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

ванные структуры с резким (шириной до 0,1—0,2 мкм) переходом и с любым другим произвольно заданным бо­ лее плавным распределением примесей (время выращи­ вания слоев при 850°С составляет несколько часов, и при программированном изменении концентрации приме­ сей в магистрали у источника можно рассчитывать на то, что в газовой фазе у растущего слоя равновесие бу­ дет устанавливаться достаточно быстро).

Единственная проблема легирования, решение кота-

сильнолегированных слоев и последовательное выращи­ вание таких слоев в одном процессе со слаболегирован­ ными. Большое количество примесей в газовой фазе за­ грязняет установку, и после этого нельзя без специаль­ ной очистки установки выращивать высокоомные слои.

6-5. ДЕФЕКТЫ, В О З Н И К А Ю Щ И Е ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЭПИТАКСИАЛЬИЫХ СЛОЕВ

В процессе выращивания эпитаксиальиых слоев перед исследова­ телями и технологами, помимо получения заданной толщины слоя и заданного распределения примесей в нем, стоит еще одна задача: обеспечить в растущем слое минимальное количество различного рода дефектов. Среди дефектов, которые могут встретиться в эпитаксиаль­ иых слоях, в первую очередь следует упомянуть те, которые связаны с качеством и подготовкой подложки.

Если поверхность подложки была перед началом выращивания слоя идеально чистой, то основным видом дефектов в растущем слое могут быть дислокации. Те дислокации, которые имелись в подложке и выходили на ее поверхность, будут продолжаться и в растущем слое. Помимо этого, если подложка и слои легированы в разной сте­ пени, то вследствие некоторого различия постоянных решеток у гра­ ницы между подложкой и слоем могут возникать механические на­ пряжения. Если различие концентрации примесей в подложке и слое велико, то и напряжения могут быть значительными. Слои в боль­ шинстве случаев выращивают при температуре не ниже 1 ООО °С, ког­ да возможны пластические деформации в слоях и возникающие на­ пряжения могут сниматься с образованием новых дислокаций. Таким образом, при выращивании слаболегпрованных слоев на сильнолеги­ рованных подложках плотность дислокаций в слоях может значитель­ но превосходить плотность дислокаций в подложках. Поэтому когда требуется вырастить высокоомный слой на низкоомной подложке, то удельное сопротивление подложки обычно выбирают не слишком ма­ лым (0,01 ом-см). При более низком удельном сопротивлении, вопервых, трудно обеспечить малую плотность дислокаций в подложках и, во-вторых, слишком велики напряжения на границе подложки и эпитаксиального слоя; в слое возникнет слишком много дополнитель­ ных дислокаций.

Несмотря на предосторожности, принимаемые при подготовке и очистке подложки перед выращиванием слоя, на ней остаются следы

292

механических нарушений, островки Si02 , пылинки и другие загрязне­ ния. Можно ожидать, что эти загрязнения будут влиять па рост слоя самым различным образом: увеличивать или уменьшать вероятность появления зародышей и скорость роста слоя, становиться источника­ ми механических напряжений, оказавшись внутри слоя. В результате загрязнения на поверхности подложки могут быть причиной образо­ вания разнообразных дефектов. Помимо уже рассмотренных напря­ жений и дислокаций, это могут быгь дефекты упаковки и дефекты роста или даже двойники и дефекты образования поликристалличе­ ского кремния.

Дефекты упаковки представляют собой области в эпитаксиальных слоях, на границе которых имеется рассогласование кристаллической

сте в силу определенных причин произошло нарушение этого чередо­ вания: где-то оказался пропущенным один из слоев или где-то по­

со слоем, причем если в месте зарождения оно носило точечный ха­ рактер, то с увеличением толщины слоя его размеры будут увеличи­ ваться. При выращивании на подложках, ориентированных по пло­

верхности слоя этот дефект выявляется в виде треугольника. На

на друга, но большинство треугольников будет иметь один, макси­ мальный размер. Это означает, что в основном дефекты упаковки за­ рождаются на границе подложки со слоем, но могут зародиться и при росте слоя. Наложение треугольников означает, что два дефекта зародились очень близко друг от друга. По размеру максимальных треугольников можно определить толщину выросшего эпитаксиаль-

293

ного слоя. Упомянутое нарушение правильного чередования атомных слоев может появиться или в месте встречи дзух не вполне одинако­ во ориентированных зародышей, или, как уже говорилось, из-за по­ падания на поверхность инородного тела (даже моиоатомного остров­ ка Si0 2 ничтожных размеров).

