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

для подачи легирующих соединении в смеси с НгСхема газовой системы показана на рис. 6-5. В реакторах обоих типов кремниевые подложки помещают на специ­ альных подставках ( 1 ) , расположенных в камерах из

которой тепло излучением и теплопроводностью переда­ ется на подложки. Частично тепло выделяется в под­ ложках и за счет их непосредственного нагрева токами высокой частоты.

При конструировании установок для эпптаксиального выращивания стремятся к тому, чтобы стенки камеры оставались холодными. Это обеспечивает условия, при которых в растущий слой будет попадать минимальное количество загрязнений. Кроме того, охлаждение стенок необходимо для того, чтобы исключить протекание на них реакции разложения SiCl.j. Подставку в установке для эпитдксиального выращивания нагревают до наибо­ лее высокой температуры. Поэтому следует принимать

272

меры к тому, чтобы она 'Не загрязняла растущие слой- В качестве основного материала для подставок исполь­ зуют графит. Для того чтобы графит не выделялся в атмо­ сферу камеры загрязнения, а также для того чтобы в кремний не попадали сами частички углерода, трафит покрывают сверху кремнием или карбидом кремния, или кварцевым стеклом. В качестве материала для подста­ вок используют также кремний, который может покры­ ваться слоем карбида кремния.

Пары SiС14 вводят в основной поток водорода, про­ пуская часть водорода через или над жидким S1CI4, на­ ходящимся при определенной температуре. Концентра­ ция SiCU зависит от скорости потока и от давления па­ ров SiCU.

При проведении процесса выращивания эпитаксиаль­ ных слоев 'большое значение имеет подготовка подложек. Структурные дефекты, оставшиеся в подложке, почти наверняка перейдут в выращиваемый слой. Важное зна­ чение имеет предварительный прогрев в водороде для удаления следов окисла. Что касается исходного SiCU, то его чистота определяет максимальное удельное со­ противление, которое может быть получено в слое. Со­ временный уровень очистки SiCl4 позволяет получить слои с удельным сопротивлением порядка сотен ом на сантиметр.

Зависимость скорости роста слоя от температуры и от концентрации SiCU уже рассматривалась. Представляет также интерес зависимость скорости роста от ориента­ ции подложки, приведенная на рис. 6-6 [Л. 6-6].

Что касается оптимальных режимов выращивания, то о них уже упоминалось: скорость роста выбирается обыч­ но не более 1 мкм/мин, молярная концентрация SiCU значительно ниже 0,1, температура может выбираться в пределах от 1 100 до 1 250 °С в зависимости от постав­ ленной задачи и от требований, предъявляемых к плен­ кам.

Если говорить о недостатках хлоридного метода эпитаксиалышго выращивания, то к ним следует отнести значительную диффузию примесей из подложки в слой и довольно высокую степень автолегирования. На вопро­ сах, связанных с автолегированием, остановимся далее. Что «асается диффузии из подложки в слой, то она обу­ словлена высокой температурой процессов. Для ее умень­ шения в качестве легирующей примеси в подложке ста-

раются выбрать элемент с наименьшей величиной ко­ эффициента диффузии (в случае подложек /г-типа не фосфор, а мышьяк или сурьму). Ограничением метода

Рнс. 6-6. Зависимость скорости роста пленки крем­ ния от ориентации подложки.

в ряде случаев является трудность получения достаточ­ но чистого Si-СЦ. К достоинствам метода следует отнести

параметров процесса аналогична тому, что имеет место при восстановлении SiCU, за исключением того, что энер­ гия активации равна 0,96 эв. Интересна температурная зависимость скорости роста (рис. 6-7), полученная *для подложек, ориентированных по плоскости (ПО). До

274

качество слоев, полученных при испарении кремния из источника, было сравнимо с качеством слоев, полученных хлорндным методом. Недостатком метода, помимо технологической сложности, является то же обстоятельство, чго и в хлоридном методе: из-за высокой

выращивание слоев в вакууме может быть осуществлено при более

Слиток

кремния

Электронный, пучок (испарение кремния)

Рис. 6-8. Установка для получения эпитакснальных слоев путем испарения кремния в высоком вакууме.

