Диффузия (987306), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

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

N_z=N_s e^-φz

а второй процесс—формулой

N_z=N_E (1-e^-φz)

где N_z — концентрация примеси в эпитаксиальном слое;

N
_s — концентрация примеси в подложке; N_E — равновесная концентрация в достаточно толстом эпитаксиальном слое;

Рис. 11.6.12. Влияние автолегирования на аспределение примеси в эпитаксиальных слоях: а—п. на n⁺; б—п на р

z—расстояние, отмеренное от стыка подложки с эпитаксиальным слоем по перпендикуляру вверх от подложки; φ— экспериментально определяемый фактор роста. Фактор роста меняется в зависимости от вида установки и обычно обратно пропорционален температуре. На рис. 11.6.11 показана зави­симость φ от Т для подложек, легированных мышьяком и бо­ром. Суперпозиция этих процессов дает

N_z= (N_s -N_E ) e^-φz+ N_E

где N_s и N_E имеют одинаковые знаки для добавок одинако­вого. типа и противоположные знаки для добавок противоположных типов.

На рис. 11.6.12 для описания ситуаций «n-слоя на п⁺-слое и n-слоя на р-подложке» показан график суперпозиции ука­занных выше процессов. В расчетах, на основании которых построены графики рис. 11.6.12, принято, что (φ=0,5 мкм^-1. Как правило, эпитаксиальное выращивание проводится при тем­пературе выше 1200° С, при этом значение φ несколько выше. Для структуры типа п—п⁺ при концентрации примесей в под­ложке около 10¹⁸ см^-3 и идеальной концентрации примеси в слое порядка 10¹⁶ см^-3 эффект автолегирования хорошо проявляется в эпитаксиальном слое, увеличивая концентра­цию атомов—доноров до величин больше нормы.

В случае п. на р при концентрации примеси в подложке около 10¹⁵ см^-3 и идеальной концентрации в слое порядка 10¹⁶ см^-3, р—n-переход будет слегка смещен (около 0,2 мкм) в толщу эпитаксиального слоя.

В

случае n-слоя на р-подложке, р—n-переход образуется в эпитаксиальном слое на расстоянии Z_п от поверхности подложки. Это расстояние называется смещением р—n-перехода

Чем больше фактор роста, тем меньше смещение перехода, поэтому для минимизации 2п желательно выращивать эпитаксиальные слои при как можно более высокой температуре.

О

саждение эпитаксиального слоя проходит при высокой температуре, и последующее нанесение примеси и диффузия также ведутся при высокой температуре, поэтому следует ожидать действия этих процессов на профили примеси вблизи зоны соприкосновения эпитаксиальный слой—подложка. Как и в случае автолегирования, общий механизм явления сла­гается из двух: 1) диффузия из легированной подложки в нелегированный эпитаксиальный слой; 2) диффузия из леги­рованного эпитаксиального слоя в нелегированную подлож­ку. Можно оба эти случая рассматривать как диффузию из равномерно легированного полубесконечного слоя в нелеги­рованный полубесконечный слой. Формула (11.6.1) дает реше­ние уравнения диффузии для первого случая. Она представ­ляет собой выражение концентрации примеси N_δ в беспримес­ном эпитаксиальном слое через начальную концентрацию при­меси в, подложке N_s, расстояние от подложки z и коэффи­циент диффузии для примеси в подложке D_s:

(11.6.1)

Д

ля того чтобы вычислить профиль распределения примеси во втором случае, вычтем предыдущий результат (формула 11.6.1) из теоретического значения идеального профиля примеси , в эпитаксиальном слое, получим

(11.6.2)

где N_D—концентрация примеси в легированном эпитакси­альном слое на беспримесной подложке; n_e—концентрация вблизи поверхности эпитаксиального слоя в предположении, что он имеет достаточную толщину; D_E—коэффициент диф­фузии для примесей в эпитаксиальном слое.

