книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

т

Рис. 5-30. Влияние материала подложки па размеры изобра­ жения при электронно-лучевой литографии.

Повысить производительность процесса позволяет метод полной проекции. Схема на рис. 5-31 поясняет принцип этого метода [Л. 5-63]. Основной узел установки представляет собой высокораз-

-10 кВ

Рис. 5-31. Схема устройства для электронно­ лучевой литографии с полным переносом изо­ бражения.

решающий оптико-электронный преобразователь. Для изготовления фотокатода этого преобразователя применяется кварцевая пластина, покрытая тонким слоем титана. В слое титана вытравливается тре-

262

буемос изображение; свободные от титана области служат в даль­ нейшем источником фотоэлектронов. Титан окисляется до окиси титана, поглощающей ультрафиолетовое излучение, и затем на всю

о

поверхность напыляется слой палладия толщиной 40 А. При освеще­ нии обратной стороны кварцевой пластинки ультрафиолетом палла­ дий эмиттирует фотоэлектроны с энергией 0,1 эв. Плотность потока

торых снимают информацию о движении луча. К детекторам, пред­ ставляющим собой МОП системы, необходимо подводить соедини­ тельные выводы, что, конечно, резко усложняет совмещение. Следует подчеркнуть, что описанные методы совмещения пока еще не нашли достаточного практического применения.

Вторым недостатком метода полной проекции является необхо­ димость создания сложных фотокатодов с высоким разрешением. Очевидно, изготавливать такие фотокатоды целесообразно на рас­ смотренных установках со сканирующим электронным лучом (про­ изводительность здесь не будет играть значительной роли), т. е. оба метода электронно-лучевой литографии не исключают, а допол­ няют друг друга.

В качестве резистов для электронно-лучевой литографии [Л. 5-64] чаще всего используют полимеры без светочувствительных добавок, дающие негативное изображение: полиэтилен, полиакрилаты, полиакриламиды, полистирол, поливинилхлорид, кремнийорганические по-

263

используют и обычные фоторезисты. Эффективность воздействия ра­ диации на полимер характеризуется химическим выходом g, опре­

связях при поглощении энергии в Е, эв, равно ££/100. Кроме эффек­ тивности, следует учитывать среднюю молекулярную массу М, играю­ щую важную роль для сшиваемых полимеров и менее существенную для деградирующих, а также температуру стеклования полимера, от которой зависит точность получаемых изображений. Эффективно­ стью g, молекулярной массой М и плотностью d полимера, а также величиной поглощенной энергии Е определяется плотность дозы, требуемой для образования рельефа:

Qcm = b0qdA/EgcmM; Qnorp=\00qdA/EgnCrvM,

где Q — доза электронов на 1 см2 поверхности; q— заряд электро­ на; А — число Авогадро. При сшивании требуется доза вдвое меньше, чем при деградации, поскольку поперечная связь соединяет две мо­ лекулы.

Одним из лучших электронорезистов является полнметилметакрплат, дающий позитивное изображение. В качестве растворителя полиметилметакрилата используют метилизобутилкетон, проявляют изображение в смеси метилзтилкетона с нзопропнловым спиртом. Чувствительность полиметилметакрилата составляет Ю - 5 к/см2, при­ чем даже десятикратное переэкспонирование не ухудшает качества изображения. С помощью этого резиста были получены элементы с размерами 0,2 мкм.

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

9

ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ СЛОЕВ

©

6-1. О С Н О В Ы П Р О Ц Е С С А ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ

Сущность метода эпитаксиального выращивания заключается в том, что на какой-либо заранее подготовленной подложке опреде­ ленного типа выращивается монокристаллический слой. Если слой

щивание, а если материалы слоя и подложки различаются, то про­ цесс называется гетероэпитаксиальным выращиванием.