Более крупные инородные тела на поверхности подложки, части­ цы карбида кремния, а также место встречи двух быстро растущих навстречу друг другу зародышей могут стать источниками появления

от которого весьма трудно избавиться и который является особо опасным при использовании эпитаксиальных слоев в планарной тех­ нологии: пирамиды и трнпнрампды, помимо того, что они будут при­ чиной брака в попавшей на место их расположения структуре, вы­ зовут повреждение фотошаблонов. В этом смысле дефекты типа ямок менее опасны. Часто с дефектом типа пирамиды или трипирамиды связан дефект упаковки. Последовательное стравливание эпитаксиаль­ ных слоев показывает, что зарождение дефектов роста (ямок, пира­ мид, трипирамид) может иметь место как выше, так и ниже поверх­ ности подложки. Таким образом, помимо загрязнений на поверхности подложки или процессов, происходящих при наращивании самого слоя, причиной зарождения дефектов роста могут быть и дефекты подложки. Особенно способствует появлению пирамид пли конусов высокая концентрация примесей в растущем слое £Л. 6-19]. При вы­ ращивании толстого силыюлегированного слоя он оказывается по­ крытым пирамидами и конусами и постепенно становится полпкрнсталлическим.

При выращивании слоев силановым методом одна из возможных причин появления дефектов в растущем слое — зарождение кристал­ ликов кремния в газовой фазе. Попадая на поверхность кремния, они могут стать началом растущего дефекта.

Можно считать, что дефекты эпитаксиальных слоев — одна из основных причин ограниченного применения метода эпитаксин для создания мощных и высоковольтных приборов. Действительно, при любом существующем уровне технологии чем больше площадь струк­ туры, тем больше'вероятность попадания в эту структуру дефекта эпнтаксиального слоя. Из-за этого эпптакснальные слон не всегда могут быть использованы в технологии мощных приборов. Чем боль­ ше толщина выращиваемого эпнтаксиального слоя, тем больше ве­ роятность возникновения дефектов в ходе выращивания. А для со­ здания высоковольтных приборов требуются не только высокоомиые, но н относительно толстые (порядка нескольких десятков микрон) слои.

С целью преодоления этих трудностей было предложено исполь­ зовать метод обращенного эпнтаксиального выращивания [Л. 6-20]. Согласно этому методу на подложке из высококачественного слаболе­ гированного кремния выращивается сильнолегированный эпитаксиаль-

требований. После выращивания этого слоя слаболегнрованная под­ ложка сошлифовывается до тех пор, пока оставшаяся часть ее, в ко­ торой затем будут изготовляться транзисторные структуры, не станет достаточно тонкой для получения низкого сопротивления насыщения. В то же время толщина этой части должна быть достаточной для

294

обеспечения требуемого пробивного напряжения. Однако в этом ме­ тоде, как и при обычном эпнтакспальном выращивании, имеются свои сложности. Они связаны с необходимостью выращивания толстых сильнолегнрованных слоев. Как уже говорилось, при этом поверх­ ность слоя вся покрывается дефектами, имеющими вид пиков, кону- :ов, ее плоскостность теряется, и, кроме того, слой может начать на­ растать па нижней стороне высокоомной подложки. В результате бу­ дет потеряна база для последующей механической шлифовки и трудно будет обеспечить получение заданной толщины высокоомного слоя и отсутствие перекоса при шлифовке.

в несколько сотен вольт, поэтому необходимость в использовании ме­

гом эпитаксиальнои техники было создание методов эпитаксиального выращивания jp-п переходов. Особый интерес представило выращивание слоев /г-типа на под­ ложке /?-типа, так как подобные структуры были весьма удобны для создания р-п-р транзисторов. В гл. 4 указы­ валось, что на кремнии изготовление диффузионных при­ боров с р-п-р структурой сложнее, чем п-р-п приборов. Поэтому можно было использовать следующую техно­ логическую схему создания р-п-р кремниевых транзисто­ ров: на подложке р-типа выращивается эпитаксиальный слой, затем он покрывается маскирующим слоем окисла, проводится фотолитография эмиттерных окон, после чего проводится диффузия бора с целью создания эмиттер­

должны были проводиться травление мезаобластей и разделение пластины на структуры. Рассматриваемая схема позволяла делать только мезапланарные р-п-р транзисторы. Если последовательное сопротивление кол­ лектора для них не играло особой роли (например, если приборы должны были работать на очень малых токах), то можно было удельное сопротивление подложки р-типа выбирать большим (несколько ом-см), а удельное со­ противление выращиваемого /г-слоя сравнительно малым, порядка 0,1 ом-сек. Это обеспечивало невысокое базо-

295

вое и входное сопротивление структуры. Если же требо­ валось иметь небольшое сопротивление насыщения, то подложку нельзя было брать высокоомной. Такую струк­ туру можно было создавать двумя путями. Первый из них предусматривал выращивание сравнительно высокоомного «-слоя, 0,5—1 ом • см. Это означало, что простран­ ственный заряд коллекторного перехода при подаче от­ рицательного смещения расширялся в основном в базу. Поэтому толщину базы можно было выбирать в доволь­ но узких пределах так, чтобы избежать прокола и обес­

фию и диффузионное легирование областей базовых контактов. Второй путь — не проводить этого легирова­ ния, взяв низкоомную подложку р-типа, вырастить на ней сначала высокоомный коллекторный р-слой, а затем сравнительно низкоомный базовый /г-слой и изготовлять

торным переходом. Эту задачу можно было решить, вве­ дя дополнительно изолирующую диффузию. С этой целью после выращивания эпитаксиального гс-слоя и окисления поверхности пластины путем фотолитографи­ ческой обработки окисел снимался в областях, имеющих

транзистора завершалось по одной из предложенных схем. При использовании изолирующей диффузии следо-' вало обязательно учитывать диффузию акцепторов из подложки и смещение коллекторного перехода от грани­ цы эпитаксиального слоя в область /г-типа. В силу этого обстоятельства надо было * несколько увеличивать тол­ щину выращиваемого слоя п-типа.

