Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Эпитаксиальное наращивание пленок кремния





В качестве исходного материала для производства ИМС удобно использовать тонкие пленки полупроводниковых материалов, к которым предъявляются жесткие требования в отношении толщины, удельного сопротивления и кристаллического совершенства, поскольку именно здесь формируются элементы ИМС.

Получение таких пленок основывается на методе эпитаксиального наращивания, под которым подразумевается ориентированный рост кристаллического слоя вещества на поверхности другого кристалла с воспроизведением кристаллической ориентации подложки. При этом характер распределения легирующих примесей и дефектов в эпитаксиальном слое играет решающую роль в определении свойств получаемых на их основе ИМС.

Для получения таких пленок используются различные методы эпитаксиального наращивания:

1) вакуумная

2) газотранспортная

3) жидкофазная

4) молекулярная (молекулярно-лучевая – МЛЭ) эпитаксия

и некоторые их вариации.

Идеальным является такой процесс, который обеспечивает однородные, воспроизводимые результаты при сравнительно низких температурах и позволяет изготавливать пленки с совершенной структурой, производителен, экономичен и безопасен.

При этом требования, которые предъявляются микроэлектроникой к эпитаксиальным структурам, касаются основных параметров пленок:

1) минимальные концентрации остаточных неконтролируемых примесей, присутствующих во время роста пленки в газовой фазе;

2) воспроизводимость концентрации легирующей примеси, вводимой в газовую фазу, а также равномерности распределения примеси в пленке;

3) строго совершенства выращиваемых пленок, т.е. отсутствия в их объеме точечных, линейных, поверхностных дефектов и нарушений периодичности их кристаллической структуры;

4) строгого совершенства и минимизации переходной области «подложка-пленка»

5) обеспечение равномерности толщины пленки по всей поверхности пластины.

Колебания не должны превышать 10%.

Наиболее полно всем перечисленным выше требованиям отвечает метод газотранспортной эпитаксии, который нашел наиболее широкое применение в современной технологии создания ИМС.

В настоящее время для эпитаксиального наращивания кремния используются в основном два процесса:

1) восстановление тетрахлорида кремния водородом при температуре 1150-1200°С

SiCl4+2H2 Si+4HCl (3.1)


2) термическое разложение силана при температуре »1050°С

SiH4 t° Si+2H2 (3.2)

Использование реакции (3.1) имеет существенный недостаток по сравнению с реакцией (3.2),так как осажденный кремний вступает в обратимую реакцию с тетрахлоридом кремния с образованием субхлорида.

Si +SiCl4 2SiCl2 (3.3)

Это ведет к подтравливанию поверхности при больших концентрациях SiCl4. Реакция (3.З) в некотором смысле противоположна реакции осаждения, а следовательно, скорость роста эпитаксиальной пленки есть сумма скоростей этих двух процессов. Безусловно, что протекание процессов травления поверхности при осаждении кремния крайне нежелательно и при эпитаксиальном наращивании его исключают путем выбора температуры наращивания, исходной молярной концентрации SiCl4 в Н2 и скоростью потока водорода.

Другим наиболее существенным недостатком эпитаксиального наращивания, присущим как методу восстановления тетрахлорида кремния, так и методу разложения силана, является взаимное проникновение в пленку и подложку примесей, содержащихся в подложке и растущей пленке. Перераспределение примесей при эпитаксиальном выращивании различных структур, а также при последующих операциях тёрмообработки является одной из принципиальных проблем при получении однородных эпитаксиальных пленок с толщинами 1-1,5 мкм, что необходимо при создании сверхбольших и сверхскоростных ИМС с большой плотностью элементов.

Основными механизмами перераспределения концентраций примесей при эпитаксии и операциях термообработки являются:

1 взаимная диффузия в твердой фазе материалов слоя и подложки друг в друга, а также примесей, содержащихся в них;

2 перенос примеси от задней стороны подложки в газовую фазу и последующее встраивание в растущий слой;

3 перенос с верхней стороны подложки или эпитаксиального слоя после начала выращивания в газовую фазу с последующим обратный включением примесей в растущий слой;

4 перенос примеси с верхней стороны подложки в газовую фазу за счет травления поверхности в начале процесса и последующее ее включение в растущую пленку (2-4-автолегирование).

