книги из ГПНТБ / Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с

мой энергии 'реакции, поскольку, строго говоря, изменя­

+ —Н2г—УИтв+ / гН Х гна чистой подложке, на окисленной по-

верх'НостипротекаетреакцияМХ„г-|-— Н2->-Мадс+/гНХг).

Одновременно повышается энергия активации реакции, т. е. окисление отдельных участков подложки эквива­ лентно отравлению их каталитической активности (из­ меняется и механизм образования центров кристаллиза­

кристаллизуемого вещества, все эти эффекты перестают играть роль, поскольку термодинамические и кинетичес­ кие условия реакции на поверхности этих зародышей бу­ дут практически теми же, что и в «окнах» (на открытых участках). Поэтому зарастание окисла в дальнейшем происходит автокаталитически. Таким образом, обяза­ тельным условием селективного роста является отсутст­ вие центров кристаллизации на окисленных участках в течение всего активного периода процесса.

По существу, здесь возможны два случая:

1 ) устойчивый селективный рост (поверхность окис­ ленных участков остается чистой независимо от длитель­ ности эпитаксиального наращивания в окнах);

2 ) индукционный период, необходимый для образова­ ния центров кристаллизации на окисной пленке, превы­ шает длительность процесса.

Условия устойчивого селективного роста

Очевидно, случай устойчивого селективного роста предпочтителен. Допустим; что он реализуется в дейст­ вительности, и рассмотрим реакции на чистой поверхно-

.сти (в окнах) и на окисленной поверхности:

SiCl4|. + 2 Н2г 2 SiTB + 4 НСІГ и SiCl4r +

Константы равновесия запишутся соответственно:

159

Поскольку первоначальная поверхность окисла свобод­

исходное предположение), достаточно выполнения ус­

изменения состава газовой фазы при заданной темпера­ туре кристаллизации. (Критическая концентрация адсор­

Рнсі

зуютея микрокристаллы кремния на окисной пленке). Очевидно, что если устойчивый селективный рост вообще возможен, то он заведомо реализуется в квазиравновесных условиях по отношению к чистой поверх­

ности кремния

160

Для этой последней реакции (с точностью до энтро­ пийного члена) А G " ж (\Ѵ— ЙДдс), где W — энергия свя­ зи атома ікремния .в собственной решетке, а Ц7адс— энергия его адсорбции на окисленной поверхности, ккал/імоль. Поэтому обязательным условием селектив­ ного роста является выполнение неравенства

Мы видим, что данное условие не зависит от выбран­ ной газофазной системы и определяется только свойст­ вами пассивирующей пленки ('косвенное подтверждение этот вывод находит, в частности, в том, что при пасси­ вации двуокисью кремния селективный рост наблюдает­ ся также в иодидных системах Si— I, Ge— I, GaAs— I, G a P —I ) .

Существенно, что величина [S i]Kp, напротив, не за­ висит от природы поверхности. Таким образом, принци­ пиально селективный рост возможен при любой обра­ ботке поверхности, понижающей энергию адсорбции на подложке.

остаются справедливыми, и при выполнении указанных выше условий будет происходить селективная конденса­ ция (для металлов это описано в недавно опубликован­ ной работе [267]).

Заметим, что при очень малых размерах окисленных участков ( ~ 1 — 10 мкм) абсолютное число адсорбиро­ ванных атомов на каждом участке может быть столь ма­ ло, что зародышеобразованію не будет иметь места. (Здесь необходимо учитывать также понижение действи­ тельной плотности двумерного газа при увеличении от­ ношения длины контура, окружающего пассивированный участок, к его площади). На практике используют сле­ дующий прием: вместо сплошной пассивации поверхно­ сти оставляют только узкие полоски окисла вокруг око« [40]. С другой стороны, если очень малы размеры ак­ тивного участка, вероятность нахождения на нем хотя бы одного элемента микрорельефа менее единицы. Это существенно изменяет механизм роста.

