[11] Методы Выращивания Кристаллов В Электронной Технике (Материалы с сайта Арсеньева), страница 25

Вертикальные реакторы обес­печивают наилучшие условия для равномерности нагрева подложек и однородности по составу посту­пающей парогазовой смеси. На­грев может осуществляться с по­мощью внешнего высокочастотно­го индуктора, нагревающего гра­фитовый держатель подложек, внешнего светового источника или внутреннего резистивного нагре­вателя, при этом стенки реактора могут принудительно охлаждать­ся, уменьшая вероятность загрязнения подложек

Р
ис. 11.6.6. Типы реакторов: а, — горизонтальные; б — вертикальные

Вертикальные реакторы работают периодически, что является их серьезным недо­статком, однако наличие в установке нескольких переклю­чающихся реакторов упрощает проблему (пока, например, в одном из них идет наращивание пленок, другой разгружа­ется и т. д.).

Легирование эпитаксиальных кремниевых структур произ­водится с помощью элементов III и V групп, которые вводятся в процесс эпитаксии в виде летучих соединений. Наиболее пригодными из них являются хлориды и гидриды соответ­ствующих элементов, в частности хлориды: РС1₃, AsCl₃, SbС1₃, SbCl₅, ВС1₃, ВВr₃, а также фосфин РН₃, арсин АsН₃, диборан В₂Н₆, стибин SbH3, причем применение гидридов более пред­почтительно.

Различают следующие основные методики легирования эпитаксиальных слоев: из парогазовых смесей, жидких лига­тур и газового разряда.

При легировании из парогазовых смесей источником при­меси является разбавленная смесь инертного газа с летучим гидридом, которая добавляется к основному потоку, посту­пающему в реактор.

В методе жидких лигатур в качестве источника легирую­щей примеси используется разбавленный раствор жидкого соединения этой примеси. Источник осаждаемого полупровод­никового материала чаще всего—SiCl4. Этот метод удобен тем, что фиксирует заданное соотношение концентрацией примеси и основного вещества как в жидкой, так и в газовой фазе, независимо от расхода газа—носителя через испари­тель. Обычно требуемая концентрация примеси невелика, по­этому в методе жидких лигатур используют растворы с отно­сительным содержанием примеси 10^-9—10^-2, что обеспечи­вает уровень легирования 10¹⁴—10¹⁹ см^-3.

Перспективным методом управления концентрацией при­меси в эпитаксиальном слое при выращивании является электроискровое легирование, или метод газового разряда. В этом случае между электродами, находящимися в реакто­ре, создается искровой разряд, в процессе которого происхо­дит распыление материала электродов. В качестве материала электродов для получения слоев кремния с электропровод­ностью n-типа используют сурьму, сплав Sb+0,1 %P или Sb+l%As.

Для получения эпитаксиальных слоев с электропровод­ностью p-типа используют электроды из борида лантана LaB₆, борида алюминия AlB₁₂, карбида бора В₄С. Концентрацию вводимых в газовую фазу примесей изменяют, регулируя час­тоту искрового разряда. Схема установки для эпитаксии крем­ния приведена на рис. 11.6.7.

Р
ис. 11.6.7. Схемы установки для эпитаксии кремния

Водород поступает в систему очистки, где он тщательно освобождается от примесей, проходя через катализатор (до­жигание кислорода) и палладиевый (платиновый) фильтр. Поток водорода регулируется вентилем, причем его расход может контролироваться по поплавку ротаметра 3. В соот­ветствующем барбатёре водород захватывает пары тетрахлорида кремния SiCl4, содержащие примесь, и парогазовая смесь поступает в реактор 5, где на подложкодержателе 6 расположены подложки 7. Подложкодержатель нагревается индуктором ВЧ-генератора 8 и может вращаться для сглажи­вания колебаний температурного поля и создания одинаковых условий роста для всех подложек.