Механизмы эпитаксиального роста еще ие вполне изучены, но существует несколько моделей этих механизмов.. Можно различать

264

прямое и Непрямое эпитаксиалыюг выращивание [Л. G-1]. Прямое выращивание происходит тогда, когда на поверхность подложки непосредственно от источника попадают свободные атомы кремния. Примером прямого выращивания может служить осаждение кремния из паров на нагретую подложку в вакууме. При этом часть атомов кремния, ударяясь о подложку, отражается от нее, часть атомов ад­ сорбируется подложкой, а какая-то доля атомов, адсорбированных подложкой, может впоследствии испариться с нее. Что касается оставшихся атомов, то, мигрируя по поверхности, они могут при- ' страиваться к имеющимся на ней ступенькам, представляющим собой края моноатомных слоев, и занимать при этом устойчивые положе­ ния. Имеющиеся на поверхности ступеньки могут быть границами двумерных зародышей, а могут представлять собой край моноатом­ ного слоя, растущего вокруг спиральной дислокации. Если выращи­ вание ведется на подложке из кремния, то вероятность образования устойчивого двумерного зародыша определяется известным выра­ жением

в нем будут иметь место такие дефекты, то скорость роста слоя мо­ жет быть большой даже при малой вероятности возникновения устой­ чивых двумерных зародышей, так как адсорбированные на поверхно­

нием двух устойчивых двумерных зародышей. Количественное описа­ ние скорости роста в прямых процессах затрудняется тем, что расту­ щий слой легирован большим или меньшим количеством примесей, которые в ту или иную сторону будут изменять вероятность возник­ новения двумерных зародышей.

Под непрямым процессом эпитаксиального выращивания пони­ мают такой процесс, в котором атомы кремния, за счет которых растет слой, получаются в результате разложения паров кремниевого соединения на подложке или вблизи нее. Точных сведений о том, где происходит разложение соединения, пока что нет. Если предполо­ жить, что разложение соединения происходит на поверхности крем­ ния, то процесс роста можно рассматривать состоящим из следующих стадий [Л. 6-2]:

1) Перенос' веществ, участвующих в реакции, ч поверхности подложки.

205

2) Адсорбция реагирующих веществ поверхностью.

Если же предполагать, что разложение кремниевого соединения происходит на некотором расстоянии от поверхности, то следует считать, что на поверхность кремния попадают путем диффузии из газовой фазы отдельные атомы кремния, скопления атомов или пере­ охлажденные жидкие капельки [Л. 6-1].

В настоящее время наибольшее практическое значение имеют непрямые методы эпнтакспн на кремнии, а среди непрямых методов чаще всего используется метод разложения тетрахлорида кремния, который рассматривается далее.

6-2. ХЛОРИДНЫЙ МЕТОД ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ

Существуют различные точки зрения на механизм процессов, происходящих отри -непрямой эпитаксии. Из­ ложение одной из возможных упрощенных моделей этих процессов содержится в [Л. 6-3]. Несмотря на упроще­ ния, эта модель дает качественное совпадение с экспе­ риментальными результатами.

При выращивании эпитаксиальных слоев кремния хлоридным методом над кремниевыми подложками про­ пускается лоток водорода, содержащего шары тетрахло­ рида кремния. При этом происходит реакция, результи­ рующее уравнение которой может быть записано как

того, чтобы растущий слой представлял собой монокри­ сталл, попадающие на поверхность атомы кремния дол­ жны обладать достаточной .подвижностью. В случае использования реакции (6-3) необходимо, чтобы темпе­ ратура была безусловно выше 1 000°С. Достаточно со­ вершенный монокристаллический слой, не содержащий структурных дефектов, может быть выращен, если тем­ пература будет еще выше (1 150—1 250 °С в зависимости от других параметров .процесса).

Реакция (6-3) обратима. Если несущий .газ содержит пары НС1, то может происходить не рост, а удаление, или, иначе говоря, газовое травление кремния. Помимо реакции (6-3), при проведении эпитаксиалыюго выращи-

266

вания может идти травление кремния тетрахлоридом:

сока, травление кремния будет происходить и в отсутст­ вие НС1 в несущем тазе. На рис. 6-1 показано влияние концентрации ITC1 в несущем газе на скорость роста пленки, изученное в (Л. 6-4]. Вначале с увеличением кон­

Так «ак у поверхности кремния SiCU разлагается, то имеются традиент концентрации SiCU и обусловленный этим градиентом поток SiCU в тазовой фазе, направлен­