Разумеется, все сказанное относится только к полно­ стью однородному пассивирующему покрытию. Поры, трещины или закристаллизовавшиеся участки в стекло­ образном окисле служат готовыми центрами кристалли­ зации, что приводит к быстрому автокаталитическому зарастанию окисных масок. Ясно также, что хотя прин­ ципиально селективный рост может быть осуществлен в различных газофазных системах, диапазон благопри­ ятных условий существенно зависит от выбранной хими­ ческой реакции.

Отравляющее действие окисла на каталитическую активность подложки, как и всякий кинетический эф­ фект, зависит от механизма реакции.

Относительный вклад различных механизмов зави­ сит, в частности, от времени пребывания газовой смеси в нагретом состоянии, т. е. от скорости потока. Экспери­ менты И. М. Скворцова [74, с. 129] действительно пока­ зывают, что при снижении скорости потока селектив­ ность возрастает, т. е. при кристаллизации из газовой фазы можно регулированием внешних параметров на­ правленно изменять преобладающий механизм восста­ новления и таким образом воздействовать на избиратель­ ность роста.

Устойчивость заданной конфигурации

В процессе селективной кристаллизации первоначаль­ ный фотолитографический рисунок окисной маски под­ ложки искажается в силу действия следующих факторов:

1

растущий из каждого «окна»в окисле, стремится к своей равновесной огранке. С другой стороны, плоскость под­ ложки не совпадает точно с равновесной, а линии ри­ сунка окисной маски обычно проводятся без учета кри­ сталлографических направлений. Поэтому селективно растущий микрокристалл будет отклоняться от первона­ чально заданного контура на некоторую величину 6' и в

162

результате поворота смещаться на величину б" (рис. 37) пропорционально толщине слоя. В действительности, рост происходит не только во фронтальном, но и в тан­ генциальном направлении. Поэтому микрогранп должны быть не равновесными, а вицинальными (нижние части боковых граней появляются раньше и разрастаются сильнее).

Рис. 37. Неустойчивость заданной конфигурации -при се­ лективной эпитаксии:

а—. угловое отклонение фронта кристаллизации; б — угловое откло­ нение боковых граней; в — «шоворот» активно растущей области; г— краевые эффекты, связанные с неоднородностью ма-ссообмена в по. граничном 'слое (/ — подложка; -2*— окнсная маска; 3 — эпитаксиаль­ ный слой)

Другой источник неустойчивости заданной формы — сужение «силовый линий» массообмена у краев высту­ пающих элементов микрорельефа, т. е. возникновение микромассопотоков [45, 73]. Этот эффект приводит к увеличению скорости роста активных участков по срав­ нению со средней скоростью роста на эквивалентной од­ нородной подложке, но также вызывает нарушение пла­ нарности эпитаксиальных «столиков» на некоторую ве­ личину б'" (рис. 37,г). Поскольку он носит автокатали­ тический характер, зависимость абсолютной величины искажения формы от толщины слоя сильнее линейной. Однако автокаталитический эффект не существенен для достаточно малых активных участков. (В качестве гру­ бой оценки можно считать, что характеристический раз­

мер окна d в окисле должен быть C]/ZT T; принимая т примерно равным времени образования монослоя, при

типичных значениях D ~ 1 см2 с- 1 и скорости роста —Л мкм/мпн, d «С 1 мм.)

Выбор оптимальных условий с учетом отмеченных обстоятельств зависит от конкретного вида выращивае­ мой структуры. Если требуются очень тонкие пленки (того же порядка, что и толщина слоя термического окис­ ла), то .процесс целесообразно проводить в кинетической области режимов, принимая в качестве базисной равно­ весную плоскость. Для выращивания толстых слоев (вы­ соких столиков), по-видимому, целесообразно выбирать наиболее быстрорастущую в данной газофазной системе грань (точнее — такую ориентацию подложки, при кото­ рой отношение фронтальной скорости роста к тангенци­ альной .максимально). Другой очевидный вывод — же­ лательно, чтобы линии фотолитографического рисунка совпадали с базисным кристаллографическим направле­ нием.

