[11] Методы Выращивания Кристаллов В Электронной Технике (Материалы с сайта Арсеньева), страница 28

В результате взаимодействия атомов, попадающих на подложку, с атомами последней происходит захват атомов атмосферы (т. е. ансамбля атомов набегающего пучка) по­верхностью подложки. Этот процесс называют адсорбцией, при этом различают хемосорбцию и физическую адсорбцию. При хемосорбции энергия взаимодействия составляет вели­чину порядка одного электрон-вольта на атом, т. е. она приблизительно равна энергии протекания химической реакции. Физическая адсорбция обусловлена слабыми взаимодействий-ми атомов пучка с атомами подложки за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Адсорбированный атом, иначе адатом, находясь в возбуж­денном состояний, мигрирует по поверхности подложки, по­падая из одной потенциальной ямы в другую. Через неко­торое время он может либо задержаться в одной из таких потенциальных ям, либо провзаимодействовать с другими атомами, образовав устойчивые комплексы на поверхности (кластеры), либо покинуть поверхность, т.е. десорбироваться. Вероятность того, что попавший на поверхность атом бу­дет захвачен ею, характеризуется коэффициентом конденса­ции. Величину этого коэффициента определяют по отноше­нию числа атомов, сконденсировавшихся на поверхности, к общему числу атомов, достигших поверхности из пучка.

Наряду с коэффициентом конденсации важным парамет­ром, характеризующим свойства поверхности адсорбировать атомы из атмосферы, является коэффициент аккомодации.

Пусть идеальный одноатомныи газ, характеризуемый тем­пературой T₁ и энергией частиц E₁, находится в контакте с поверхностью, температура которой Т₂ а энергия частиц— E₂.Атом газа, ударившийся о поверхность подложки, приоб­ретает среднюю энергию 2К(Т₂—С1)=Е₂—Е₁. Если атом сра­зу после соударения отражается, то средний прирост энергии обычно очень мал, т. е. отразившиеся атомы не приходят в равновесие с атомами поверхности. В этом случае средняя энергия десорбированного атома равна Е′₂, а соответствую­щая ей температура—T′₁), но такая, что выполняется усло­вие T₂>T′₁>T₁. Тогда величина α, равная

α =(Е'₂—Е₁)/(Е₂—Е₁)

характеризует среднюю долю энергии, которой обмениваются при одном столкновении между собой атомы набегающего пучка и подложки. Эта величина называется коэффициентом аккомодации.

Если часть атомов задержалась на поверхности в результате процессов адсорбции, вошла в равновесие с атомами подложки и затем только десорбировалась с энергией Е_Д(Т_Д), то для такой системы коэффициент аккомодации равен

α_Т =(Т₁—Т_от)/(Т₁—Т_Д)= (Е₁—Е_от)/(Е₁—Е_Д)

где Т_от и Е_от—температура и энергия атомов в отраженной части пучка.

Описанный выше случай наиболее вероятен для процес­сов напыления, так как обычно температура поверхности под­ложки меньше усредненной температуры атмосферы. Коэф­фициент аккомодации зависит от массы налетевшего и уда­ряемого атомов, причем, если эти массы сравнимы, то захва­ченный атом теряет свою энергию за время нескольких коле­баний атомов подложки.

Легирование пленок в процессе МЛЭ

Легирование в процессе МЛЭ осуществляется двумя раз­личными способами. Первый основан на испарении легирую­щей примеси и встраивании ее в кристаллическую решетку по механизму, аналогичному процессу роста кремния.

В качестве источников примеси используют сурьму Sb, галлий Ga или алюминий Аl. Имеются данные о получении уровня легирования в диапазоне 10¹³—10¹⁹см^-3 с однород­ностью на подложке ±1%. При выборе легирующих примесей в этом случае определяющими являются значения скорости осаждения атомов и значения коэффициента аккомодации. Малые значения коэффициента аккомодации свидетельствуют о высокой вероятности процесса десорбации примеси с под­ложки и, следовательно, о трудности образования зародышей на ее поверхности. Наличие температурной зависимости коэф­фициента аккомодации вызывает необходимость точного под­держания температуры подложки.

