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

В работе [Л. 6-15] рассмотрен возможный механизм процессов, происходящих при легировании хлоридами из газовой фазы эпитаксиальных слоев, выращиваемых восстановлением S1CI4 в водороде. В его основе лежат следующие представления. Предполагается, что восста­ новление легирующего вещества происходит только на нагретой поверхности. Предполагается также, что все ре­ акции на поверхности происходят быстро, т. е. что ско­ рость процессов при легировании определяется перено­ сом в газовой фазе, а не процессами на поверхности. Это предположение основано на том, что все используе­ мые для легирования эпитаксиальных слоев хлориды (РС13 , AsCl3 и SbCl3 ) восстанавливаются водородом при температурах, существенно более низких, чем те, при ко­ торых в ; [Л. 6-15] проводилась проверка предложенной модели. Предполагается, наконец, что в процессе тзьгращивания и легирования слоя наступает термодинамиче­ ское равновесие и все рассмотрение ведется для равно­ весных условий.

На поверхности растущего слоя могут идти следую­

ристики рассматриваемых веществ дают основание счи­ тать, что в рассматриваемых условиях атомы Р, As и Sb в газовой фазе вблизи растущего слоя и на поверхности остаются в моноатомном состоянии.

Тогда картина процессов, происходящих при легиро­ вании эпитаксиального слоя, будет иметь следующий вид: легирующее соединение через газовую фазу перено­

поверхности растущего слоя, находясь в равновесии со своим твердым раствором. Так как в газовой фазе суще­ ствует градиент концентрации легирующих атомов, на­ правленный к поверхности слоя, то установится поток этих атомов от пластины в газовую фазу. В равновес­ ном состоянии должно выполняться условие, по которо-

282

му поток легирующих атомов (в составе хлоридов), на­ правленный к поверхности, должен быть равен сумме потока свободных атомов, уходящих от поверхности, и потока легирующих атомов, входящих в растущий слой.

Поток легирующего соединения к 1 смг поверхности пленок Fi в соответствии со сделанными предположе­ ниями будет равен:

щего вещества находится в одной молекуле легирующе­ го'Соединения (для рассматриваемых соединений /г=1);

где г/ов — молярная концентрация этих атомов в газовой фазе вблизи поверхности; /гг .С Б — коэффициент массопере­ носа в газовой фазе свободных атомов легирующего ве­ щества.

Поток легирующих атомов, входящих в растущий слой, будет равен:

где v — скорость роста слоя, задаваемая одним из выра­ жений (6-8) — (6-11), а Л/л — концентрация легирующей примеси в растущем слое, ат/см3. Так как предполагает­ ся, что процесс идет в условиях равновесия, то должно выполняться равенство

которое целесообразно переписать в виде

где у — коэффициент распределения легирующего веще­ ства между газовой и твердой фазами, а <А^—уже упоми­ навшееся в § 6-2 число атомов кремния в 1 см3.

283

коэффициента распределения а. Если ^'т'а^п < 1 . та уравнение (6-31) переходит в

a = ; - j — ( 6 - 3 2 )

В той области, где скорость процесса роста слоя опре­ деляется переносом в газовой фазе, / = 1 и коэффициент распределения будет представлять собой просто отноше­ ние коэффициентов переноса в газовой фазе легирующей примеси и кремния и не будет зависеть от условий роста. Более того, так как эти коэффициенты вряд ли различа­ ются слишком сильно, можно предположить, что для это­ го случая а будет находиться между 0,5 и 2. В той обла­ сти, где скорость роста определяется процессами на по­

жить, что /гг.л/^r.cD не очень отличается от единицы. От­ сюда видно, что во втором предельном случае а будет меняться пропорционально концентрации SiCl4 и обрат­ но пропорционально величине у .

В промежуточном случае l l l ' ^ N a ^ 1; поведение a

может приближаться к виду (6-32) или (6-33) в зависи­ мости от условий роста.

В работе [Л. 6-15] была проведена эксперименталь­ ная проверка предложенной модели легирования. Исход­ ный хлорид SiCl4 обеспечивал удельное сопротивление слоя свыше 100 ом-см при проводимости я-типа. Леги­ рование осуществлялось из смесей жидких хлоридов с концентрациями в жидкой фазе 1,1 • 10_ ц для фосфора, 1,2-10—8 для мышьяка и 8 , 8 - Ю - 6 для сурьмы. Концен­ трация примесей в слоях определялась по измерениям удельного сопротивления. В работе были получены за­ висимости удельного сопротивления слоев от температу­ ры и от скорости роста. На основании этих результатов были рассчитаны температурные зависимости а и зави-

285

скорости роста, не противоречат друг другу и вполне со­ ответствуют предложенной модели.

