Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
"ОТРИМАННЯ ПЛІВОК З ГАЗОВОЇ ФАЗИ"
МІНСЬК, 2008
Епітаксия - це процес нарощування шарів напівпровідникового матеріалу з упорядкованою кристалічною структурою на орієнтованій пластині.
Вирощувані шари можуть повторювати структуру пластини, наприклад при вирощуванні кремнію на кремнії, германію на германії. Вони можуть відрізнятися за структурою, наприклад при вирощуванні кремнію на сапфірі, кремнію на шпінелі, кремнію на оксиді берилію.
Термін "епітаксії" утворено з двох грецьких слів "епі" - ну, "Таксис" - розташовувати в порядку. Вперше вирощування кристалів з парової фази було запропоновано в 1957 р. Практичне використання цього методу почалося з 1960 р.
Епітаксії можна підрозділити на три види: авто-, гетеро - і хемоепітаксію.
Автоепітаксія - процес орієнтованого нарощування речовини, що не відрізняється або незначно відрізняється за хімічним складом від речовини пластини. Вона забезпечує можливість формування гомогенних (однорідних) pn-переходів і іноді називається гомоегштаксіей.
Гетероепітаксія - процес орієнтованого нарощування речовини, що відрізняється за хімічним складом від речовини пластини. На кордоні "епітаксійний шар - пластина" утворюється гетерогенний (неоднорідний) pn-перехід. Гетероепітаксія здійсненна для елементів, не схильних до хімічної взаємодії.
Хемоепітаксія - процес орієнтованого нарощування, при якому утворення шару відбувається за рахунок хімічної взаємодії речовини пластини з наноситься речовиною. Отриманий шар за хімічним складом відрізняється як від речовини пластини, так і від наноситься фази, але закономірно продовжує кристалічну структуру пластини. При утворенні таких шарів може бути сформований гетероперехід або невипрямляющій контакт.
Маркують кремнієві епітаксиальні структури буквами: К - кремній; Д - дірковий; Е - електронний тип електропровідності; Б, Ф, С, М - легуючі елементи, відповідно бор, фосфор, сурма, миш'як.
Одношарові епітаксиальні структури, виготовлені на кремнієвих пластинах n-типу з епітаксіальним шаром р - типу, маркують дробом з цифровим коефіцієнтом. Наприклад:
(1)
де 76 - діаметр пластини, мм; 8 - товщина епітаксійного шару, мкм; 380 - товщина пластини, мкм, 0,5 і 0,01 - питомий опір епітаксійного шару і пластини відповідно, Ом • див.
Маркування багатошарових епітаксійних структур, виготовлених у процесі автоепітаксійних нарощування шарів різних типів електропровідності аналогічна маркування одношарових структур, але містить кілька рівнів.
Епітаксиальні структури з прихованим шаром (ЕСС) (Малюнок 1),
Малюнок 1. Схема епітаксійних структур з прихованим шаром:
1 - епітаксійних структур; 2 - прихований шар; 3 - пластина
виготовлені, як правило, на кремнієвих пластинах р-типу з локальними ділянками п - типу, які формують на них дифузією або іонним легуванням миш'яком або сурмою, маркують так:
(2)
де 76, 380 - діаметр і товщина пластини відповідно в мм і мкм; КЕФ, КЕМ, КДБ - тип електропровідності епітаксіального, прихованого шару і пластини відповідно; 4, 5 - товщини епітаксійного і прихованого шару, мкм.
SiH4 => Si
швидкість зростаючої плівки залежить від тиску в реакторі. В інтервалі температур 1100 - 1225 ° С швидкість росту плівки практично не залежить від температури.
При температурах вище 1225 ° С починається газофазне розкладання силану, що призводить до зменшення швидкості осадження Si. Швидкість осадження плівки залежить також від концентрації силану в газовому потоці. При концентраціях силану великих, ніж 0,2 мас.%, І температурах вище 1100 ° С швидкість осадження зменшується через газофазного розкладання SiH4. Газофазне розкладання силану окрім зменшення кількості Si, осаждающегося на пластину, призводить до потрапляння твердих частинок продуктів газофазного піролізу SiH4 в зростаючий шар.
Сілановий процес, який проводиться при відносно низькій температурі, дозволяє легко регулювати концентрацію SiH4 в газовому потоці, вибирати діапазон швидкостей, слабко залежить від температури, що полегшує підтримка робочої температури з точністю ± 10 ° С.
До недоліків гидридной епітаксії слід віднести пірофорну силану (можливість самозаймання на повітрі і вибуху). Це призводить до необхідності розбавляти силан аргоном або воднем до безпечних концентрацій у балоні (2,5 - 4%). Крім того, якщо відбулося газофазне розкладання SiH4, то реактор, який не має водяного охолодження, "заростає" і вирощені плівки мають велику щільність дефектів. При гідридно процесі потрібно ретельно герметизувати всі елементи газових магістралей і вузли реакційної камери, тому що при взаємодії SiH4 з повітрям утворюється з'єднання, яке може забити магістралі. У порівнянні з хлоридом силан - дорогий продукт.
