5.3. Автоэпитаксия кремния

Автоэпитаксиальные слои кремния нашли широкое применение в различных изделиях интегральной электроники, включая интегральные микросхемы и различные дискретные полупроводниковые приборы. Структуры данного типа формируют, как правило, осаждением кремния из газовой фазы в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца на расположенном внутри его пьедестале (подложкодержателе) (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема установки автоэпитаксиального наращивания кремния осаждением их газовой фазы: 1 – реактор; 2 – пьедестал; 3 – ВЧ – индуктор; 4 – питатели для жидких реагентов; 5 – запорные вентили

Для автоэпитаксиального наращивания кремния могут использоваться четыре кремнийсодержащих компонента: тетрахлорид кремния (SiCl₄), трихлорсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄). Наиболее широкое применение в производстве получил процесс автоэпитаксиального выращивания кремния восстановлением водородом тетрахлорида кремния (хлоридный процесс). Основные реакции, протекающие в реакторе при реализации хлоридного процесса, описываются следующими уравнениями:

SiCl₄ + H₂ ⇄ SiHCl₃ + HCl, (5.1)

SiHCl₃ + H₂ ⇄ SiH₂Cl₂ + HCl, (5.2)

SiH₂Cl₂ ⇄ SiCl₂ + H₂, (5.3)

SiHCl₃ ⇄ SiCl₂ + HCl, (5.4)

SiCl₂ + H₂ ⇄ Si + 2HCl. (5.5)

Все указанные реакции являются обратимыми, поэтому скорость роста сильно зависит от температуры (рис. 5.5). При высоких и низких температурах скорость роста становится отрицательной, т.е. наблюдается процесс газового травления.

Рис. 5.5. Зависимость скорости автоэпитаксиального роста кремния от температуры при осаждении из газовой фазы

Зависимость скорости роста от температуры для различных кремний содержащих соединений представлена на рис. 5.6. В области А процесс характеризуется кинетическим контролем. Область В характеризует ситуацию, когда осаждение происходит под диффузионным контролем. В данном режиме скорость роста линейно зависит от парциального давления кремнийсодержащего соединения в газе–носителе, а незначительное увеличение скорости роста с температурой обусловлено увеличением коэффициентов диффузии реагентов в газовой фазе

Для легирования эпитаксиальных плёнок кремния в газовую смесь намеренно вводят соединения легирующих элементов. При жидкостном легировании в качестве таких соединений выступают галогениды легирующих элементов (РСl₃, BBr₃, AsCI₃), добавление которых в парогазовую смесь осуществляют непосредственным смешиванием SiCl₄ с жидкими источниками галогенидов примесей (см. 5.4). Другим способом легирования эпитаксиальных плёнок является газовое легирование, при котором в газовую смесь вводят гидриды легирующих элементов, такие как арсин (AsH₃), фосфин (PH₃) и диборан (B₂H₆). Данные гидриды относительно устойчивы в среде водорода и могут хорошо храниться и дозироваться в виде разбавленных водородом газов. При легировании во время роста осаждаемой эпитаксиальной плёнки на поверхности кремния происходят следующие процессы:

Рис. 5.6. Зависимость скорости роста от температуры для различных кремний содержащих соединений

– адсорбция молекул гидрида примесного элемента на поверхности;

– диссоциация молекул гидрида;

– встраивание атомов примесных элементов в эпитаксиальный слой.

Уровень легирования эпитаксиальной плёнки определяется:

– концентрацией легирующего элемента в газовой смеси;

– скоростью роста эпитаксиальной плёнки;

– температурой процесса эпитаксии.

