2. Восстановление трихлорсилана водородом

Считают, что при восстановлении трихлорсилана водородом кинетика реакции проще, чем в тетрахлоридном и тетрабромидном процессах. Поликристаллические пленки кремния, полученные по методу восстановления трихлорсилана, по качеству не уступают тетрахлоридным. Необходимо отметить, что температура осаждения при восстановлении как тетрахлорида, так и трихлорсилана практически не отличается. Таким образом, проблема размытия концентрационных профилей в полупроводниковых структурах остается.

Наиболее вероятно протекание реакции по следующему уравнению:

(1.5)

При осаждении поликристаллических пленок кремния по реакции восстановления трихлорсилана используются установки с горизонтальным и вертикальным типом реакторов. Как в горизонтальных, так и вертикальных реакторах скорость осаждения поликристаллических пленок кремния на подложки Si₃N₄ и SiO-SiO₂- Si₃N₄ зависит от парциального давления трихлорсилана и температуры осаждения. При изменении парциального давления в диапазоне 10 - 30 мм рт. ст. и температуре 1273 К скорость осаждения изменяется с 0,8 до 1,5 мкм/мин. Энергия активации находится в пределах 0,98 -0,99 эВ. Отмечено, что низкое значение энергии активации указывает на гетерогенный характер реакции. Скорость осаждения в данном процессе пропорциональна корню квадратному из концентрации трихлорсилана и прямо пропорциональна скорости реакции. При увеличении температуры выше 1473 К скорость осаждения уменьшается.

Данный процесс трудно воспроизводим в реакционных камерах горизонтального типа. Объясняется это низкими скоростями общего газового потока (0,5 - 1,0 л/ч), что приводит к обеднению газовой смеси вдоль пьедестала.

3. Конструкция реактора

В практике производства поликристаллических пленок используется несколько конструкций реакторов (рис. 1.2).

Рис. 1.2 - Типы реакционных камер, используемых для наращивания поликристаллических полупроводниковых пленок: а - горизонтальная; б - колпакового типа; в - вертикального обычного; г - вертикального с внешним выводом; д - вертикального с внутренним выводом.

Преимуществом горизонтального реактора является более простая конструкция. В связи с тем, что диаметр горизонтального реактора значительно меньше, чем вертикального, парогазовая смесь проходит через реактор с более высокой линейной скоростью и процесс менее чувствителен к колебаниям скорости общего газового потока и изменениям температуры. Серьезный недостаток этого реактора - изменение скорости роста вдоль подставки с подложками. В горизонтальном реакторе при легировании подложки изменяется также ширина концентрационного перехода от 2 - 3 мкм на первой по отношению ко входу подложке до 4 - 5 мкм на последней. Наряду с этим для горизонтального реактора характерна неоднородность по толщине и размеру зерна в направлении, перпендикулярном оси реактора. Объясняется это влиянием стенок реактора на скорость общего газового потока. Это влияние заметнее у краев подложки, где стенки реактора расположены ближе к поверхности подложки. Для исключения указанных недостатков рекомендуется устанавливать подставки с подложками под углом 10 - 15° к оси реактора и использовать реактор прямоугольного сечения. В табл. 1 приведены данные об изменении скорости осаждения в зависимости от сечения реактора.

Таблица 1.1 - Параметры реакторов.

Тип реактора	V, см/с	Скорость роста в разных точках подложки, мкм/мин
		1	2	3	4	5	6
Круглый, Dp=100 мм	7,3	0,33	0,52	0,55	0,51	0,44	0,43
	9,3	0,41	0,55	0,76	0,77	0,55	0,33
	11,5	0,40	0,63	0,81	0,8	0,6	0,36
Прямоугольный, 75х100 мм	8,9	0,46	0,63	0,62	0,63	0,66	0,44
	11,3	0,51	0,73	0,7	0,71	0,71	0,46
	17,0	0,43	0,59	0,69	0,71	0,62	0,36
Прямоугольный, 50х100 мм	11,2	0,56	0,65	0,64	0,64	0,66	0,57
	18,6	0,57	0,66	0,66	0,66	0,68	0,62
	23,5	0,62	0,76	0,76	0,76	0,70	0,65

Перечисленных недостатков лишен вертикальный реактор, в котором подложки расположены в 1 - 2 яруса на пьедестале, имеющем грани с наклоном в 5 - 10°. Однако недостатком вертикальных реакторов является более сложная система охлаждения. Линейная скорость газового потока в вертикальных реакторах ниже, чем в горизонтальных, из-за большего сечения. Процесс осаждения в вертикальных реакторах более восприимчив к изменению температуры и колебаниям газового тока. Воспроизводимостьпроцесса на оптимальных технологических режимах во многом определяется конструкцией реактора.