Третий из отмеченных факторов — неустойчивость краев окисной маски — имеет двоякое происхождение: размывание края маски вследствие диффузионных про­

+ S i+ 2 H 20 , с последующим испарением моноокиси. Оба эти эффекта определяются, конечно, длительностью про­ цесса, но главным образом— его температурой. Иссле­ дование стабильности окон окисла и кинетики испарения краевых областей окисной маски при отжиге проведено

лик, и таким образом для германия, арсенида галлия и

164

Очевидно, что ітри заданных условиях кристаллиза­ ции и толщине эпитаксиального слоя относительная ве­ личина искажения первоначального контура обратно пропорциональна характеристическому размеру актив­ ных участков. Это в числе прочих факторов ограничивает «разрешение» процесса селективной эпитаксии. Практи­ ческий предел, достигнутый в настоящее время, состав­ ляет 3—4 мкм [269].

Основной принцип современной твердотельной микро­ электроники— «групповая технология», которая приме­ нима главным образом к плоской (планарной) поверх­ ности. Поэтому мезаструктуры, получаемые в результате селективной эпитаксии, имеют ограниченное применение. Одни из выходов может заключаться в том, что одновре­ менно с моиокристаллнческнми островками в окнах на окисле выращивается поликристалл, в который затем диффузией вводятся легирующие примеси и который ис­ пользуется как электрический элемент схемы [270]. Другое решение — использование очень тонких эпитак­ сиальных слоев, копланарных слою окисла.

Из приведенного выше краткого описания следует, что все нежелательные эффекты, нарушающие нормаль­ ные условия селективного роста, могут быть сведены к минимуму или даже полностью устранены при снижении толщины эпитаксиального слоя, а это, как мы увидим ниже, отвечает и основной тенденции микроэлектроники, связанной с электрическими параметрами интегральных схем.

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Основные задачи технологии

Со времени открытия Фроша и Деррика (см. табл. 1), послужившего основанием планарной технологии интег­ ральных схем (П С ), прошло около 15 лет, а промышлен­ ное применение планарно-эпитаксиальной технологии имеет примерно десятилетнюю историю. Но при всей интенсивности развития микроэлектроники базовая про­ мышленная технология ПС по существу не претерпевала принципиальных изменений до недавнего времени. При создании. И С используются главным образом структуры, содержащие низколегированный «скрытый слой» и эпи-.

165

таксиальный слой толщиной ~10 мкм. Изоляция актив­ ных областей осуществляется путем диффузии насквозь через эпитаксиальный кремний (см. рис. 5). Фронт диф­ фузии распространяетя в тангенциальном направлении так же, как и в нормальном, т. е. ширина изолирующей

> ІО5 мкм2. Этот фактор оказывается определяющим не только для степени интеграции, но и для технологи­ ческого выхода и стоимости схем, рассеиваемой мощно­ сти и быстродействия. С толщиной эпитаксиального слоя: тесно связан и уровень паразитных эффектов, понижаю­ щих функциональные характеристики Н С и увеличива­ ющих задержки (особенно в насыщенных схемах, широ­ ко применяемых в вычислительной технике).

Для дальнейшего рассмотрения полезно кратко отметить два основных направления современной полу­ проводниковой электроники: биполярные схемы и М Д П (•металл — диэлектрик—полупроводник)-структуры, гла­ вным образом М ОП (металл — окисел — полупровод­ ник), М Н П (металл — нитрид— полупроводник), а в по­

тя и очень высокого качества поверхности) н позволяют реализовать в одном кристалле функции памяти, логики и преобразования изображения.

Биполярные ИС изготовляются средствами планарноэпитаксиальной технологии; МДП-структуры обычно нс содержат автоэпитаксиальных слоев (определенное при­ менение, правда, находятся гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире или шпинели, называемые иногда S O S -схемами). Конкуренция между этими направлени­ ями определяется следующими факторами: МОП-схемы характеризуются меньшей рассеиваемой.мощностью,чем биполярные, более высокой степенью интеграции, более простой технологией изготовления, а следовательно, бо­ лее низкой стоимостью, но существенно уступают бипо­ лярным по частотным характеристикам. Основным пока­ зателем служит отношение рассеиваемой мощности к ча­ стоте, которое пока более благоприятно для биполярных ИС, Но дальнейшие перспективы последних, как И свя^

166

занной с ними эпитаксиальной технологий, определяются темпами снижения этого показателя по сравнению с МОП-структурами.