При другом способе легирования используется процесс ионной имплантации. В этом случае для легирования расту­щего слоя применяют слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией (0,1—3,0 кэВ). Низкая энергия имплантации обеспечивает введение примеси на небольшую глубину под поверхность растущего слоя и встраивание ее в кристалли­ческую решетку. При этом способе легирования наряду с сурьмой, галлием и алюминием возможно использование та­ких примесей как бор, фтор и мышьяк.

П
рименение ионного внедрения в процессе МЛЭ позво­ляет получать сложные профили легирования, что практичес­ки невозможно осуществить, используя методы эпитаксии из парогазовой фазы (рис. 11.6.16). В то же время внедрение МЛЭ в технологический процесс изготовления интегральных схем и полупроводниковых кремниевых приборов долгое время сдерживалось отсутствием необходимого промышленного обо­рудования. В последние годы налажен выпуск систем для проведения процесса МЛЭ, которые, однако, отличаются вы­сокой стоимостью и сложностью.

Рис. 11.6.16. Распределение примесей при ионной им­плантации

Описание установки для выращивания пленок в процессе МЛЭ

Одна из возможных схем современной установки для осу­ществления процесса молекулярно-лучевой эпитаксии крем­ния представлена на рис. 11.6.17. Основой ее является вакуум­ная камера 1, в которой расположены источники молекуляр­ных пучков кремния и легирующей примеси 2, направленные к нагретой подложке 3. Материал тигля, в котором находится кремний, должен быть термически стойким и химически инерт­ным. В качестве такого материала применяют пиролитический нитрид бора или графит, максимальные рабочие темпе­ратуры которых составляют соответственно 1800 и 2000° С.

Для нагрева кремния используются два электронно-луче­вых испарителя мощностью 14 кВт каждый. Постоянная ин­тенсивность потока атомов обеспечивается строгим контро­лем температуры испарения. Для более равномерного нагрева подложки должны быть расположёны как можно ближе к нагревателю.

Р
ис. 11.6.17. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии.

Контроль температуры процесса осуществляет­ся различными методами (с помощью Термопар, ИК-датчиков, оптических параметров). С целью очистки поверхности образца используют поток ионов инертного газа небольшой мощности, источником которых является ионная пушка 10. Контроль структуры и чистоты как исходной подложки, так и формируемого слоя осуществляют с помощью весьма слож­ных и информативных устройств. Например, чистота поверх­ности, ее элементный состав определяются методом ожеспектроскопии, чувствительность, которого составляет вели­чину, равную, примерно, 10¹²ат/см²).

Кристаллографический анализ подложек и пленок прово­дят методом дифракции электронов. Пучок электронов, на­правляемый на подложку под углом, близким к 1°, образует дифракционную картину (электронограмму), по виду которой можно определить параметры элементарной ячейки, выявить в процессе роста слоев нежелательные ростовые структуры и откорректировать в связи с этим рабочие параметры про­цесса. Для анализа выращиваемых слоев применяют дифрак­цию быстрых электронов (ускоряющее напряжение 30— 50 кВ), а для анализа выращенных слоев—дифракцию мед­ленных электронов (ускоряющее напряжение от нескольких вольт до 1 кВ), Для химического анализа поверхности исполь­зуют метод рентгеноэлектронной спектроскопии с разреше­нием по глубине до 5нм и чувствительностью до 10¹³ ат/см² моноатомного слоя. Окна 4, 5 предусмотрены для визуаль­ного наблюдения за процессом. В установках МЛЭ помимо основных технологических операций (очистки поверхности подложки, эпитаксиального осаждения, анализа осажденно­го слоя) выполняются также вспомогательные операции: ввод подложки в зону осаждения; транспортировка подложки из одной камеры в другую; юстировка подложи относительно технологических и контролирующих средств.