этой поверхности. Можно приближенно записать, что по­ ток Fi зависит линейно от разности двух концентраций

Коэффициент пропорциональности hv называется ко­ эффициентом массопереноса в газовой фазе. Поток на самой поверхности 'кремния F 2 , обусловленный химиче-

267

окой реакцией, может быть приближенно записан как

Строго говоря, надо было бы учитывать поток про­ дукта реакции, т. е. НС1, от поверхности кремния к газу. В данной упрощенной модели этим потоком пренебрега­

верхности). Из выражений (6-6) и (6-7) можно опреде­ лить величину скорости роста, так как скорость роста v

Из выражения (6-9) следует, что v пропорциональна молярной концентрации SiCU в газе (что совпадает с экс­ периментальными результатами для малых у) и что при

268

заданч-юм у величина v определяется меньшей из вели­ чин hc и /гп о в . Это соответствует двум предельным слу­ чаям, о которых мы говорили. Если процесс определяет­ ся переносом массы в газе, то

v- уУ1 "ТУ> (6-10)

а если процесс определяется скоростью реакции на по­ верхности, то

Температурная зависимость скорости роста слоя, определенная экспериментально в работе [Л. 6-5], пока­

рассмотренная модель позволяет в общих чертах объяс­ нить данные на рис. 6-3. Построив для разных значений hr

эксперимента. Наилучшее совпадение, по-видимому, име­ ет место для /гг~5-г-10 см/сек. Из данных [Л. 6-4] можно получить примерно ту же величину для hr.

Рассмотренная модель очень упрощена. Помимо того, что в ней не учтены поток ИС1 от поверхности кремния

269

к. газу и возможное травление кремния тетрахлоридом, з «ей не приняты во внимание очень большие градиенты температуры в потоке газа, наблюдающиеся на практи­ ке и .направленные перпендикулярно к поверхности крем­ ния. Тем не менее она хорошо согласуется с экспери­ ментом и позволяет описать две области скоростей роста, зависящие от переноса массы в газе и от скорости ре­ акции на поверхности. Модель позволяет оценить на основании экспериментальных данных порядок •величи­

держащие не слишком много структурных дефектов, по­ лучают при более высоких температурах роста там, где определяющим является перенос массы в газовой фазе. Поэтому несколько подробнее рассмотрим, как проис­ ходит этот перенос. Наиболее простая картина переноса в газовой фазе будет построена, если предположить, что газовую фазу можно четко разделить на две области — движущуюся, в которой происходит достаточно интенсив­ ное перемешивание и где концентрация jVr постоянна, и покоящийся пограничный слой, в котором скорость по­ тока равна нулю. Можно считать, что перенос тетрахлорида в пограничном слое определяется только диффузи­

подложек происходит гораздо сложнее. Если считать, что течение газа происходит ламинарно и параллельно под­ ложке, то на самой поверхности подложки скорость те­ чения газа, обладающего конечным значением вязкости,

вначале, толщина слоя, в котором из-за вязкости сни­ жается скорость течения, будет, естественно, меньше, чем над более удаленными частями,

270

Можно определить как пограничный слой ту область, которая находится между подложкой и границей сни­ жения скорости потока на заданную величину. Расчет в соответствии с этой менее грубой моделью позволяет получить .выражение для эффективной толщины погра­ ничного слоя

Расчет величины hr по формуле (6-15) на основе экс­ периментальных данных, полученных в (Л. 6-4 и 6-5], дает для /гг значение 5 см/сек, что хорошо согласуется с величиной lir, полученной просто подбором коэффици­ ентов в зависимости (6-9).

Si

SiCl*+H2

-Г7772Д L V / . V J f / w / ^

titi Ы ы ы Ы (J

t)

Рис. 6-4. Реакторы, используемые для эпитаксиального выращива­ ния кремния хлоридным методом.

Принципиальные схемы установок для тэпитаюсиального выращивания хлоридным методом показаны на рис. 6-4. На практике находят применение реакторы и того и другого типа. На рис. 6-4 показаны схематически сами реакторы и не показана газовая система. В газовую систему входят магистраль для подачи чистого водорода

271