Установлено, что при одинаковых общих геометрических размерах реакционной камеры существенное влияние на процесс осаждения тонких пленок оказывает система разводки реакционной смеси в области камеры. На рисунке 1.2 г, д представлены конструкции вертикальных реакторов с различными конструктивными разводками основных компонентов. В первом случае используемые компоненты, например моносилан и арсин или моносилан и диборан, смешиваются в холодной зоне реакционной камеры, где воздействие тепловой энергии, излучаемой пьедесталом, не сказывается, а во втором случае - в зоне реакционной камеры над пьедесталом на расстоянии 50 - 75 мм, где температура газа-носителя достигает 673 - 775 К. При использовании реакционных камер с внешней разводкой (рис. 1.2 г) скоростьосаждения пленок, легированных мышьяком, не превышает 0,15 мкм/мин, а бором - 0,3 мкм/мин. Наблюдается значительный разброс по величине удельного сопротивления пленок до 30 - 50%. По-видимому, это объясняется потерей основных компонентов газовой смеси за счет осаждения на стенках и за счет образования промежуточных продуктов, которые либо уносятся с основным потоком, либо осаждаются на стенках камеры.

Замена внешней разводки внутренней (рис. 1.2 д) позволяет повысить скорость осаждения пленок поликристаллического кремния, легированных мышьяком, до 0,2 - 0,25 мкм/мин, а бором - до 0,5 мкм/мин с хорошей воспроизводимостью по удельному сопротивлению и толщине. Объясняется это более полным взаимодействием компонентов реакции в зоне пьедестала. Процесс разложения гидридов и осаждение на поверхности подложки происходят интенсивно за счет образования радикалов SiH₂ и AsH₂, которые благодаря свободной валентности обладают повышенной реакционной способностью, что обеспечивает полноту прохождения реакции и как результат повышает скорость осаждения.

Оптимальные соотношения для вертикального реактора, при которых разброс по толщине и размеру зерна в пленке минимален:

(1.6)

где l' - расстояние от места ввода газа до подложек; D_p - диаметр реактора; D_п — диаметр пьедестала с подложками; D₀ - диаметр трубки, через которую подается газовая смесь.

С целью создания турбулентности газового потока в процессе осаждения пленок и газового их травления пьедесталы с подложками приводятся во вращение с определенной угловой скоростью. Обычно скорость вращения выбирается опытным путем.

Конструкция реактора и скорость газового потока через его сечение являются определяющими в стабилизации скорости осаждения и в достижении равномерности осаждаемых слоев.

Определение скорости осаждения пленки поликремния

Диффузионное уравнение, описывающее перенос молекул газа в реакторе, в общем виде записывается следующим образом:

(1.7)

где U - средний по массе вектор скорости реагента сорта i в реакторе;

C_i- молярная концентрация i-го реагента;

N_i - молярный диффузионный поток атомов газа i -го сорта;

R - полная скорость реакций с поверхностью пластины, на которой осуществляется процесс осаждения всех i-х компонент газа.

Уравнение (11) справедливо для всех i=1...n компонент газа в реакторе, но только (n-1) этих уравнений - независимы.

При выводе решения уравнения (1.7) должны выполняться следующие предложения:

1) рассматривается газ только одного химического состава;

2. газ, содержащий только такие компоненты, которые хорошо растворяется в инертном газе - носителе;

3. рассматривается только гетерогенные реакции в объеме реактора и на поверхности пластины.

Типичным примером такой системы является осаждение поликремния на кремниевой пластине из газовой среды азот/аргон (носитель) + силан (активный компонент) посредством реакций:

(1.8)

Следующие предположения заключается в том, что скорость реакции в объеме (первая реакция в формуле 1.8) должна быть первого порядка по силану, т. е.