Піроліз діхлорсілана. Гидридні епітаксії можна здійснити реакцією піролізу діхлорсілана SiH2Cl2. Реакція починається при температурі 600 ° С. Оптимальні температури для отримання плівок 1080 - 1100 ° С. Погіршення якості шарів відбувається при температурі нижче 1050 ° С.
Хімічні реакції з участю SiH2Cl2 займають проміжне положення між реакціями за участю SiCl4 і SiH4. Осадження Si з SiH2Cl2 може відбуватися в середовищі аргону або азоту по реакції
SiH2Cl2 => Si
причому водень не надає відновлюючого дії. Крім основної реакції можливі побічні:
SiHCl3 + Ar => Si + ЗНСl
SiCl2 + Ar => Si + 2HCl
SiCl4 + Ar => Si + 4HCl
Розкладання SiH2Cl2 при надлиш Н2 зменшує вірогідність протікання побічних реакцій.
Як і при попередньому процесі, на швидкість росту епітаксіальних плівках сильно впливає концентрація SiH2Cl2 у Н2 і температура процесу. У діапазоні 1100 - 1200 ° С, однак, це вплив незначний. Енергія активації процесу при піролізі діхлорсілана невелика, що свідчить про те, що швидкість осадження визначається тільки масопереносу реагентів у газовій фазі.
При піролізі SiH2Cl2, що протікає при відносно низьких температур (1080 - 1100 ° С), практично відсутня газофазне розкладання, можливий підбір умов осадження, що не залежать від температури. До недоліків відносяться підвищену вимогу до герметичності газових магістралей і реакційній камері та в кілька разів більша вартість SiH2 Cl2 в порівнянні з SiCl4.
Вибір того чи іншого кремнійвміщуваних з'єднання для епітаксії Si залежить від можливостей обладнання та температурні обмежень конкретного технологічного маршруту.
Хлорідний метод полягає у відновленні воднем кремнію з S1CI4 • Реакція відновлення є гетерогенної
SiCl4 + 2Н2 => Si
При відносно низьких температурах швидкість осадження плівок описується рівнянням
Vp = Aexp [-
Де
Пластини після попередньої аміачно-перекісної відмивання встановлюють на подложкодержатель. Перевіряють герметичність установки за швидкістю зменшення надмірного тиску газу азоту. Герметичність установки і реактора вважаються достатніми, якщо надлишковий тиск 0,2 • 105 Па за 30 хв не зменшується. Після цього реакційну камеру продувають азотом протягом 5 хв (з витратою газу 1,5 м3 / ч). Далі реактор продувають робочим газом-носієм воднем протягом 5 хв і нагрівають подложкодержатель з пластинами до робочої температури (1200 - 1250 ° С).
Робочу температуру контролюють оптичним пірометром через спеціальне оглядове вікно в реакторі. Після відпалу пластин при робочій температурі протягом 5-7 хв проводиться їх газове травлення. Для цього до основного газу-носію додають газоподібний хлористий водень (витрата хлористого водню визначають за ротаметру або більш точно з використанням регулятора витрати газу). Газове травлення проводиться 1-2 хв зі швидкістю травлення 0,1 - 0,2 мкм / хв. Після травлення газову магістраль з хлористим воднем закривають. Під час газового травлення випарник з SiCl4 продувають воднем на байпасну лінію для встановлення необхідного робочого витрати. Водень, проходячи через випарник, насичується його парами. Суміш SiCl4 + H2 після закінчення газового травлення додається до основного потоку водню шляхом відкривання відповідних газових кранів. Після закінчення вирощування епітаксійних структур лінію подачі водню у випарник закривають.
Збільшення концентрації SiCl4 вище деякого критичного значення призводить до утворення газоподібного НС1, який труїть поверхню пластини і осаждаемого шару.
Збільшення швидкості росту зі збільшенням температури пов'язано з більш інтенсивним протіканням реакції відновлення. Підвищення швидкості газового потоку при фіксованій температурі також призводить до збільшення швидкості росту, що пов'язано з інтенсифікацією доставки і відводу продуктів реакції.
Питомий опір епітаксійних структур залежить від типу і кількості домішок, введених в газову суміш у процесі осадження. В якості джерел легуючої домішки п - і р-типів використовують фосфін (РН3) і диборан (В2Н6) відповідно. Залежність концентрації домішки в зростаючій плівці від концентрації домішки в газовій фазі дуже складна.
Хлоридним методом отримують епітаксиальні структури з низькою дефектністю, тобто малою щільністю дефектів упаковки та дислокації [порядку (2 ... 5) 102 см-2], що вязано з гетерогенним характером протікання реакції. Умови реакції можна підібрати таким чином, щоб не відбувалося взаємодії між реагентами і стінками реактора, що забезпечує чистоту процесу. Крім того, SiCl4 легко піддається очищенню, нетоксичний і недорогий, що дозволяє пред'являти знижені вимоги до герметичності газових магістралей.
