Диффузия (987306), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Гидридный метод выращивания эпитаксиальных слоев основан на третьей реакции пиролиза силана при темпера­турах 1050—1100° С. Снижение температуры и отсутствие хлоридов заметно уменьшает последствия автолегирования. К недостаткам метода относятся сильная токсичность реаген­тов, взрывоопасность и возможность спонтанного протекания реакции разложения силана в газовой фазе. При протекании последней на подложку попадают агрегаты, состоящие чаще всего, из частиц аморфного кремния, что резко увеличивает дефектность растущей пленки. Спонтанный пиролиз усили­вается с ростом температуры, концентрации силана в смеси, в присутствии следов воды Н₂О или кислорода О₂. Типичный режим осаждения по гидридному методу определяется тем­пературой процесса в пределах 1050—1100° С, составом смеси (4% SiHl₄+96% аргона, гелия или водорода), скоростью осаж­дения 0,2—2 мкм/мин.

Использование для получения эпитаксиальных слоев крем­ния реакций диспропорционирования или газотранспортных реакций в настоящее время не получило практического при­менения в промышленных масштабах, хотя знание их необходимо как для понимания процессов эпитаксиального роста в применяемых методах, так и для возможного получения пленок других важных для микроэлектроники материалов.

Реакция диспропорционирования также может реализо­вываться в открытом процессе, но она разработана для за­крытых или ампульных процессов. Предположим, что необ­ходимо получить кремниевую эпитаксиальную пленку по сле­дующей реакции диспропорционирования:

Si+SiI₄ ↔ 2SiI₂

Для этого в кварцевую ампулу загружают кремнии Si и иод I₂, ампулу откачивают и помещают в двухзоновую печь так, что одна ее часть с кремниевыми затравками находится при температуре Т₁, а другая при T₂ и содержит кремний, вы­полняющий роль источника, причем Т₁>Т₂. Особенностью реакции диспропорционирования является изменение направ­ления реакции в зависимости от температуры. При Т₂ она идет слева направо, при этом предварительно образовавший­ся SiI₄ взаимодействует с материалом источника, образуя неустойчивое газообразное соединение SiI₂. За счет термодиффузионных потоков SiI₂ диффундирует в область подложек, где реакция идет справа налево при температуре Т₁. Вновь образовавшийся SiI₄ опять диффундирует в область источ­ника и т. д.

Обратим внимание, что в этом случае осаждение идет при сравнительно низких (порядка 1000° С) температурах, причем количество посторонних веществ, вводимых в систе­му. минимально, что снижает возможность загрязнения плен­ки. К тому же под довольно легко очищается предваритель­но. Тем не менее, трудность механизации, малая производи­тельность ампульного метода являются серьезными недостат­ками.

Процесс выращивания эпитаксиальных пленок из газовой фазы обычно включает следующие основные этапы.

1. Подготовка пластин с выбранной ориентацией подлож­ки и заданной степенью совершенства поверхности.

2. Очистка системы для выращивания от посторонних веществ.

3. Загрузка пластин в реактор.

4. Продувка реактора инертным газом и водородом.

5. Нагрев пластин и создание в реакторе условий их газового травления с целью очистки пластин и удаления нару­шенного механической полировкой поверхностного слоя.

6. Создание условий для проведения режима осаждения пленок.

7. Подача реагентов для осаждения и (в случае необхо­димости) легирования эпитаксиальной пленки.

8. Прекращение подачи реагентов и продувка системы водородом.

9. Снижение по заданной программе температуры в реак­торе до полного выключения нагрева.

10. Продувка системы инертными газами.

11. Разгрузка реактора.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по соз­данию полностью автоматизированных систем, обслуживаю­щих данный цикл в оптимальном режиме.

Оптимизация процесса эпитаксиального выращивания не­возможна без детального рассмотрения движения смеси в реакторе. Для примера рассмотрим условия протекания по­токов в простейшем горизонтальном реакторе, приведенном на рис. 11.6.5.

Р
ис. 11.6.5. Схема простейшего горизонтального реактора

Как видно из этого рисунка в реакторе в различных его точках существуют резко отличающиеся условия. Вблизи стенок образуются пограничные области, в которых скорости потоков, температура, концентрация реагентов могут значительно отличаться от величин, характерных для входящего потока смеси. Изучая кинетику нанесения пленок, мы должны рассмотреть процессы переноса реагентов через пограничные смеси к подложке и отвод от нее продуктов реакций.

Для достижения однородности осаждаемых пленок необходимо обеспечить одинаковые условия для всех подложек, что в рассматриваемом на рисунке реак­торе практически невозможней

В эпитаксиальной технологии разработано несколько типов го­ризонтальных и вертикальных ре­акторов, схематически показан­ных на рис. 11.6.6 (а—горизонталь­ные типы реакторов, б — верти­кальные типы реакторов).

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.

Характеристики

Список файлов лекций