296

тивлением 0,2 ом • см, а над ним растился тонкий, еще бо­ лее легированный р+-слой. При создании эмиттера диф­

транзисторов. При выращивании эпитаксиальных слоев использован метод разложения S1H4. Все эпитаксиаль­ ные переходы были достаточно резкими, а качество и структурное совершенство слоев были весьма высокими: структура одного транзистора имела площадь, равную нескольким квадратным сантиметрам, рабочий ток до­ стигал 150 а, а пробивное напряжение коллектора пре­ восходило 200 в.

Эпитаксиальное выращивание структур с р-п перехо­ дом получило наиболее широкое распространение для изоляции элементов интегральных схем. До этого эле­ менты ИС изолировались друг от друга методами диф­ фузионной технологии.

При использовании эпитаксиальио-диффузионного метода изоляции последовательность операций строи­ лась следующим образом: на подложке /?-типа выращи­ вался эпитаксиальный слой n-типа, поверхность которого окислялась и подвергалась фотолитографической обра­ ботке, в результате которой выделялись области будущих элементов ИС (они оставались закрытыми окислом). Остальная поверхность эпитаксиального слоя д-типа обнажалась, и в нее проводилась изолирующая диффу­ зия акцепторов. Вслед за этим в созданных изолирован­ ных карманах n-типа изготовлялись элементы ИС (рис. 6-17). Толщина слоя /г-типа не была слишком боль­ шой (обычно 10 мкм), поэтому изолирующая диффузия могла быть сравнительно кратковременной, проводиться

297

процент выхода и снизить стоимость. Недостатками тран­ зисторных структур в этих ИС были не очень высокое пробивное напряжение (что в большинстве случаев было допустимо) и большое сопротивление насыщения. Дело в том, что хотя толщина транзисторной структуры была невелика, ее размеры в горизонтальном направлении значительно превосходили толщину. Так, ширина кол­ лекторной области имела порядок сотен микрон, а тол-

к значительному падению напряжения на приборах. Дли того чтобы устранить этот дефект, был предложен ме­ тод эпитаксиалыю-диффузионной изоляции с предвари­ тельным созданием скрытого сильнолегированного диф­ фузионного коллекторного слоя (рис. 6-18). В готовой структуре ток, проходя через базу и вертикально вниз

к коллекторному контакту. Сложность этого метода бы­ ла связана с тем, что из сильнолегированного скрытого слоя могла идти значительная диффузия в выращивае­ мый эпитаксиальный слой. С целью преодоления этого для создания скрытого слоя использовался мышьяк, и, кроме того, было предложено (Л. 6-21] для выращива­ ния эпитаксиальных слоев использовать метод разложе­ ния SiH/,.

298

Еще один недостаток ИС с эпитаксиально-диффузи- онной изоляцией заключается в том, что между соседни­ ми структурами через изолирующие их области возни­ кали разнообразные паразитные связи, ухудшавшие ха­ рактеристики ИС. (В логических ИС при определенных условиях они могли привести к ложным срабатываниям.) С целью преодоления этого недостатка было предложено прибегнуть к селективному эпитакспалы-юму выращива­ нию: перед выращиванием эпитаксиального слоя поверх-

элементов ИС. При этом удавалось выращивать ограни­ ченные области монокристаллического кремния я-типа,

вала уменьшение паразитных связей по сравнению с эпи- таксиально-диффузионным методом. При этом, однако, возникала довольно серьезная трудность: в процессе вы­ ращивания эпитаксиального слоя на поверхности SiOz зарождались поликристаллические островки кремния. Довольно высока была вероятность зарождения остров­ ков на границе монокристаллических областей (на краю

. окисла), что резко ухудшало параметры элементов ИС. Для осуществления селективного эпитаксиального вы­

299

рождения поликристаллических областей резко сни­

300

глубину 25—50 мкм в тех местах, где должна проходить изоляция между элементами.

в) Поверхность вытравленных углублений покрывает­ ся слоем Si02 , а затем сверху выращивается слой поли­ кристаллического кремния толщиной 150—250 мкм. Тех­ нология выращивания этого слоя не отличается от обыч­

слоя у различных элементов может иметь значительный разброс.

В свободном от этого недостатка процессе с двукрат­ ным выращиванием поликристаллического слоя [Л. 6-25] производится следующая последовательность операций (рис. 6-20).

а) На подложку я+-типа наносятся последовательно эпитаксиальный л-слой, слой Si0 2 и первый слой поли­ кристаллического кремния.

б) Этот слой подвергается прецизионной шлифовке и полировке параллельно слою Si02 . Затем этим же опе­ рациям подвергается монокристаллический кремний /г+-типа. С помощью фотолитографической обработки

301