Недоліки хлоридного процесу - порівняно високий діапазон ра6очіх температур (1200 - 1250 ° С) і, як наслідок "неможливість отримання різких pn-переходів через" дифузійного розмиття "межі плівка - пластина під час процесу епітаксійного осадження.
Якщо необхідно отримувати плівки з різкою зміною концентрації домішок на кордоні пластина - епітаксійний шар, використовують реакцію піролізу силану.
Епітаксії з парогазових сумішей зазвичай проводять при атмосферному тиску (10s Па). Зниження тиску до (6,5 ... 13) х 103 Па дозволяє зменшити ефекти бічного і вертикального автолегірованія.
Звичайно потрібно невелика концентрація домішки, тому при використанні рідких джерел їх багато разів розбавляють, в результаті чого отримують розчини з відносним вмістом домішки від 10 ~ 9 до 10 ~ 2. Це забезпечує рівень легування ЕС від 1014 до 1019 ат/см3.
Для отримання відтворюваних результатів при легуванні бором необхідно застосовувати містять бор сполуки з високою температурою кипіння. При легуванні легуючі з'єднання поміщають в окремий випарник, а кількість бору, що надходить в реактор, регулюють потоком транспортує газу Н2, що проходить через випарник.
У залежності від температури осадження при легуванні в системі SiCl4 - РСl5 і SiCl4 - SbCl5 опір одержуваних шарів виявляється різним. При легуванні сурмою ця залежність більш яскраво виражена.
Концентрація фосфору і сурми у вирощуваних шарах зазвичай пропорційна їх концентрації в суміші і не залежить від швидкості росту плівки.
Рідинні методи легування застосовують при вирощуванні одношарових структур. При вирощуванні багатошарових структур з різним типом електропровідності або зі змінною концентрацією домішки по товщині вони непридатні. Це пов'язано з тим, що галогеніди добре адсорбуються стінками газопроводів і реакторів, забруднюючи установку і викликаючи необхідність промивки газової системи і реакторів перед вирощуванням наступного шару.
Газове легування. При легуванні з використанням газоподібних домішкових сполук гідридів фосфіну (РН3), арсин (AsH3), диборана (В2Н6) їх взаємодія з поверхнею газопроводів і реактора істотно зменшується.
Рівень легування залежить від температури, зменшуючись з її ростом, від концентрації легуючих домішок в газі і від його парціального тиску., Так, при 1200 ° С рівень легування кремнієвої плівки фосфором з РН3 аж до концентрацій 1018 см "3 лінійно зростає з підвищенням концентрації РН3 . При одному і тому ж значенні парціального тиску легуючого газу більш високу концентрацію домішки в зростаючому шарі отримують при легуванні його бором (з диборана) в порівнянні з As (з арсин). Це пов'язано з тим, що арсин частково конденсується на внутрішніх стінках реакційної камери з-за високого парціального тиску а бор, існуючий у вигляді газоподібного з'єднання нижчої валентності ВН3, при високих температурах на них не конденсується.
Основним чинником, що впливає на рівень легування шарів кремнію гідридами, є концентрація парогазової суміші і температура процесу. Тому для дозування легуючих гідридів застосовують витратоміри з точністю відліку не менше 1% і відтворюваністю відліку, дорівнює 0,2% максимальної витрати.
Для регулювання в широкому діапазоні концентрації легуючого гідриду використовують системи подвійного розбавлення воднем і контролюють скидання основної частки розбавляємо газового потоку витратоміром.
Газорозрядні легування. Газорозрядний спосіб легування найбільш безпечний для обслуговуючого персоналу, тому при проведенні процесу робітник може знаходитися поряд з реакційною камерою. Легувальну газову суміш готують у спеціальній газорозрядної камері, через яку пропускають водень. У камері розташовують електроди, матеріал яких містить елементи III і V груп періодичної системи. Матеріали електродів повинні бути провідними, високооднороднимі, мати високу теплоту випаровування.
Для отримання епітаксійних шарів діркового типу електропровідності найчастіше використовують електроди з борида лантану LaB6. електронного типу - з сурми, сплаву кремнію з 0,1 травні. % Фосфору або сплаву сурми з 1 травні. % Миш'яку. При подачі на електроди високого постійного або імпульсного напруги між ними виникає газовий розряд, у результаті якого утворюються леткі сполуки елементів матеріалу електрода. Цей спосіб дозволяє легувати кремнієву пластину в діапазоні контрольованих концентрацій: миш'яком 5 • 1015 - 1 • 1018 см "3 і бором 3 • 1015 - 5 • 1017 см'3.
Для отримання контрольованого легування необхідно управляти швидкістю протікання газу через розрядну камеру, відстанню між електродами, потужністю, що підводиться до електродів, мати потрібний матеріал електродів.
