrikumok belső feszültségeinek különbözősége. 3. A szilíciumnitrid réteg alatt levő foszforszilikát üveg hatása. 10 A felsorolt repedésre vonatkozó tényezőket nagyon szemléletesen foglalja össze, illetve magyarázza a 3.745.428 lajstromszámú USA szabadalmi leírás, és a Japanese Journal of Applied Physics 1977. vol. 16. nov. 7, p 1115-1118 cikke. Az idézett szabadalmi leírásban a hőtágulási együtthatókkal kapcsolatban a Si alapú félvezető eszközökben előforduló leggyakoribb dielektrikum rétegek hötágulási együtthatóit egy táblázatban hasonlítják össze a szilícium rétegével. 20 25 30 60 I. táblázat Si02 (termikus) P205-Si02 üveg Si02 (CVD) Si3N4 Si 4 x 10"7/°C ~io“7°c ~KT6/'C ■ 3,8 x KT6fC 3,7 x Erve A fenti összehasonlító táblázatból látható, hogy a Si3 N4 réteg leválasztásakor — amely > 300 °C hőmérsékleten történik —, de még inkább az azt követő magas hőmérsékletű hőkezelések hatására jelentős feszültségek ébredhetnek a Si3N4 vékonyrétegben. A következő táblázat a dielektrikum rétegek belső feszültségére jellemző Young modulus értékeit tartalmazza. 4C 45 II. táblázat Young modulus Si02 (termikus) P205-Si02 üveg Si02 (CVD) 50 Si3N4 Si 4-7 x ios gr/cm2 ~ I08 gr/cm2 — 10B gr/cm2 ~4x 10'° gr/cm2 1,7 x I0,n gr/cm2 A rétegek belső feszültsége, de még inkább az egymáson elhelyezkedő különböző Young modu- 55 lusú rétegek között fellépő feszültségek a rétegek repedéséhez vezethetnek. A táblázat szerint az Si3N4 rétegnek van a legnagyobb belső feszültsége. A belső feszültségből származó repedési hajlamot ismét a rétegvastagságok megfelelő értékű megválasztásával, illetve az Si3N4 rétegleválasztási körülmények optimalizálásával lehet csökkenteni. E megállapítást támasztja alá az a tény is, hogy az Si3N4 réteg belső feszültsége pl. egy nagyságrendet is vále5 tozhat, ha a technológiában magas hőmérsékletű 2