Некоторые важные направления исследований

Основная задача планарно-эпптакспальной техноло­

нию высокой однородности эпитаксиального нарастания уже на самых ранних стадиях кристаллизации, точного контроля скорости (допуск по толщине + 0 ,1 —±0,5 мкм), высокой стабильности режима процесса. Необхо­ дима также особая чистота исходных реагентов и по­ верхности подложки, строгая планарность газового тра­ вления. Все указанные требования сводятся к высокой культуре технологии.

Существует и ряд физико-химических проблем, в ча­ стности автолегирование. Для устранения этого нежела­ тельного эффекта и обеспечения однородности ранних стадий роста во многих случаях применяется'следующий прием: начальный этап процесса проводится в специаль­ но подобранных условиях, при этом на подложке обра­ зуется очень тонкий ( < 1 мкм) блокирующий слой, и лишь затем наращивается основная часть кремния. Так, Халсор [273] совместил силановый и хлорндный методы в одном процессе. Разложение силаиа, как реакция необ­ ратимая практически исключает автолегирование. С другой стороны, хлорндный метод позволяет получать более совершенные и структурно-однородные слои. Соот­ ветственно процесс проводится в две последовательные стадии. Этот метод остроумно усовершенствован [274]. Так как S iСІ4 и НС1 реагируют уже при комнатной тем­ пературе, то систему SiH 4— S iC l4 можно заменить сис­ темой SiH 4— H Cl. Начальный этап проводится в потоке НС1 (селективное газовое травление по окисным мас­ кам), затем в систему вводится только S іН 4 (осаждение блокирующего слоя), а на третьей стадии SiH 4 и НС1 вводятся совместно.

Заметим, что совмещение различных операций в од­ ном технологическом аппарате является также общей тенденцией, и значительная часть работ посвящена по­ лучению пленок окислов, нитридов [20, 275, 276], а так­ же металлов [277] в эпитаксиальных системах.

167

Получение блокирующего слоя при эпитаксии соеди­ нений типа Л 111ß v допускает и другие решения (на­ пример, путем подбора определенного сочетания легиру­ ющих примесей подложки и слоя: для арсенида галлия подложка легируется кремнием [278] или кремнием и теллуром совместно [279]).

Многие технологические и функциональные характе­ ристики Н С можно было бы повысить, если бы удалось снизить температуру эпитаксиального наращивания. Та­ кие попытки сделаны, например, в работах [280] и [281].

Принципиально другой подход к снижению рассеи­ ваемой мощности и повышению быстродействия, а также улучшению помехоустойчивости ITC — получение гетероэпитакснальных структур на диэлектрических подлож­ ках. Первоначально эта технология разрабатывалась применительно к структурам кремний— сапфир (см. табл. 1), но в последующем было обнаружено, что шпи­ нель, обладающая, как и кремний, кубической решеткой,

кое распространение кремнпй-сапфировых ПС начнется уже в 1971 г. К сожалению, несовершенство структуры ограничивает область их применения, по крайней мере в ближайшие годы, МОП-схемами и диодными матрица-' ми [282]. Дефекты переходного слоя между окисью алю­ миния II кремнием не позволяют использовать тонкие слои. Кроме того, первоначально образуются трехмерные зародыши (частично разориентированные), и только в сравнительно толстых слоях происходит зарастание по­ верхности. Силановый метод увеличивает скорость зародышеобразования [283, 284] и позволяет достичь зара­ стания поверхности на более ранних стадиях. (ЭтоФ эф ­ фект легко объясним в свете изложенного выше, см. стр. 166. Зародыши кремния служат более активными катали­ заторами, чем сапфир, и поэтому после их возникновения рост на сапфире практически прекращается. С другой стороны, силановая реакция имеет меньшую энергию ак­ тивации, чем хлорндная и автокаталнтическое развитие зародышей здесь выражено слабее.)

С дефектами структуры связан и другой нежелатель­ ный эффект в эпитаксиальных слоях кремния на сапфи­ ре: появление глубоких донорных уровней (0,3 эВ от края валентной зоны; ширина полосы уровней 0,1 эВ,

168