Найбільш гнучким способом управління ступенем легування в режимі тліючого розряду є зміна розрядного струму. На малюнку 1 показана залежність рівня легування бором від струму газового розряду для електродів з LaB6, звідки випливає, що при зміні розрядного струму до 500 мкА рівень легування досягає граничної концентрації.
Малюнок 1. Залежність рівня NB легування бором від струму газового розряду Ip плівки товщиною L = 2 мм.
Процеси, що відбуваються при цьому в розрядній камері, наступні. При подачі високої напруги в камері виникають нестабільні легуючі з'єднання. Час їх існування збільшують за рахунок підвищення швидкості потоку водню через камеру. Присутність в камері водню призводить також до зростання кількості легуючих атомів в об'ємі камери. При дуже великих потоках водню зростання концентрації легуючих атомів сповільнюється, тому що швидкість утворення легуючих сполук у зоні розряду обмежена. Підвищити її можна лише шляхом збільшення потужності розрядного генератора, що прикладається до електродів.
Зі зростанням частоти імпульсів рівень легування також підвищується за рахунок збільшення енергії, що виділяється в зоні розряду в одиницю часу.
При легуванні бором утворюються в результаті розряду атоми є його гідридами. При легуванні миш'яком просто розпорошуються електроди.
Газорозрядні легування переважно використовувати для отримання малих концентрацій легуючої домішки і при створенні багатошарових структур.
Слід зазначити, що процес росту плівки і її легування тісно взаємопов'язані. Так, при підвищенні швидкості росту плівки від 0,1 до 1,0 мкм / хв концентрація легуючої домішки, наприклад As, в епітаксіальних шарі зменшується на порядок.
Автолегірованіе. Крім контрольованих домішок у епітаксійний шар потрапляють і неконтрольовані домішки з пластини. Цей процес називається автолегірованіем. Механізм автолегірованія представлений на малюнку 2. Неконтрольовані домішки впроваджуються в зростаючий епітаксійний шар 1 за рахунок твердотільної дифузії 6 через кордон 2 ЕС - пластина 3, а також за рахунок випаровування домішки з неробочих поверхонь пластини і перенесення через газову фазу 7, 8. З лицьового боку пластини автолегірованіе проявляється як збільшення ширини перехідною області d - d1 між шаром і пластиною (Малюнок 3).
При епітаксії кремнію швидкість росту плівки істотно перевершує швидкість дифузії атомів домішки, тому
Малюнок 2. Схема автолегірованія:
1 - епітаксійний шар; 2 - металургійна кордон ЕС - пластина, 3 - пластина; 4 - подложкодержатель; 5 - прихований шар; 6 - твердотільна дифузія; 7, 8 - перенесення домішки через газову фазу з неробочої і бічний (торцевого) боку пластини.
Малюнок 3. Розподіл концентрації домішки N на межі переходу пластина - епітаксійних структур по глибині х пластини:
0 - d - початок рівномірного ділянки домішкового профілю в ЕС; d1 -
Профіль легування плівки в основному визначається перенесенням домішки через газову фазу. Домішка переходить в газову фазу на етапі попереднього прогріву. На поверхні пластини утворюється адсорбований шар домішкових атомів, які і захоплюються зростаючої плівкою. Домішкові атоми адсорбуються і подложкодержателем.
При автолегірованіі дифузія по поверхні пластини не відіграє суттєвої ролі. Встановлено, що різниця між максимальними концентраціями домішки при автолегірованіі миш'яком становить 2-3 порядки.
Для зменшення автолегірованія неробочу поверхню пластини маскують SiO2 або Si3N4. Останнім часом для зменшення автолегірованія використовують знижений тиск. Різницю у швидкості випаровування при використанні для епітаксії кремнію проточної системи і вакууму можна пояснити наявністю прикордонного шару біля поверхні пластини, що впливає на умови випаровування. Потік домішки в газову фазу з неробочих поверхонь пропорційний концентрації в поверхневому шарі цих поверхонь. Частина потоку осідає на зростаючій плівці. У вакуумі ця частина потоку зводиться до мінімуму.
Автолегірованіе зменшується і при зниженні швидкості росту плівки (як над прихованим шаром, так і поза ним). Воно залежить від площі прихованого шару і з її зменшенням зменшується пропорційно
2. Технологія НВІС. У 2 кн. Пер. з англ. / Под ред. С. Зі, - М.: Світ, 2006. -786 С.
3. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 2001. -528 С.
4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи НВІС. -Мн. Обчислюємо. шк., 2000. -238 С.
5. Тару Я. Основи технології НВІС Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2000-480 с.
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
"ОТРИМАННЯ ПЛІВОК З ГАЗОВОЇ ФАЗИ"
МІНСЬК, 2008
Епітаксия - це процес нарощування шарів напівпровідникового матеріалу з упорядкованою кристалічною структурою на орієнтованій пластині.