В результате такого диффузного перераспределения первоначальное концентрационное распределение примесей претерпевает значительное изменение.

Следует отметить, что характер изменения распределения примеси во многом зависит от концентрации примеси в подложке. Так, в случае сильно легированной подложки распределение концентрации экспоненциально убывает от границы подложка-слой в объем слоя. Учитывая, что в настоящее время используются эпитаксиальные пленки, выраженные на подложках, имеющих как высоколегированные, так и низколегированные области, то перераспределение концентрации в эпитаксиальной пленке над каждой из областей носит свой характер.

Одним из важных моментов, влияющих на перераспределение примеси в эпитаксиальном слое, является совершенство поверхности исходной подложки, поскольку любые неоднородности подложки воспроизводятся в пленке, что, в конечном счете, приводит к изменению коэффициентов диффузии примесей в пограничном слое эпитаксиальная пленка-подложка. Так, исследования перераспределений примесного профиля в результате термообработки (Т=1200°С, t=45 мин) в слоях кремния, выращенных на сильнолегированных мышьяком подложках кремния показали, что измеренные значения коэффициента диффузии легирующей примеси в области границы в 3-8 раз превышают значения в глубине слоя. При этом было установлено, что аномально высокие значения коэффициента диффузии вызваны высокой плотностью макродефектов, возникающих в слое при эпитаксии на сильно легированной подложке. Для устранения данного явления обычно перед эпитаксией проводят термообработку пластин при Т= 1200°С и травление ее поверхности в НС1,что в свою очередь повышает роль автолегирования (перенос примеси с поверхности подложки в газовую смесь и последующее включение примеси в растущий слой) в процессе перераспределения принеси в растущей эпитаксиальной пленке. Так, при выращивании слоев восстановлением SiСl4, даже если принять меры, ограничивающие диффузию из высоколегированной подложки, граничный слой толщиной 2-3 мкм почти всегда оказывается сильно легированным примесью подложки. Таким образом, процесс автолегирования является проблемой, специфической для процесса эпитаксии как с использованием метода восстановления тетрахлорида кремния, так и при использовании метода разложения силана, хотя в последнем случае можно получать и резкие р+-р и n+-n переходы, ширина которых определяется в основном процессами диффузии в твердой фазе.

Для уменьшения влияния диффузии из подложки в растущий слой могут быть использованы два пути. Во-первых, выбор материала для легирования подложки, имеющего минимальный коэффициент диффузии, например, подложки n-типа следует легировать мышьяком или сурьмой. Другой путь уменьшение температуры процесса эпитаксиального выращивания и в связи с этим выбор такого метода выращивания слоев, который позволил бы работать при минимальной температуре подложки. Такие процессы позволили бы также предотвратить и механизм автолегирования, что, в конечном счете, позволило бы решить проблему получения тонких эпитаксиальных слоев с толщиной 1 мкм и обладающих равномерным распределением примеси по всей толщине. Примером такого процесса является использование двухступенчатого процесса (с затравкой), когда зарождение слоя ведется при высокой температуре, а основной процесс ведется при температуре 850°С. Такой процесс позволяет избавится от диффузии из подложки в растущий слой, а при покрытии обратной стороны подложки SiО2 и графитового подложкодержателя SiC и от автолегирования, использование такого метода позволило получить не сильно легированные эпитаксиальные слои с шириной переходной области эпитаксиальная пленка-подложка 0,1-0,2 мкм.

Однако использование двухступенчатого процесса требует очень длительного времени для выращивания эпитаксиального слоя (несколько часов) из-за использования низкой температуры, что является большим ограничением для использования его в серийном производстве ИМС.

Таким образом, необходим дальнейший поиск путей получения тонких (1 мкм) эпитаксиальных слоев кремния, обладающих равномерным распределением примеси по всей толщине и имеющий минимальную ширину переходного слоя эпитаксиальная пленка-подложка.


 






Дата добавления: 2014-12-06; просмотров: 387. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.085 сек.) русская версия | украинская версия