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.