Помимо легирования эпитаксиальиых слоев, выращи­ ваемых из SiCIi, жидкими и газообразными хлоридами бора и фосфора, было предложено проводить легирова­ ние слоев в этом процессе газообразными гидридами

Атомное отношение P/Si 8 газовой фазе

Рис. 6-12. Зависимость концентрации фосфора в эпитаксиалыюй пленке от относительной концентрации фосфора.

этих элементов (Л. 6-16], которые отличаются большой летучестью и позволяют быстрее менять концентрацию легирующих примесей в газовом потоке. На рис. 6-12 и 6-13 показаны зависимости концентраций фосфора и бо­

используемый в этих же целях арсин АэНз ядовиты, и использовать их надо с осторожностью. Обычно их по­ ставляют в баллонах в смеси с водородом и в достаточ­ но малой концентрации для того, чтобы обращение

сними было сравнительно безопасно.

Вработе [Л. 6-17] изучалось легирование слоев фосфином и арсином при выращивании их путем разложе­

могут иметь место процессы 2 Р ^ * Р 2 и 2As^As 2 , между которыми устанавливается равновесие, причем легирова­

кой фазы легирование может осуществляться через га­ зовый поток так же, как и в хлоридном и силановом ме-

Атомное отношение В/Sf В газовав (равв

Рис. 6-13. Зависимость концентрации бора в эпитаксиалыюн пленке от относительной концентра­ ции диборана.

тодах. Следует только иметь в виду, что, помимо приме­ сей, попадающих в растущий слой из газовой фазы, в нее неизбежно будет также вводиться большое число примесей из жидкой фазы (имеется в виду основа используемой эвтектики и содержавшиеся в ней при­ меси) .

В сандвич-методе легирование осуществляется -за счет переноса примесей из источника в слой. В принципе можно осуществлять дополнительное легирование из га­ зовой фазы, если в качестве источника используется высокоомный кремний, а требуется вырастить слой мень­ шего удельного сопротивления или слой с р-п переходом.

В методах прямой эпитаксии (за счет испарения кремния-электронным лучом или возгонки его при нагре­ ве пропускаемым током) легирование может осущест­ вляться примесями, содержащимися в источнике и пере­ ходящими при испарении или возгонке в газовую фазу.

287

В методе возгонки, например, можно поместить в уста­ новку целый ряд источников с различными типом про­ водимости и удельным сопротивлением и, используя их поочередно, выращивать многослойные структуры с раз­

получения разнообразных заранее заданных распреде­ лений примесей в выращиваемых эпитаксиальных слоях весьма широки, а для некоторых методов — в первую очередь возгонки при низкой температуре подложки и разложения снлана при низкой температуре подложки — практически не ограничены. Действительно, возможности получения различного рода распределений примеси в эпитаксиальных слоях гораздо шире, чем при легиро­ вании диффузионными методами (если речь не идет о введении очень высоких концентраций примесей, поряд­ ка 1020—1021 ат/см3). Однако при легировании эпитакси­ альных слоев различными методами встречается ряд трудностей и ограничений.

Основные трудности, с которыми пришлось встре­ титься уже на первых порах развития эпитаксиального метода, — это сложность получения достаточно чистых легирующих соединений, диффузия примесей из подлож­ ки в растущий слой и автолегнрование. Первые две из них достаточно ясны, а третья — автолегирование — является проблемой, специфической для процессов эпптаксии. Исследователи, проводя измерения распределе­ ния удельного сопротивления в выращенных слоях, убеждались, что при постоянных условиях роста и ле­ гирования удельное сопротивление слоя не остается по­ стоянным, причем наблюдаемые изменения могут быть значительны. В случае выращивания высокоомных сло­ ев, даже на поверхности сравнительно толстого слоя удельное сопротивление может оказаться значительно ниже ожидаемого. Д а ж е грубые оценки показывали при этом, что столь серьезные изменения удельного сопро­ тивления не могут вызываться только диффузией приме­ сей из подложки, как сильно бы она ни была легирова­ на. Более тщательный анализ показал, что при выращи­ вании слоев, помимо рассмотренных процессов роста и легирования, могут идти и другие процессы — травление подложки тетрахлоридом кремния с переходом содержа­ щихся в ней примесей в газовую фазу, диффузия приме-