кремния, а возгонки, т. е. испарения кремния из твердой фазы. Пары

годаря малым скоростям процесса и исключительно чистым условиям (вакуум ниже 5 • Ю - 1 0 мм рт. ст.) удалось получить эпитаксиальные слои с удовлетворительными свойствами при еще более низких тем­ пературах подложки (650 °С) при ориентации подложки по плоскости (1И) и до 500 °С при ориентации подложки по плоскости (100). Ско­ рость роста три расстоянии между источником и подложкой в 1 см

В работе удавалось вырастить слои толщиной до 100 мкм. Качество слоев проверялось на эпитаксиальных диодных структурах, свойства которых соответствовали удельному сопротивлению эпитаксиальных

276

слоев и не уступали свойствам диодов, полученных другими спосо­ бами. В данном методе ввиду обеспечения низкой температуры под­ ложки можно было получить очень резкие переходы между подлож­ кой и слоем или между различным образом легированными слоями. Так как более высокотемпературный прогрев подложки с целью ее очистки мог привести к диффузии примесей в слой, было предложе­ но использовать в качестве рабочего перехода не переход между сло­ ем и. подложкой, а переход между последовательно выращиваемыми эп ит акси альиы ми слоями.

выращивания эпитаксиальных слоев, близкий по сути к обычной рекристаллизации. Речь идет о методе выращивания эпитаксиальных слоев через жидкую фазу (в иностранной литературе метод получил название VL S от английских слов vapour —пар, liquid — жидкость, solid — твердое тело). Этот метод основан на том, что монокристал­ лическую полупроводниковую подложку покрывают тонким жидким слоем, представляющим собой чаще всего эвтектический расплав ка­

нее кремния в вакууме над слоем расплава может выращиваться эпитаксиальный слой. В отличие от обыкновенной рекристаллизации (проводимой после сплавления) этот метод позволяет выращивать слои толщиной, во много раз превосходящей толщину рекрнсталлпзованного слоя, который можно было бы получить при охлаждении данного расплава. Некоторые авторы сообщают, что для выращива­ ния таким методом эпитаксиальных слоев даже не требуется, чтобы расплав покрывал всю поверхность подложки. Достаточно, если подложка будет покрыта мелкими капельками расплава, расположен­ ными на близком расстоянии друг от друга. Метод представляет интерес, потому что с его помощью удалось выращивать эпитакси­ альные слои при температуре 400—500 °С с достаточно резким скач­ ком концентрации. С его помощью были также получены эпитак­ сиальные структуры с р-п переходами. Ограничение метода связано с тем, что выращиваемые слои будут сильно легированы тем эле­ ментом, через расплав которого с кремнием ведется процесс.

Рассмотрим несколько методов непрямой эпитаксии кремния, раз­ работанных после появления хлоридного и близких к нему процессов,

аналогичную той, которая применяется в хлоридном методе. В уста­ новке на небольшом расстоянии друг от друга помещают две пласти­ ны кремния, температура которых в ходе процесса поддерживается различной. Через некоторое время .между пластинами создается мно­ гокомпонентная газовая атмосфера, содержащая SiCU, SiCb, НС1 и Нг. При этом могут осуществляться перенос кремния от одной пла­ стины (источника) к другой (подложке) и выращивание на подложке эпнтаксиального слоя. При невысоких содержаниях SiCU в Нг (до нескольких процентов, обычно менее 1%) перенос осуществляется от более нагретой пластины к более холодной в соответствии с реакцией

277

Возможно проведение процесса в замкнутой системе, тогда обра­ зующийся S £С iл будет диффундировать к более нагретой пластине,

подложке, будет осуществлять перенос кремния. Процесс может про­ водиться и в протоке смеси Н2 и SiCl/,, тогда газовая атмосфера между пластинами будет обновляться, но в принципе и в этом случае могут быть обеспечены стационарные условия процесса.

Весьма большое практическое значение в последнее время приоб­ рел метод выращивания эпитаксиальных слоев путем разложения моноенлана SiHi. Метод основан на реакции пиролиза

ществлялись ирн более высокой температуре, а выращн'вашие основ­ ной части слоя—при -более низкой температуре. В работе (Л. 6-12] удалось получить методом разложения силаиа слои хорошего каче­ ства толщиной 4—5 мкм, проведя зарождение пленки в течение 2 мин при 1 000 °С и выращивание в течение 6—8 '< при 850—800 °С.