Вирощувані шари можуть повторювати структуру пластини, наприклад при вирощуванні кремнію на кремнії, германію на германії. Вони можуть відрізнятися за структурою, наприклад при вирощуванні кремнію на сапфірі, кремнію на шпінелі, кремнію на оксиді берилію.
Термін "епітаксії" утворено з двох грецьких слів "епі" - ну, "Таксис" - розташовувати в порядку. Вперше вирощування кристалів з парової фази було запропоновано в 1957 р. Практичне використання цього методу почалося з 1960 р.
Епітаксії можна підрозділити на три види: авто-, гетеро - і хемоепітаксію.
Автоепітаксія - процес орієнтованого нарощування речовини, що не відрізняється або незначно відрізняється за хімічним складом від речовини пластини. Вона забезпечує можливість формування гомогенних (однорідних) pn-переходів і іноді називається гомоегштаксіей.
Гетероепітаксія - процес орієнтованого нарощування речовини, що відрізняється за хімічним складом від речовини пластини. На кордоні "епітаксійний шар - пластина" утворюється гетерогенний (неоднорідний) pn-перехід. Гетероепітаксія здійсненна для елементів, не схильних до хімічної взаємодії.
Хемоепітаксія - процес орієнтованого нарощування, при якому утворення шару відбувається за рахунок хімічної взаємодії речовини пластини з наноситься речовиною. Отриманий шар за хімічним складом відрізняється як від речовини пластини, так і від наноситься фази, але закономірно продовжує кристалічну структуру пластини. При утворенні таких шарів може бути сформований гетероперехід або невипрямляющій контакт.
Маркують кремнієві епітаксиальні структури буквами: К - кремній; Д - дірковий; Е - електронний тип електропровідності; Б, Ф, С, М - легуючі елементи, відповідно бор, фосфор, сурма, миш'як.
Одношарові епітаксиальні структури, виготовлені на кремнієвих пластинах n-типу з епітаксіальним шаром р - типу, маркують дробом з цифровим коефіцієнтом. Наприклад:
де 76 - діаметр пластини, мм; 8 - товщина епітаксійного шару, мкм; 380 - товщина пластини, мкм, 0,5 і 0,01 - питомий опір епітаксійного шару і пластини відповідно, Ом • див.
Маркування багатошарових епітаксійних структур, виготовлених у процесі автоепітаксійних нарощування шарів різних типів електропровідності аналогічна маркування одношарових структур, але містить кілька рівнів.
Епітаксиальні структури з прихованим шаром (ЕСС) (Малюнок 1),
Малюнок 1. Схема епітаксійних структур з прихованим шаром:
1 - епітаксійних структур; 2 - прихований шар; 3 - пластина
виготовлені, як правило, на кремнієвих пластинах р-типу з локальними ділянками п - типу, які формують на них дифузією або іонним легуванням миш'яком або сурмою, маркують так:
де 76, 380 - діаметр і товщина пластини відповідно в мм і мкм; КЕФ, КЕМ, КДБ - тип електропровідності епітаксіального, прихованого шару і пластини відповідно; 4, 5 - товщини епітаксійного і прихованого шару, мкм.
Хлоридні і сілановий методи отримання епітаксійних шарів
Гидридні епітаксії проводять найчастіше при температурі 1000 ° С реакцією піролізу силану, яка йде майже з такою ж швидкістю, як і реакція відновлення SiCl4 при температурі 1200 ° С:SiH4 => Si
швидкість зростаючої плівки залежить від тиску в реакторі. В інтервалі температур 1100 - 1225 ° С швидкість росту плівки практично не залежить від температури.
При температурах вище 1225 ° С починається газофазне розкладання силану, що призводить до зменшення швидкості осадження Si. Швидкість осадження плівки залежить також від концентрації силану в газовому потоці. При концентраціях силану великих, ніж 0,2 мас.%, І температурах вище 1100 ° С швидкість осадження зменшується через газофазного розкладання SiH4. Газофазне розкладання силану окрім зменшення кількості Si, осаждающегося на пластину, призводить до потрапляння твердих частинок продуктів газофазного піролізу SiH4 в зростаючий шар.
Сілановий процес, який проводиться при відносно низькій температурі, дозволяє легко регулювати концентрацію SiH4 в газовому потоці, вибирати діапазон швидкостей, слабко залежить від температури, що полегшує підтримка робочої температури з точністю ± 10 ° С.
До недоліків гидридной епітаксії слід віднести пірофорну силану (можливість самозаймання на повітрі і вибуху). Це призводить до необхідності розбавляти силан аргоном або воднем до безпечних концентрацій у балоні (2,5 - 4%). Крім того, якщо відбулося газофазне розкладання SiH4, то реактор, який не має водяного охолодження, "заростає" і вирощені плівки мають велику щільність дефектів. При гідридно процесі потрібно ретельно герметизувати всі елементи газових магістралей і вузли реакційної камери, тому що при взаємодії SiH4 з повітрям утворюється з'єднання, яке може забити магістралі. У порівнянні з хлоридом силан - дорогий продукт.
