3.2 Структура установки газофазной эпитаксии кремния

3.3 Кинетика роста эпитаксиальной пленки

Используемые кремнийсодержащие реагенты:

- SiCl₄ – тетрахлорид кремния

- SiHCl₃ – трихлорсилан

- SiH₂Cl₂ – дихлорсилан

- SiH₄ –силан

Наиболее изучен и используется в промышленности – SiCl₄

Суммарная реакция – водородное восстановление Si из SiCl₄

SiCl_4ГАЗ + 2H_2ГАЗ (1200°С)→ Si_ТВ + 4HCl_ГАЗ↑

В зависимости от температуры реакция может пойти по разному:

SiCl₄ + H₂ ↔ SiHCl₃ + HCl_ГАЗ↑

SiHCl₃ + H₂ ↔ SiH₂Cl₂ + HCl_ГАЗ↑

SiH₂Cl₂ + H₂ ↔ SiCl₂ + H₂↑

SiHCl₃ ↔ SiCl₂ + HCl_ГАЗ↑

SiCl₂ + H₂ ↔ Si + 2HCl_ГАЗ↑

При низких и высоких температурах скорость роста отрицательна, т.е. начинается процесс травления

Механизм наращивания плёнки

- подход молекулы SiCl₄ и Н₂ к поверхности

- адсорбция молекул SiCl₄ и Н₂

- реакция SiCl₄ + Н₂ на поверхности

- десорбция продукта реакции HCl

- упорядочение атомов Si в решётке

Энергия активации процесса 5эВ соответствует энергии самодиффузии Si

Попытка значительно увеличить скорость роста плёнки приводит к росту поликремния !

3.4 Процессы массопереноса в эпитаксиальном реакторе. Число Рейнольца. Толщина пограничного газового слоя

Основные параметры массопереноса

Толщина пограничного слоя

У=(D_rX / R_e)^1/2

Х – расстояние вдоль оси реактора от входа

- реагенты диффундируют из пограничного слоя к подложке

- продукты реакции диффундируют от подложки в пограничный слой и уносятся газовым потоком

Поток реагентов к подложке

J=D dn/dy

Вывод: для достижения равномерного осаждения плёнки необходимо поддерживать постоянным поток J путём поддержания dn/dy = const, т.е. конструкцией реактора

Число Рейнольдса – параметр, описывающий характер течения газа в реакторе

R_e=D_rvρ / μ

ρ – плотность газа, μ – вязкость, v – скорость течения, D_r – диаметр реакторной трубы

При R_e > 2000 поток турбулентный

R_e < 2000 поток ламинарный

Вывод: ламинарность потока, обеспечивающая однородность осаждения по площади подложек обеспечивается вариацией геометрии реактора для конкретного газа

Формирование пограничного слоя газа с уменьшением скорости течения газа у стенок трубы

3.5 Основные типы газофазных эпитаксиальных реакторов

Горизонтальный реактор

Колоколообразный реактор

Вертикальный (баррельный) реактор

Используемые газы

• продувочный газ ( азот, либо аргон) - перед процессом нанесения продувают реактор для удаления воздуха

- газ носитель – водород – газ, в котором разбавляют реагент SiCl₄ или SiН

- газ травитель – обычно HCl – для очистки подложки непосредственно перед нанесением плёнки

- легирующий газ – газ, содержащий легирующую примесь (бор, фосфор)

- реагент – SiCl₄ … SiН₄ – газ, содержащий кремний

Зависимость скорости травления (очистки) кремния от концентрации HCl в водороде

Влияние добавок HCl на поверхность кремния

Основные газы для эпитаксии кремния

3.6 Легирование и автолегирование эпитаксиального слоя.

Пары источника легирующей примеси переносятся газом – носителем в зону реакции

- жидкие источники (PCl₃, BBr₃) 2PCl₃ + 3H₂ → 2P + 6HCl

Процесс капризен к малейшим скачкам температуры

- газообразные источники (диборан B₂H₆, арсин AsH₃, фосфин РH₃)

Очень токсичны, поэтому разбавляют водородом в концентрациях (5·10^-4 – 1)%

Типичный техпроцесс эпитаксии

- химическое травление, отмывка, сушка

- загрузка подложек

- вытеснение воздуха – продувка азотом при 500°С

- газовое травление в HCl + H₂

- нанесение в реагенте

- охлаждение реактора

- разгрузка

Контроль параметров эпитаксиальной плёнки

Толщина и разброс толщины по поверхности подложки

-интерференция по p-n–переходу (n-слой на p-подложке и наоборот)

-травление лунки с окрашиванием в HF(p-тёмный, n-светлый)

-косой шлиф

-инфракрасная интерференция

Автолегирование (технологическое загрязнение) эпитаксиальных плёнок