где R_s- скорость конверсии силана, C- молярная концентрация силана, к- константа пиролитического разложения силана, которая аппроксимируется, выражением:

(1.9)

Здесь эмпирические константы a=0.0504, b=0.9496, A=2.54-10³⁸, =-7,95, Е₁=61,96, если P_tot задано в атмосферах.

И, наконец, полагается отсутствие потока ( ) в пространстве между двумя соседними пластинами, т.е. при 0 <z<d и 0 <r<r_w. Это условие означает отсутствие конвективного перераспределения газа в зазоре между пластинами по сравнению с размерами пластины из-за относительно малого давления внутри редуктора.

Выполнение указанных условий приводит выражение (1.10) в цилиндрической геометрии к следующему диффузионному уравнению:

(1.10)

с граничными условиями:

(1.11)

Здесь D - коэффициент диффузии силана в газе-носителе, зависящий от температуры и среды газа-носителя; C_b- концентрация силана на краю пластин, независящая от координаты z и равная концентрации на входе в реактор.

Решение системы уравнений (1.10-1.11):

(1.12)

где I₀ - модифицированная функция Бесселя первого рода, а собственные значения λ_n - положительные корни трансцендентного уравнения Z

(1.13)

Пространственные координаты r и l здесь представлены в безразмерных величинах:

(1.14)

Функция F_n=(A, K_D) определяется следующим образом:

(1.15)

Параметры A и K_D связаны с геометрическими характеристиками реактора и диффузионно-кинетическими параметрами физико-химических процессов в газовой среде и на поверхности пластины:

, (1.16)

. (1.17)

Коэффициент диффузии D молекул силана в газовой среде реактора определяется температурой T и полным давлением газа внутри реактора. Эмпирическая зависимость для D:

(1.18)

Произведение параметров A и KD определяет модуль Thiele, который обычно используется при анализе каталитических реакций, а при рассмотрении процесса осаждения определяет степень неравномерности η толщины осаждаемой пленки по радиусу пластины:

(24)

так что

(1.19)

Скорость G осаждения пленки поликремния определяется следующим образом:

(26)

где K_ab- коэффициент, определяющий нетто-скорость адсорбции-десорбции молекул силена SiH₂ на поверхности кремневой пластины; – объем, приходящиеся на один атом кремния в зерне поликремния, M_Si- молекулярный вес кремния, d_Si- физическая плотность пленки поликремния, N_A- число Авогадро.

Показан один из способов учета конструкционных особенностей реактора при расчете скорости осаждения пленки в LPCVD - процессе:

(1.20)

где V/S - отношение объема к поверхности реакционной ячейки реактора, ограниченной двумя соседними пластинами и стенкой этой ячейки.

(1.21)

где d - расстояние между пластинами;

r_w- радиус пластины;

r - текущий радиус пластины;

r_c- внутренний радиус ячейки;

d_n- диаметр отверстия в стенке ячейки;

S - размер эффективного зазора между ячейкой и стенкой реактора; со - толщина стенки ячейки;

n - число отверстий, приходящихся на одну реакционную камеру.

При рассмотрении задачи определения скорости осаждения пленкиполикремния с одновременным легированием полагается, что реакции с участием фосфина (PH₃) протекают по следующей схеме:

(1.22)

где gas, ads и s обозначают соответственно состояния в газовой среде, адсорбированное и твердое - на поверхности пластины.

Кинетика осаждения с участием фосфина обычно рассматривается, как и в случае силана, согласно теории адсорбции Ленгмюра - Хиншельвуда. Исходя из анализа результатов, скорость роста пленки поликремния с одновременным легированием при парциальном давлении фосфинаPH₃ рассчитывается из выражения:

(1.23)

где GR - скорость осаждения пленки при P_PH3=0;

у- относительное содержание фосфина в газовой среде реактора;

P_SiH4- парциальное давление силана;

b - константа, зависящая от температуры

Таким образом, задавая технологические (температуру, парциальные давления компонентов газа в реакторе) и конструкционные параметры реактора, можно рассчитать скорость роста пленки поликремния в LPCVD - процессе, а путем варьирования этих параметров - определить оптимальные характеристики процесса осаждения.

Порядок расчета программируемых параметров

Задание характеристик:

З адание варьируемых параметров:

Р езультаты можно получить либо в виде графика, либо в виде таблицы.