Піроліз діхлорсілана. Гидридні епітаксії можна здійснити реакцією піролізу діхлорсілана SiH2Cl2. Реакція починається при температурі 600 ° С. Оптимальні температури для отримання плівок 1080 - 1100 ° С. Погіршення якості шарів відбувається при температурі нижче 1050 ° С.
Хімічні реакції з участю SiH2Cl2 займають проміжне положення між реакціями за участю SiCl4 і SiH4. Осадження Si з SiH2Cl2 може відбуватися в середовищі аргону або азоту по реакції
SiH2Cl2 => Si
причому водень не надає відновлюючого дії. Крім основної реакції можливі побічні:
SiHCl3 + Ar => Si + ЗНСl
SiCl2 + Ar => Si + 2HCl
SiCl4 + Ar => Si + 4HCl
Розкладання SiH2Cl2 при надлиш Н2 зменшує вірогідність протікання побічних реакцій.
Як і при попередньому процесі, на швидкість росту епітаксіальних плівках сильно впливає концентрація SiH2Cl2 у Н2 і температура процесу. У діапазоні 1100 - 1200 ° С, однак, це вплив незначний. Енергія активації процесу при піролізі діхлорсілана невелика, що свідчить про те, що швидкість осадження визначається тільки масопереносу реагентів у газовій фазі.
При піролізі SiH2Cl2, що протікає при відносно низьких температур (1080 - 1100 ° С), практично відсутня газофазне розкладання, можливий підбір умов осадження, що не залежать від температури. До недоліків відносяться підвищену вимогу до герметичності газових магістралей і реакційній камері та в кілька разів більша вартість SiH2 Cl2 в порівнянні з SiCl4.
Вибір того чи іншого кремнійвміщуваних з'єднання для епітаксії Si залежить від можливостей обладнання та температурні обмежень конкретного технологічного маршруту.
Хлорідний метод полягає у відновленні воднем кремнію з S1CI4 • Реакція відновлення є гетерогенної
SiCl4 + 2Н2 => Si
При відносно низьких температурах швидкість осадження плівок описується рівнянням
Vp = Aexp [-
Де
Пластини після попередньої аміачно-перекісної відмивання встановлюють на подложкодержатель. Перевіряють герметичність установки за швидкістю зменшення надмірного тиску газу азоту. Герметичність установки і реактора вважаються достатніми, якщо надлишковий тиск 0,2 • 105 Па за 30 хв не зменшується. Після цього реакційну камеру продувають азотом протягом 5 хв (з витратою газу 1,5 м3 / ч). Далі реактор продувають робочим газом-носієм воднем протягом 5 хв і нагрівають подложкодержатель з пластинами до робочої температури (1200 - 1250 ° С).
Робочу температуру контролюють оптичним пірометром через спеціальне оглядове вікно в реакторі. Після відпалу пластин при робочій температурі протягом 5-7 хв проводиться їх газове травлення. Для цього до основного газу-носію додають газоподібний хлористий водень (витрата хлористого водню визначають за ротаметру або більш точно з використанням регулятора витрати газу). Газове травлення проводиться 1-2 хв зі швидкістю травлення 0,1 - 0,2 мкм / хв. Після травлення газову магістраль з хлористим воднем закривають. Під час газового травлення випарник з SiCl4 продувають воднем на байпасну лінію для встановлення необхідного робочого витрати. Водень, проходячи через випарник, насичується його парами. Суміш SiCl4 + H2 після закінчення газового травлення додається до основного потоку водню шляхом відкривання відповідних газових кранів. Після закінчення вирощування епітаксійних структур лінію подачі водню у випарник закривають.
Збільшення концентрації SiCl4 вище деякого критичного значення призводить до утворення газоподібного НС1, який труїть поверхню пластини і осаждаемого шару.
Збільшення швидкості росту зі збільшенням температури пов'язано з більш інтенсивним протіканням реакції відновлення. Підвищення швидкості газового потоку при фіксованій температурі також призводить до збільшення швидкості росту, що пов'язано з інтенсифікацією доставки і відводу продуктів реакції.
Питомий опір епітаксійних структур залежить від типу і кількості домішок, введених в газову суміш у процесі осадження. В якості джерел легуючої домішки п - і р-типів використовують фосфін (РН3) і диборан (В2Н6) відповідно. Залежність концентрації домішки в зростаючій плівці від концентрації домішки в газовій фазі дуже складна.
Хлоридним методом отримують епітаксиальні структури з низькою дефектністю, тобто малою щільністю дефектів упаковки та дислокації [порядку (2 ... 5) 102 см-2], що вязано з гетерогенним характером протікання реакції. Умови реакції можна підібрати таким чином, щоб не відбувалося взаємодії між реагентами і стінками реактора, що забезпечує чистоту процесу. Крім того, SiCl4 легко піддається очищенню, нетоксичний і недорогий, що дозволяє пред'являти знижені вимоги до герметичності газових магістралей.