Р
ис.11.6.13. Влияние диффузии на распределение при­меси в эпитаксиальных слоях: а—п на п+; б—п на р

Если z >> 2√(D_Et), то N_D≈N_E

Перераспределение примеси, происходящее в - процессе эпитаксии, пренебрежимо мало по сравнению с перераспре­делением, происходящим при дальнейшей обработке.

Чтобы рассчитать перераспределение примеси, происхо­дящее из-за диффузии в процессе обработки, следует вычис­лить эффективное произведение коэффициента диффузии на время (D_Е)_эффt. Для этого приравняем (D_Е)_эффt к сумме произведений соответствующих коэффициентов диффузии иа время протекания каждого этапа высокотемпературной обра­ботки. На рис. 11.6.13 показаны перераспределения примеси из-за диффузии в структуре п на n⁺ с мышьяком в качестве примеси и в структуре п на р с мышьяком и бором в качестве примеси.

В структуре п на п⁺ получается резкий переход между подложкой и эпитаксиальным слоем. В структуре п на р этот переход несколько сдвигается в сторону подложки, компен­сируя эффект смещения перехода вследствие автолегирова­ния. Чтобы минимизировать эффекты диффузии при исполь­зовании скрытых слоев применяют примеси с малыми коэф­фициентами диффузии, например такие, как сурьма или мышьяк (и для скрытого, и для эпитаксиального слоя).

11.6.6. Дефекты в эпитаксиальных структурах

Основными дефектами, возникающими в эпитаксиальных пленках при их росте являются дислокации и дефекты упа­ковки.

О совершенстве структуры пленки можно судить по фи­гурам и ямкам травления на поверхности контрольного об­разца, а также по величине подвижности носителей заряда, которая при определенных концентрации примеси и темпе­ратуре зависит от плотности дефектов. Плотность дефектов определяется как число дефектов на 1 см² поверхности от­дельно для дефектов упаковки (фигуры травления) и дисло­каций (ямки травления). Обычно плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях не превышает 10³ см^-2, а плотность дефектов упаковки—10² cм^-2. Плотность дислокации в ис­ходных пластинах в соответствии с ГОСТом не должна быть более 10 см^-2.

При эпитаксиальном росте пленок воспроизводится морфо­логия подложки, поэтому дислокации, имевшиеся в пластине исходного полупроводника, наследуются эпитаксиальной плен­кой. Плотность дислокаций максимальна на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки. Для получения слоев с малой плотностью дислокаций требуются тщательная меха­ническая обработка, очистка поверхности пластин, химичес­кое жидкостное или газовое травление.

Одной из причин образования дислокаций в эпитаксиальных слоях являются также термические и механические на­пряжения, возникающие на различных стадиях обработки структур. Механические напряжения возникают при значи­тельном различии параметров кристаллической решетки и концентрации легирующей примеси в подложке и растущем слое. Так, например, при введении в кремний атомов бора или фосфора, имеющих ковалентные радиусы меньшие, чем у атомов кремния, параметры решетки уменьшаются. При введении атомов сурьмы с большим ковалентным радиусом наблюдается обратный эффект. В процессе наращивания эпитаксиального слоя возникают напряжения, структура изгибается и генерируются дислокации поверхности раздела. Образование дислокаций поверхности раздела исключается применением легирования эпитаксиального слоя двумя приме­сями, ковалентный радиус одной из которых больше, чем у кремния, а у другой—меньше. В этом случае, постоянную решетки эпитаксиального слоя можно приблизить к постоян­ной решетки подложки. Рост монокристаллического эпитаксиального слоя состоит из зарождения центров кристаллиза­ции, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. Если какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он слу­жит исходной точкой развития дефекта упаковки, ибо окру­жающие его атомы в процессе последующего роста также будут сдвинуты относительно моноатомных слоев всего объема.

Характеристики

Список файлов лекций