В процессе получения силаиа из всех продуктов только SiHt является газом, поэтому возможна его эффективная очистка от бора, что крайне затруднительно для SiCU. Силан самовоспламеняется при соприкосновении с воздухом и весьма взрывоопасен. Это затруднило его практическое использование для получения особо чистого исход­ ного поликристаллического кремния. При использовании SiH 4 для вы­ ращивания эпитаксиальных слоев этот газ применяется ие в чистом виде и не в высоких концентрациях, а в смеси с водородом или инертным газом. При этом если концентрация SiH/, составляет менее 5 об. %, то он перестает самовоспламеняться, и для смеси нужны такие же меры безопасности, как для обычного водорода. Установка

278

Для выращивания эпитаксиальных кремниевых слоев методом р а з л о ­

жения силапа имеет устройство, близкое к устройству установок, используемых в хлоридном методе, однако для предосторожности

щенными р-п переходами, которые .удается создать >н<а эпитаксиаль­ ных слоях. .В работе {Л . 6-13] удалось с помощью скланового мето­

да создать аггитакоиальные 'структуры .площадью що нескольких квад­ ратных сантиметров (одна структура занимала всю подложку), по своим характеристикам существенно превосходящие структуры, по­ лученные с помощью диффузии.

6-4. МЕТОДЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ

На первых порах развития эпитаксиалы-юй техники, когда ее основная задача была связана со снижением сопротивления насыщения транзисторных структур, тре­ бовалось на низкоомных подложках п+-типа выращивать высокоомные /г-слои. Легирование этих слоев довольно часто осуществлялось за счет того, что исходный хлорид содержал такую комбинацию примесей, которая обеспе­ чивала выращивание слоев л-типа с удельным сопротив­ лением до нескольких ом на сантиметр. При этом слои получались компенсированными, подвижность неоснов-

279

кых носителей заряда в них была меньше, чем подвиж­ ность в обычном монокристаллическом кремнии, легиро­ ванном до того же удельного сопротивления. Кроме того, увеличивалась вероятность появления в слоях значитель­ ных неоднородностен удельного сопротивления, разброса результатов по удельному сопротивлению от процесса к процессу и при переходе от одной партии SiCU к дру­ гой. Очевидно, что необходимо было вначале проводить очистку тетрахлорнда до такой степени, чтобы он обес­ печивал получение слоев с удельным сопротивлением, по крайней мере на порядок величины превосходящим за­ данное; затем легировать его требуемой примесью в не­ обходимом количестве или осуществлять легирование слоев, вводя примеси непосредственно в газовую фазу в процессе выращивания. С дальнейшим развитием эпитаксиальной техники круг задач, стоящих перед ней, расширился, потребовалось в ходе процесса эпитаксиального роста изменять концентрацию примесей в слое, получать в ней р-п переходы и выращивать многослой­ ные структуры. В соответствии с этим усложнились и задачи, связанные с легированием эпитаксиальных слоев. Рассмотрим основные вопросы, связанные с легировани­ ем эпитаксиальных слоев, остановившись несколько под­ робнее на легировании при выращивании слоев хлоридным методом. Легирование растущего слоя осущест­

элементов. Хлориды основных легирующих примесей,

Возможно несколько путей введения хлоридов в га­ зовую смесь. Во-первых, они могут быть растворены в SiCU и могут испаряться вместе с ним. Во-вторых, можно получать газовую смесь заданного состава, испа­ ряя каждый из хлоридов в отдельности и смешивая их пары в газовой фазе. При этом давление каждого из хло­ ридов определяется температурой жидкой фазы, и имеет­ ся возможность изменения удельного сопротивления слоя в ходе его выращивания. В-третьих, в работе [Л. 6-14] был предложен метод искрового легирования. Метод

280

основан на том, что через промежуток между двумя электродами, в состав которых входит легирующий эле­ мент, пропускается поток водорода, содержащего тетрахлорид кремния. Если между электродами создавать искровой разряд, то в зоне с высокой плотностью энер­ гии может происходить реакция между тетрахлоридом кремния, водородом и легирующим элементом, в резуль­ тате которой образуется летучее соединение, способное

ЮпФ\\\—о ЮОпф{п-°

300 Примеси 700

^Чистый Н~

частоту повторения и энергию разрядов, можно получить требуемое содержание легирующего соединения в про­ пускаемом через реакционную камеру газе. Основное преимущество метода — возможность осуществления ле­ гирования с очень высокой точностью и воспроизводи­ мостью: С помощью искрового легирования можно вы­

риала для электродов используются вещества, содержа­ щие необходимую примесь. От этих веществ требуется, чтобы они не выделяли) никаких нежелательных поимесей как во время разрядов, так и в промежутках менаду ними. В качестве таких материалов используют, напри-, мер, для легирования донорами сурьму с 1 % мышьяка,, кремний с добавкой 0,1% фосфора, а для легирования'

.281