Пример задания студенту

Студенту задано:

1. Парциальное давление силана

2. Парциальное давление фосфина

3. Температура

4. Габариты реактора

Задание:

1. При заданном полном давлении газа в реакторе определить максимальную скорость роста пленки поликремния при максимально возможном радиусе

пластины и при минимальном расстоянии между пластинами при соблюдении максимального выхода.

2. При заданном радиусе пластины определить максимальную скорость роста при минимальном расстоянии между пластинами и полном удалении

Практические указания

Моделирование процесса осаждения тонких пленок поликремния из химической паровой фазы при низком давлении (LPCVD-процесс) с одновременным легированием начинается с задания параметров процесса, таких как: радиус пластины, расстояние между пластинами, радиус реактора, длина реактора, температура пластины, полное давление газа в реакторе, парциальное давление силана и парциальное давление фосфина.

Далее студенту предстоит выбрать варьируемый параметр и его пределы: радиус пластины, расстояние между пластинами, радиус реактора, длина реактора, температура пластины, полное давление газа в реакторе, парциальное давление силана и парциальное давление фосфина, текущий радиус пластины. Имеется возможность начать процесс сначала, нажав кнопку «Назад». Программа предусматривает выдачу данных о величинах.

Совокупность всех получаемых в результате расчета данных позволяет выбрать оптимальный режим процесса получения поликремниевых слоев с заданными свойствами.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Краткий конспект.

4. Результаты выполнения лабораторной работы представить в виде описания используемых материалов и компонентов.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Какие функции выполняют полупроводниковые пленки в микроэлектронике?

2. Какой метод используется в микроэлектронике для создания пленки поликремния?

3. Опишите процесс восстановления тетрахлорида кремния водородом.

4. Опишите процесс восстановления трихлорсилана водородом.

5. Объясните конструкцию реакторов в процессе производства поликристаллических пленок.

6. Расскажите как определяется скоростьи осаждения пленки поликремния.

Список литературы:

1. Осадин Б. А, Шаповалов Г. И. Физика и химия обработки материалов, № 5, с. 43, 1976.

2. Холленд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. М., Госэнергоиздат, 1963.

3. Чистяков Ю. Д., Ивановский Т. Ф., Ушаков В. А., Попов Л. В., Кожитов Л. В. Электронная техника, сер. Материалы, вып. 6, с. 20, 1970.

4. Александров Л. Н. Процессы роста и структуры монокристаллических слоев полупроводников, ч. 1. Новосибирск, «Наука», 1988.

5. Иванов Р. Д. Катодный метод создания пленочных элементов микросхем. М., «Энергия», 1992

6. Колешко В. М., Ковалевский А. А., Калошкин Э. П., Рыжикова Н. Е. Кинетика осаждения и свойства тонких высоколегированных поликристаллических пленок кремния, полученных методом пиролиза моносилана. Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы, т.13, № 6, с.941, 1977.

7. Ковалевский А. А., Некарюкин И. В., Рыжикова Н. Е. Комплексная микроминиатюризация и повышение качества радиоэлектронной аппаратуры. Минск, МРТИ,1976

8. Колешко В. М., Ковалевский А. А., Некарюкин И. В. Влияние технологических факторов на величину поверхностного сопротивления поликристаллических пленок кремния. Электронная техника, сер. Материалы, вып. 7, с.45, 1985.

9. Волькенштейн Ф. Ф. Физико-химия поверхности полупроводников. М., «Наука», 1973.

10. Уикс В. Е Электроника (рус.пер.), т. 49, № 12, с.39, 1996.

11. Шварц Н., Берри Р. Физика тонких пленок, т.2. Под ред. Н. И. Елипсова и В. Б. Сандомирского. М., «Мир», 1976.

12. Кресин О. М., Харинский А. Л. Электронная техника, сер. Микроэлектроника, вып. 5, с. 24, 1967.

13. В.В.Нечаев, А.С.Турцевич. Моделирование процесса осаждения поликремния из газовой фазы. М., 1989.

14. http://avl.iatp.by/edu progs.htm

15. Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов. - М.: Москва: Металлургия, 1993.