11.6.3. Выращивание гетероэпитаксиальных пленок кремния

При гетероэпитаксии осуществляется ориентированный рост вещества на пластинке, материал которой очищается по своему химическому составу от наращиваемого слоя. Если пластина — изолирующий материал, то конечной целью гете­роэпитаксии является обеспечение взаимной изоляции эле­ментов структуры, формируемой в эпитаксиальном слое.

Наибольшее распространение получили гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире (Si—А1₂O₃) и на шпинели (Si—MgO Al₂O₃).

Другой способ реализации такой структуры (пока еще не вполне совершенный) — нанесение кремния на аморфную подложку. Гетероэпитаксия на изолирующих пластинах при­меняется для создания мощных или высокочастотных микро­схем, а также получила широкое применение в производстве МДП-структур (металл—диэлектрик—полупроводник). В на­чале главы мы уже рассмотрели вопросы сопряжения решеток при гетероэпитаксии и определили, что при наращивании кремния на сапфире наиболее часто реализуются следующие ориентационные соотношения: Si(100)//Al₂O₃(1012), Si(111)//А1₂O₃ (0001) или Si(111)//А1₂O₃(1010). При кристаллизации кремния на плоскостях шпинели (100), (110), (111) слои крем­ния имеют параллельную ориентацию (100), (110), (111) соответственно.

Рост пленок обычно ведут по хлоридной или гидридной технологии, однако при наличии в парогазовой смеси хлори­дов слишком вероятно загрязнение пленки алюминием, вы­ступающим в ней как акцепторная примесь. Наиболее часто употребляется гидридный (силановый) метод. Газовую очист­ку подложек проводят в атмосфере водорода при T=1100— 1200° С по реакции

2Н₂+А1₂O₃→А1₂O+2Н₂O↑.

Скорость травления невелика, при 1200° С она составляет порядка v==3*10^-3 мкм/мин и иногда температуру повышают до 1650° С (v=0,3 мкм/мин), что создает определенные тех­нологические трудности. На начальной стадии образования гетероэпитаксиальной пленки, как уже говорилось, возникают центры кристаллизации (зародыши), затем происходит рост островков и их слияние в сплошную пленку. В дальнейшем рост пленки обусловлен процессом автоэпитаксии.

Верхний предел рабочих температур процесса наращивания составляет 1150—1170° С, так как при более высоких температурах из-за активного химического взаимодействия кремния и водорода с пластиной и образования вследствие этого летучих соединений алюминия на подложке образуется поликристаллическая пленка кремния. Для снижения уровня автолегирования рост пленок ведут на повышенных до 10 мкм/мин скоростях. С этой же целью вместо сапфировых применяют, как будет показано ниже, подложки из кристал­лов шпинели.

Эффект автолегирования более резко выражен при нара­щивании пленки на сапфировые пластины и усиливается с повышением температуры процесса при условии постоянства скорости осаждения (рис. 11.6.8).

Д
ля ослабления эффекта автолегирования стремятся сни­зить температуру процесса и повысить скорость наращива­ния. Однако в силоновом методе это приводит, как правило. к снижению степени структурного совершенства пленки. Бо­лее радикальный путь лежит в использование химически менее активных материалов в качестве пластины, а также других методов наращивания пленки, например, метода МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксии).

Рис. 11.6.8. Зависимость степени автолегиро­вания от температуры

Гетероэпитаксиальные слои характеризуются высокой плотностью различных дефектов, таких, как дефекты упаков­ки, дислокации несоответствия и дислокации скольжения. Обнаружено, что плотность дефектов в слое обратно пропор­циональна расстоянию от поверхности сапфировой подложки.

Более низкое структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев по сравнению с автоэпитаксиальными объясняется несоответствием типов кристаллических решеток слоя и под­ложки, химическим воздействием материала подложки и га­зовых смесей, процессами автолегирования, различием ТКР слоя и подложки.