Типовая зависимость концентрации примеси в эпитаксиальном слое от концентрации легирующего элемента представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Зависимость концентрации бора и фосфора в эпитаксиальном слое от концентрации диборана (B₂H₆) и фосфина (PH₃) в газовой смеси соответственно

Как видно из рис. 5.7, при умеренном уровне легирования концентрация примеси в эпитаксиальном слое имеет линейную зависимость от концентрации лигатуры. В тоже время в области малых концентраций примеси может наблюдаться нелинейная зависимость, обусловленная частичной компенсацией легирующей примеси фоновой примесью n–типа, всегда присутствующей в хлорсилановых источниках кремния. Кроме того, в сильнолегированных эпитаксиальных слоях (> 10¹⁹ см^–3) концентрация примеси также нелинейно зависит от концентрации лигатуры в газовой фазе. Это обусловлено отклонением от режима разбавленного раствора, а также другими эффектами, такими как кластеризация и преципитация легирующей примеси.

Зависимость концентрации примеси в эпитаксиальном слое от скорости его роста представлена на рис. 5.8. Как видно из рис. 5.8, при высоких скоростях роста концентрация примеси линейно убывает с увеличением скорости роста. При низких скоростях роста между твёрдой и газообразной фазами устанавливается равновесие, недостижимое при высоких скоростях роста.

Рис. 5.8. Влияние скорости роста на концентрацию легирующей примеси (As) в эпитаксиальном слое

Зависимость уровня легирования эпитаксиального слоя от температуры представлена на рис. 5.9. Уровень легирования примесью р–типа проводимости возрастает с увеличением температуры, в то время как уровень легирования примесью n–типа проводимости снижается.

Кроме намеренно вводимой примеси в эпитаксиальный слой входят также неконтролируемые примеси из подложки. Данный эффект называют автолегированием. Механизмы автолегирования представлены на рис. 5.10. Примеси могут внедряться в растущий слой как за счёт твердотельной диффузии из объёма исходной подложки, так и за счёт испарения и переноса через газовую фазу с поверхности исходной подложки, других подложек, подложкодержателя и других элементов реакционной камеры.

Рис. 5.9. Зависимость уровня легирования эпитаксиального слоя от температуры процесса

Рис. 5.10. Схематическое изображение вероятных источников примесей при эпитаксиальном росте: 1 – диффузия примесей из подложки; 2 – десорбция примеси с обратной и боковой поверхностей подложки; 3 – направление основного газового потока; 4 – адсорбция примеси на поверхности подложки; 5 – подложкодержатель; 6 – реактор; 7 – специально вводимая легирующая примесь; 8 – примеси, десорбирующиеся с других подложек и других элементов реакционной камеры; 9 – эпитаксиальный слой; 10 – подложка

Автолегирование проявляется в виде увеличения ширины переходной области между эпитаксиальным слоем и подложкой (рис. 5.11). Форма кривой распределения примеси в области А обусловлена вкладом твердотельной диффузии из объёма подложки (рис. 5.11). Профиль легирования в области В в основном определяется переносом примеси через газовую фазу. Первоначально количество испаряемой из подложки примеси превышает количество вводимой в реактор примеси, что приводит к образованию так называемого хвоста автолегирования. Со временем доля автолегирования уменьшается, и профиль распределения примеси становится плоским (рис. 5.11). Размер хвоста автолегирования зависит от вида легирующей примеси и таких параметров технологического процесса как температура и скорость роста. Автолегирование ограничивает минимальную толщину эпитаксиальных слоёв, которая может быть получена управляемым легированием.

Рис. 5.11. Обобщённый профиль легирования эпитаксиального слоя

Типовой цикл осаждения эпитаксиального слоя представлен на рис. 5.12. После загрузки пластин на подложкодержатель производят продувку реактора азотом для удаления воздуха. Затем пластины нагревают в атмосфере водорода. Перед осаждением проводят отжиг в водороде при температуре 1150 – 1200 °С, а также травление в парах HCl. Далее проводят осаждение эпитаксиального слоя при той же температуре или на 50 – 100 °С ниже. После осаждения эпитаксиального слоя проводят продувку реактора водородом и охлаждение, затем продувку азотом и выгрузку пластин.

Рис. 5.12. Типовой цикл эпитаксиального осаждения