288

сей из подложки не только в растущий слой, но и в га­ зовую фазу, взаимодействие различных содержащихся в газовой фазе веществ со стенками камеры и другими деталями установки (например, подставкой). В резуль­ тате газовая атмосфера может значительно загрязниться хлоридами элементов третьей и пятой групп и самими этими элементами в газообразном состоянии, и в соот­ ветствии с этим будет неконтролируемым образом за­ грязняться растущий эпитаксиальный слой. При выра­ щивании слоев хлоридиым методом, даже если принять меры, существенно ограничивающие диффузию из низкоомной подложки, примыкающий к границе подложки выращенный слой толщиной 2—3 мкм почти всегда ока­ зывается сильно легированным примесью подложки. Автолегирование тем или иным путем может происхо­ дить и при выращивании слоев сандвич-методом или разложением S1H4.

Отметим, что работы по повышению чистоты исход­ ных SiCU, SiH4 и легирующих соединений непрерывно ведутся, и если, например, в 1966 г. указывалось, что мо­ гут быть выращены эпитаксиальные слои с удельным

в растущий слой могут быть использованы два пути. Вопервых, выбор для легирования подложки материала, имеющего минимальный коэффициент диффузии. С этой точки зрения подложки «-типа следует легировать мышьяком или сурьмой и нежелательно легировать фос­ фором. Другой путь — уменьшение температуры процес­ са эпитаксиальмого выращивания и в связи с этим выбор такого метода выращивания слоев, который позволил бы

ми выращивания слоев являются возгонка в сверхвысо­ ком вакууме и разложение силана.

Эти же методы являются перспективными с точки зрения предотвращения автолегирования. Метод возгон­ ки в сверхвысоком вакууме, позволяющий выращивать слон на подложках с температурой 500—650°С, дает возможность полностью исключить диффузию примесей из подложки или из соседних эпитаксиальных слоев друг в друга (если впоследствии выращенные структуры не

подвергаются дополнительно более высокотемператур­ ной обработке). В случае принятия перед процессом над­ лежащих мер по предварительной очистке элементов установки, поверхности источника и поверхности подлож­ ки можно в этом методе избавиться и от автолегироваиия. Однако не следует думать, что при возгонке из рав­

по-видимому, существует равновесие, обеспечиваемое испарением и диффузией бора в глубь источника из по­ верхностного обогащенного слоя. Во всяком случае мож­ но сказать, что хотя метод возгонки в сверхвысоком ва­

Рассмотрим вопрос о возможностях легирования сло­ ев заданным образом при выращивании их силановым методом. Согласно [Л. 6-12] в случае использования двух­ ступенчатого метода (с зарождением слоя при более высокой температуре) основной процесс можно проводить при 850 °С. Начальный участок, выращенный при 1 ООО—

1 100°С, имеет при этом толщину 0,2 мкм. Такого рода

290

процессы позволяют избавиться от диффузии из подлож­ ки в слой. Что касается устранения автолегирования, то в работе [Л. 6-12] с этой целью предложено покрывать обратную сторону подложки и подставку достаточно толстым слоем Si02 (1,5 мкм) или SijN/,. Сравнение рас­ пределения примесей в эпитаксиальных слоях, выращен­ ных с защитой слоем БЮг и без защиты, проводилось для хлоридного и для силанового методов. Результаты по­ казаны на рис. 6-14 и 6-15. Более плавный спад концен-

Рис. 6-15. Устранение автолегирования при выращива­ нии пленок разложением SiH4 .

трации и более широкий участок влияния подложки на

(рис. 6-14) показывает практически полное отсутствие легирования растущего слоя из подложки или из других частей установки. При этом следует обратить внимание на чрезвычайно равномерное распределение примесей в слое при довольно высоком его удельном сопротивле­ нии (100 ом-см). Еще полнее устраняется автолегирова­ ние в силановом методе. По-видимому, силаиовый метод при надлежащих предосторожностях может позволить выращивать многослойные не слишком сильно легиро-