11.6.4. Кремний на аморфной подложке

Известен способ формирования монокристаллических слоев кремния на изоляторе (КНИ), в котором используются не эпитаксиальные методы нанесения аморфного или поликрис­таллического кремния на подложку с их последующей перекристаллизацией. В качестве источника энергии, необходимой для перекристаллизации кремния, используется лазер или электронная пушка.

Лазерная перекристаллизация позволяет в перспективе уменьшить плотность дислокаций в граничном слое кремния до уровня ее в пленке кремния, полученной методом автоэпитаксии.

Р
ис. 11.6.9. Полосковый нагреватель-|

Метод получения КНИ-структур в настоящее время не нашел должного применения в технике, хотя существует прин­ципиальная возможность использования его при изготовле­нии, солнечных элементов, интегральных схем и т.п.

Существует несколько методов получения КНИ-структур. В качестве исходной структуры может быть использована любая кремниевая подложка, покрытая слоем окисла или нитрида кремния, или подложка из кварцевого стекла. При использовании кремниевых подложек на поверхность наносят изолирующую пленку окиси кремния SiO₂ и методом фото­литографии открывают, например на краю пластины, окно в кремниевой подложке. Затем эту структуру покрывают поликристаллической пленкой кремния толщиной 0,5 мкм с использованием способа нанесения из парогазовой фазы при пониженном давлении. Подвижный полосковый нагреватель, расположенный над об­ластью открытого кремния (рис 11.6.9), обеспечивает расплавление поликристалла. От подложки, как от затравочного кристалла, монокристалл растет в боковом направлении вслед за перемещающимся нагревателем.

Этот способ позволяет проводить перекристаллизацию по­ликристаллических пленок на большой площади кристалла, например на всей поверхности подложки.

Другой метод получения КНИ предполагает формирование островков поликристаллического кремния на аморфной подложке и последующую их перекристаллизацию при ска­нировании лазерного луча. При использовании этого метода монокристаллической затравки не требуется.

Дальнейшее улучшение качества и технологии КНИ-структур связано с проведением дополнительных исследований и может привести к появлению новых методов разработки и изготовления приборов.

11.6.5. Некоторые свойства кремниевых эпитаксиальных пленок

Техническую проблему получения пленок в технологии микроэлектроники можно расчленить на две: получение пленок с высоким уровнем структурного совершенства, заданных размеров и чистоты, легированных выбранной примесью; кон­троль переходной области между подложкой и пленкой, по природе своей обладающей как повышенной концентрацией дефектов, так и свойствами, отличающимися от свойств ма­териалов подложки и пленки. Принципиальное значение влияние переходного слоя имеет при создании р—n-переходов, особенно гетеропереходов и очень тонких пленок для создания новейших микросхем, их элементов на сверхрешетках пленок на диэлектрических подложках. Нельзя исключить из рас­смотрения вопросы технологичности и экономичности предлагаемых технологий. Так, например, стоимость внедрения про­цесса электронной литографии на два порядка превышает стоимость комплекса технологического оборудования, и при этом в такой же степени возрастает время обработки под­ложки. Это является весьма существенным фактором в со­временном массовом производстве РЭА.

Рассмотрим проблему распределения примеси в эпитаксиальной пленке кремния. На рис. 11.6.10 показаны идеальные профили распределения примеси в эпитаксиальном слое n-типа на подложке p-типа и эпитаксиального слоя n-типа на скрытом n⁺-слое. Реальные профили распределения отлича­ются от идеальных по двум причинам. Первая из них связана с эффектом автолегирования, второй причиной является диф­фузия из подложки, идущая во время осаждения слоя и по­следующей высокотемпературной обработки.

Р
ис. 11.6.10. Идеальные профили распределе­ния примеси

Окончательный профиль примеси можно представить как результат суперпозиции двух процессов: 1) взаимодействия беспримесного газа и легированной подложки; 2) взаимодей­ствия беспримесной подложки и газа с примесью.

Экспериментально установлено, что первый процесс опи­сывается уравнением