Недоліки хлоридного процесу - порівняно високий діапазон ра6очіх температур (1200 - 1250 ° С) і, як наслідок "неможливість отримання різких pn-переходів через" дифузійного розмиття "межі плівка - пластина під час процесу епітаксійного осадження.
Якщо необхідно отримувати плівки з різкою зміною концентрації домішок на кордоні пластина - епітаксійний шар, використовують реакцію піролізу силану.
Епітаксії з парогазових сумішей зазвичай проводять при атмосферному тиску (10s Па). Зниження тиску до (6,5 ... 13) х 103 Па дозволяє зменшити ефекти бічного і вертикального автолегірованія.
Легування при епітаксії
Кремній при автоепітаксійних зростанні легують елементами III і V груп періодичної таблиці. Найбільш часто для легування використовують сполуки, що містять фосфор, миш'як і бор. Залежно від концентрації домішки, її типу і способу легування одержують кремнієві шари, що володіють різним опором.Звичайно потрібно невелика концентрація домішки, тому при використанні рідких джерел їх багато разів розбавляють, в результаті чого отримують розчини з відносним вмістом домішки від 10 ~ 9 до 10 ~ 2. Це забезпечує рівень легування ЕС від 1014 до 1019 ат/см3.
Для отримання відтворюваних результатів при легуванні бором необхідно застосовувати містять бор сполуки з високою температурою кипіння. При легуванні легуючі з'єднання поміщають в окремий випарник, а кількість бору, що надходить в реактор, регулюють потоком транспортує газу Н2, що проходить через випарник.
У залежності від температури осадження при легуванні в системі SiCl4 - РСl5 і SiCl4 - SbCl5 опір одержуваних шарів виявляється різним. При легуванні сурмою ця залежність більш яскраво виражена.
Концентрація фосфору і сурми у вирощуваних шарах зазвичай пропорційна їх концентрації в суміші і не залежить від швидкості росту плівки.
Рідинні методи легування застосовують при вирощуванні одношарових структур. При вирощуванні багатошарових структур з різним типом електропровідності або зі змінною концентрацією домішки по товщині вони непридатні. Це пов'язано з тим, що галогеніди добре адсорбуються стінками газопроводів і реакторів, забруднюючи установку і викликаючи необхідність промивки газової системи і реакторів перед вирощуванням наступного шару.
Газове легування. При легуванні з використанням газоподібних домішкових сполук гідридів фосфіну (РН3), арсин (AsH3), диборана (В2Н6) їх взаємодія з поверхнею газопроводів і реактора істотно зменшується.
Рівень легування залежить від температури, зменшуючись з її ростом, від концентрації легуючих домішок в газі і від його парціального тиску., Так, при 1200 ° С рівень легування кремнієвої плівки фосфором з РН3 аж до концентрацій 1018 см "3 лінійно зростає з підвищенням концентрації РН3 . При одному і тому ж значенні парціального тиску легуючого газу більш високу концентрацію домішки в зростаючому шарі отримують при легуванні його бором (з диборана) в порівнянні з As (з арсин). Це пов'язано з тим, що арсин частково конденсується на внутрішніх стінках реакційної камери з-за високого парціального тиску а бор, існуючий у вигляді газоподібного з'єднання нижчої валентності ВН3, при високих температурах на них не конденсується.
Основним чинником, що впливає на рівень легування шарів кремнію гідридами, є концентрація парогазової суміші і температура процесу. Тому для дозування легуючих гідридів застосовують витратоміри з точністю відліку не менше 1% і відтворюваністю відліку, дорівнює 0,2% максимальної витрати.
Для регулювання в широкому діапазоні концентрації легуючого гідриду використовують системи подвійного розбавлення воднем і контролюють скидання основної частки розбавляємо газового потоку витратоміром.
Газорозрядні легування. Газорозрядний спосіб легування найбільш безпечний для обслуговуючого персоналу, тому при проведенні процесу робітник може знаходитися поряд з реакційною камерою. Легувальну газову суміш готують у спеціальній газорозрядної камері, через яку пропускають водень. У камері розташовують електроди, матеріал яких містить елементи III і V груп періодичної системи. Матеріали електродів повинні бути провідними, високооднороднимі, мати високу теплоту випаровування.
Для отримання епітаксійних шарів діркового типу електропровідності найчастіше використовують електроди з борида лантану LaB6. електронного типу - з сурми, сплаву кремнію з 0,1 травні. % Фосфору або сплаву сурми з 1 травні. % Миш'яку. При подачі на електроди високого постійного або імпульсного напруги між ними виникає газовий розряд, у результаті якого утворюються леткі сполуки елементів матеріалу електрода. Цей спосіб дозволяє легувати кремнієву пластину в діапазоні контрольованих концентрацій: миш'яком 5 • 1015 - 1 • 1018 см "3 і бором 3 • 1015 - 5 • 1017 см'3.