Для предотвращения многократных и продолжительных контактов высоковакуумной системы с воздухом предусмот­рено использование загрузочного шлюзового устройства 6, в состав которого входят два вакуумных сорбционных насоса и один ионный насос производительностью 30 л/с, устройство для магнитного перемещения загрузочной штанги 7, загрузоч­ное окно 8, клапан 9.

В отличие от эпитаксии из парогазовой фазы использо­вание МЛЭ не связано с принятием особых мер по технике безопасности. Метод МЛЭ является весьма перспективный методом в производстве высокочастотных и оптоэлектронных приборов.

11.6.9. Тенденции развития эпитаксиальной технологии

Эпитаксия, как технологический процесс, несомненно остается неотъемлемой частью производства полупроводнико­вых приборов и интегральных схем. Этот процесс позволяет получать профили легирования, которые невозможно обеспе­чить иным путем. Со временем будут широко использоваться автоэпитаксиальные кремниевые структуры. Однако для раз­работки схем с высокими плотностью элементов и быстродей­ствием необходимо воспользоваться преимуществами КНИ-технологии, метода направленной боковой кристаллизации. Использование МЛЭ в производстве СБИС с применением ионного легирования позволит существенно улучшить пара­метры приборов. Продолжительность высокотемпературных операций при производстве СБИС невелика, что позволяет использовать возможности легирования, предоставляемые МЛЭ.

Наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьше­нию толщины эпитаксиальных слоев для создания биполяр­ных и униполярных интегральных схем, несомненно, приведет к дальнейшему совершенствованию эпитаксиальной техноло­гии и более глубокому изучению эффекта автолегирования. Значительным достижением было бы получение эпитаксиаль­ных слоев без загрязнений.

11.7. НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК

Наиболее существенную роль в микроэлектронике тонкие пленки играют, во-первых, в качестве изоляционных покры­тий, масок при процессах диффузии и ионной имплантации, для диффузии из примесно-селикатных слоев, герметизирую­щих слоев, защищающих поверхность приборов от внешних воздействий, для иттерирования примесей и дефектов и т. д.

Вторым, не менее важным, аспектом применения тонких пленок, является использование их для металлизации с целью реализации межкомпонентных соединений с низким сопротив­лением и создания контактов с областями n⁺ и р⁺-типа, а также со слоями поликристаллического кремния.

В
технологии изготовления ИС Процессы создания диэлек­трических и электропроводных пленок применяются в ряде случаев чаще, чем диффузия и ионная имплантация. На рис. 11.7.1 представлена структура обычного полевого МОП-транзистора с сильнолегированными n⁺ областями стока и истока, образованными в результате ионной имплантации в крем­ниевую подложку р-типа.

Рис. 11.7.1. Схема поперечного сечения МОП-тран­зистора

Электрические контакты к областям стока и истока выполнены из алюминия и проходят через узкие вертикальные окна в слое оксида кремния, выполняю­щего роль диэлектрика.

Для образования покрытия на поверхности подложки час­тицы осаждаемого вещества должны вступить с ней в непо­средственный контакт. Источник осаждения частиц обычно расположен отдельно от подложки и для доставки этих час­тиц к ее поверхности, как правило, применяется среда—носи­тель. После попадания осаждаемых частиц на поверхность подложки значительная их часть либо адсорбируется на ней, либо образует новое химическое соединение, которое затем остается на поверхности. В целом процесс осаждения харак­теризуется типом осаждения частиц, средой—носителем, спо­собом введения осаждаемого вещества в среду—носитель, ти­пом реакции на поверхности подложки, а также механизмом переноса осаждаемых частиц от источника к подложке.

По типу использования среды—носителя методы осажде­ния пленок могут быть классифицированы на следующие.

1. Формирование пленок из газовой фазы.

2. Формирование пленок в результате взаимодействия по­верхности подложки с химическим реагентом.

3. Осаждение тонких пленок из растворов или расплавов.

4. Формирование пленки из твердой фазы.

5. Осаждение пленки в результате электролитических ре­акций.

11.7.1. Нанесение пленок в вакууме