Алгоритм моделирования процесса роста зерна поликремния при длительном и импульсном режимах термообработки

Описание программы роста зерна поликремния при длительном и импульсном режимах термообработки (NELGGT)

Физические модели, положенные в основу расчетов роста зерна пленки поликремния при термообработке, описывают этот процесс посредством как диффузионных (термических), так и не диффузионных (атермических) процессов. Рост зерна, обусловленный подвижностью дислокаций, корректно описывается механизмом скольжения и восхождения дислокаций. Вклад второго механизма определяется концентрацией точечных дефектов (вакансий и межузлий), которая, в свою очередь, зависит от степени легирования примесями.

Программа NELGGT может использоваться в качестве самостоятельного средства для обработки поликремниевой технологии и в составе подсистемы технологии САПР СБИС. Кроме того, программа NELGGT адаптирована и для использования в составе автоматизированных средств обучения при изучении курса технологии в микроэлектроники.

Конструкции современных сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) требуют создания многослойных структур на кремниевой подложке. Одним из таких слоев является плёнка поликремния, которая служит в качестве межсоединений активных элементов МОП-транзисторов, затворных электродов, высокоомных резисторов и диффузионных источников для формирования неглубоких переходов, а также заглубленных контактов.

Необходимым условием получения качественных, с заданными свойствами слоёв поликремния является контроль их структурных, электрических и других физических характеристик при проведении технологических операций формирования структурных элементов СБИС. Структура зерна поликремния характеризуется его средним размером, кристаллографической ориентацией и распределением по размерам. Размер зерна в существенной степени определяет распределение легирующих элементов по его объёму и, в конечном счете, влияет на величину проводимости плёнки поликремния.

Порядок расчета программируемых параметров

Входные данные:

R(0)- начальный радиус зерна поликремния перед термообработкой, мкм;

t - время термообработки, с;

T - температура термообработки, ⁰C;

N_t - концентрация легирующей примеси, см^-3 ;

Выходные данные

R(t)- радиус зерна поликремния после термообработки, см;

Сve/ Сviотношение концентраций вакансий всех зарядовых состояний в легированном

поликремнии к нелегированному;

n_a- концентрация носителей заряда в зерне поликремния, см^-3;

Ng- концентрация активных примесей в зерне поликремния, см^-3 .

Исходное окно программы:

Рис. 1.5 Исходное окно диаграммы.

Р ис. 1.6. Получение результатов в виде таблицы

Полученные зависимости

Выходные данные можно получить в виде таблицы:

Рис. 1.7 - Получение результатов в виде графика

Легко можно выбрать режим термообработки - длительный или импульсный (см. в резку справа):

Далее можно рассчитать удельное сопротивление легированного

Рис. 1.8. Выбор режима термообработки

поликремния и построить его зависимость от радиуса зерна:

Рис 1.9 Зависимость удельного сопротивления от радиуса зерна

Процесс моделирования лабораторной работы «Рост зерна поликремнияпридлительном и импульсном режимах термообработки» начинается с выбора режима термообработки и задания для него параметров. Для импульсного режима задаются такие параметры, как: начальный радиус зерна, длительность процесса, концентрация примеси и мощность импульса. Для длительного отжига задаются такие параметры, как температура процесса, начальный радиус зерна, концентрация примеси и длительность процесса.

Для длительного отжига студент может построить зависимости:

1. радиуса зерна от температуры,

2. конечного радиуса зерна от начального радиуса

3. радиуса зерна от длительности процесса

4. радиуса зерна от концентрации примеси

5. отношение концентраций вакансий всех зарядовых состояний в легированномполикремнии к нелегированному от длительности процесса

6. концентрации активных частиц длительности процесса

Для импульсного режима термообработки студент может построить зависимости:

1. радиуса зерна от мощности,

2. конечного радиуса зерна от начального радиуса

3. радиуса зерна от длительности процесса

4. радиуса зерна от концентрации примеси

5. отношение концентраций вакансий всех зарядовых состояний в легированномполикремнии к нелегированному от длительности процесса

6. концентрации активных частиц длительности процесса

Структура зерна поликремния характеризуется его средним размером, кристаллографической ориентацией и распределением по размерам. Размер зерна в существенной степени определяет распределение легирующих элементов по его объёму и, в конечном счете, влияет на величину проводимости плёнки поликремния.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2