Для отримання контрольованого легування необхідно управляти швидкістю протікання газу через розрядну камеру, відстанню між електродами, потужністю, що підводиться до електродів, мати потрібний матеріал електродів.
Найбільш гнучким способом управління ступенем легування в режимі тліючого розряду є зміна розрядного струму. На малюнку 1 показана залежність рівня легування бором від струму газового розряду для електродів з LaB6, звідки випливає, що при зміні розрядного струму до 500 мкА рівень легування досягає граничної концентрації.
Малюнок 1. Залежність рівня NB легування бором від струму газового розряду Ip плівки товщиною L = 2 мм.
Процеси, що відбуваються при цьому в розрядній камері, наступні. При подачі високої напруги в камері виникають нестабільні легуючі з'єднання. Час їх існування збільшують за рахунок підвищення швидкості потоку водню через камеру. Присутність в камері водню призводить також до зростання кількості легуючих атомів в об'ємі камери. При дуже великих потоках водню зростання концентрації легуючих атомів сповільнюється, тому що швидкість утворення легуючих сполук у зоні розряду обмежена. Підвищити її можна лише шляхом збільшення потужності розрядного генератора, що прикладається до електродів.
Зі зростанням частоти імпульсів рівень легування також підвищується за рахунок збільшення енергії, що виділяється в зоні розряду в одиницю часу.
При легуванні бором утворюються в результаті розряду атоми є його гідридами. При легуванні миш'яком просто розпорошуються електроди.
Газорозрядні легування переважно використовувати для отримання малих концентрацій легуючої домішки і при створенні багатошарових структур.
Слід зазначити, що процес росту плівки і її легування тісно взаємопов'язані. Так, при підвищенні швидкості росту плівки від 0,1 до 1,0 мкм / хв концентрація легуючої домішки, наприклад As, в епітаксіальних шарі зменшується на порядок.
Автолегірованіе. Крім контрольованих домішок у епітаксійний шар потрапляють і неконтрольовані домішки з пластини. Цей процес називається автолегірованіем. Механізм автолегірованія представлений на малюнку 2. Неконтрольовані домішки впроваджуються в зростаючий епітаксійний шар 1 за рахунок твердотільної дифузії 6 через кордон 2 ЕС - пластина 3, а також за рахунок випаровування домішки з неробочих поверхонь пластини і перенесення через газову фазу 7, 8. З лицьового боку пластини автолегірованіе проявляється як збільшення ширини перехідною області d - d1 між шаром і пластиною (Малюнок 3).
При епітаксії кремнію швидкість росту плівки істотно перевершує швидкість дифузії атомів домішки, тому
Малюнок 2. Схема автолегірованія:
1 - епітаксійний шар; 2 - металургійна кордон ЕС - пластина, 3 - пластина; 4 - подложкодержатель; 5 - прихований шар; 6 - твердотільна дифузія; 7, 8 - перенесення домішки через газову фазу з неробочої і бічний (торцевого) боку пластини.
Малюнок 3. Розподіл концентрації домішки N на межі переходу пластина - епітаксійних структур по глибині х пластини:
0 - d - початок рівномірного ділянки домішкового профілю в ЕС; d1 -
Профіль легування плівки в основному визначається перенесенням домішки через газову фазу. Домішка переходить в газову фазу на етапі попереднього прогріву. На поверхні пластини утворюється адсорбований шар домішкових атомів, які і захоплюються зростаючої плівкою. Домішкові атоми адсорбуються і подложкодержателем.
При автолегірованіі дифузія по поверхні пластини не відіграє суттєвої ролі. Встановлено, що різниця між максимальними концентраціями домішки при автолегірованіі миш'яком становить 2-3 порядки.
Для зменшення автолегірованія неробочу поверхню пластини маскують SiO2 або Si3N4. Останнім часом для зменшення автолегірованія використовують знижений тиск. Різницю у швидкості випаровування при використанні для епітаксії кремнію проточної системи і вакууму можна пояснити наявністю прикордонного шару біля поверхні пластини, що впливає на умови випаровування. Потік домішки в газову фазу з неробочих поверхонь пропорційний концентрації в поверхневому шарі цих поверхонь. Частина потоку осідає на зростаючій плівці. У вакуумі ця частина потоку зводиться до мінімуму.
Автолегірованіе зменшується і при зниженні швидкості росту плівки (як над прихованим шаром, так і поза ним). Воно залежить від площі прихованого шару і з її зменшенням зменшується пропорційно
ЛІТЕРАТУРА
1. Черняєв В.М. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. Підручник для вузів - М; Радіо і зв'язок, 2007 - 464 с: іл.2. Технологія НВІС. У 2 кн. Пер. з англ. / Под ред. С. Зі, - М.: Світ, 2006. -786 С.
3. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 2001. -528 С.
4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи НВІС. -Мн. Обчислюємо. шк., 2000. -238 С.
5. Тару Я. Основи технології НВІС Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2000-480 с.