Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии электронной компонентной базы моделирование технологических процессов получения тонкопленочных материалов. Учебно-методическое пособ
.pdf
Поверхностная диффузия
exp ,
kT
адсорбции атомов на поверхности происходит их диффузия
После
по поверхности и встраивание в кристаллическую решетку эпитаксиального слоя. Движущей силой диффузии является стремление системы к минимизации энергии химической связи атома с кристаллической решеткой.
Коэффициент поверхностной диффузии описывается зависимо-
стью
E
⎛⎞
пд
=⋅ −
DD
0
⎜⎟
(2.5)
⎝⎠
где D
= b2ν, здесь b – прыжковое расстояние, расстояние между со-
0
седними местами адсорбции, b
тома, ν = 10
12
...1013 с–1; Eпд – энергия активации поверхностной диф-
2
≅ 1015 см2; ν – частота колебаний ада-
фузии, энергетический барьер при прыжке атома в соседнее положение, E
пд
≅ Е
субл
.
Для Si (100) E
= 20 кДж/моль. Малое значение энергии актива-
пд
ции позволяет проводить МЛЭ Si при относительно низкой температуре (470 К). Для Si (111) E
равна 870 К. Для GaAs (111) E
D = 4 · 10
6
мест за 1 с.
10
–12 м2
/с. Это теоретически позволяет адатому сменить
≅ 46 кДж/моль, температура эпитаксии
пд
= 115 кДж/моль, при 823 К
пд
Отклонение поверхности роста от сингулярной (рис. 2.4) приводит к увеличению скорости роста слоя благодаря образованию ступеней роста.
а б
Рис. 2.4. Влияние отклонения поверхности роста от сингулярной
на скорость роста слоя (а) и схема образования ступеней роста (б)
31
Переходный эпитаксиальный слой
,
xDt
Характеристическая
длина диффузии для Ga в GaAs при 873 К и
времени процесса 2 ч (толщина слоя 2 мкм) определяется так:
при D
=⋅
дифф
= 107 · exp(– 5,6kТ), см2/с, т.е. длина диффузии менее моно-
Ga
(2.6)
атомного слоя.
32
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИИ
НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ГЕТЕРОЭПИТАКСИИ
Эпитаксия – процесс наращивания на кристаллической подложке
атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру. При этом
каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий и полностью повторяет кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения очень чистых пленок при сохранении возможности
регулирования уровня легирования. Различают гетероэпитаксию,
когда вещества подложки и нарастающего кристалла различны, и
гомоэпитаксию, когда они одинаковы.
Молекулярно-лучевая эпитаксия – эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры
заданной толщины с атомно-гладкими границами и с заданным профилем легирования. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомно-гладкой поверхностью.
МЛЭ представляет собой развитие и усовершенствование старого
способа, широко применявшегося для получения металлических
пленок – испарения в вакууме. Использование чистых источников
напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль
температуры подложки, различные методы диагностики растущей
пленки в сочетании с компьютерной системой контроля роста – вот
основные особенности процессов МЛЭ.
Молекулярно-лучевая эпитаксия проводится в сверхвысоком вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. На рис. 3.1 показан
процесс получения соединения Al
падает в вещество и расплавляет небольшой участок. Температура
нагрева достигает 1900 К. Испаренное вещество в виде пучка атомов
попадает на подложку. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы
вещества распространяются практически по прямой, не испытывая
соударения с молекулами газа (длина свободного пробега молекул
больше расстояния от источника до подложки). Количество и тип
источников определяется используемыми для роста веществами. Например, для создания структур GaAs/AlGaAs необходимо три источника: Ga, Al и As. Для контроля состава молекулярного пучка используется встроенный масс-спектрометр.
Ga
As. Электронный пучок по-
x
1–x
33
Растущая пленка подстраивается под кристаллическую структуру
a
a
подложки. Качество выращенных пленок зависит от согласования
постоянных решеток материала и подложки. Причем чем больше
рассогласование, тем меньшей толщины бездефектную пленку можно вырастить. Эпитаксия особенно легко осуществляется, если раз-
ность постоянных решеток
Δ
не превышает 10 %. При больших
расхождениях часть плоскостей одной из решеток не имеет продолжения в другой; края таких оборванных плоскостей образуют дислокации несоответствия. В пленке возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом ее толщины. Это приводит к деформации решетки растущего слоя и возникновению напряжений рассогласования,
которые могут быть сняты (релаксированы) в результате возникновения сети дислокаций несоответствия (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Блок-схема установки МЛЭ
Различие параметров решеток подложек и слоя приводит к возникновению напряжений несогласования, которые могут быть минимизированы путем генерации дислокаций несоответствия (рис. 3.2).
При малом числе эпитаксиальных слоев (несколько межплоскостных расстояний) напряжение в решетке присутствует, но не достигает предела прочности и не приводит к образованию дислокаций.
34
а б
в
Рис. 3.2. Пример дислокаций в реальном кристалле с алмазоподобной
решеткой: а – в напряженном состоянии; б – в идеальном виде;
в – общий вид идеальной кристаллической решетки
Рекомендуемая литература к разделам 1–3
Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой
технологии. М.: МИСиС. 1995.
Металлоорганические соединения в электронике / Г.А. Разувалов,
В.Г. Грибов, Г.Я. Домрачев, Б.А. Саламатин. М.: Высш. шк., 1972.
35
Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной техни-
ки. М.: Металлургия, 1993.
Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х. Физико-химические основы жидко-
фазной эпитаксии. М.: Металлургия, 1983.
Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки / Пер. с англ.
А.Я. Шик. М.: Мир, 1989.
36
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Полупроводниковые пленки используются в микроэлектронике
транзисторах, интегральных схемах и диодах) и выполняют функ-
(
ции резистивных слоев, поэтому должны соответствовать необходимому классу зернистости.
Конструкции современных сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) требуют создания многослойных структур на кремниевой подложке. Одним из таких слоев является пленка поликремния,
которая служит в качестве межсоединений активных элементов
МОП-транзисторов, затворных электродов, высокоомных резисторов
и диффузионных источников для формирования неглубоких переходов, а также заглубленных контактов.
В связи с широким применением пленки должны обладать различными значениями удельного сопротивления, что определяется
легированием и зернистостью. Поэтому важное значение приобретает изучение свойств пленок поликремния.
Метод осаждения из газовой фазы посредством химических реакций в объеме и на поверхности при низких давлениях (LPCVDпроцесс) широко используется в современной технологии микроэлектроники для создания пленок поликремния.
Необходимым условием получения качественных, с заданными
свойствами слоев поликремния является контроль их структурных,
электрических и других физических характеристик при проведении
технологических операций формирования структурных элементов
СБИС. Структура зерна поликремния характеризуется его средним
размером, кристаллографической ориентацией и распределением по
размерам. Размер зерна в существенной степени определяет распределение легирующих элементов по его объему и в конечном счете
влияет на величину проводимости пленки поликремния.
4.1. Химические методы получения пленок
Восстановление тетрахлорида кремния водородом
Процесс
ем тетрахлорида кремния заключается в том, что через реактор про-
осаждения поликристаллических пленок с использовани-
37
пускают поток водорода с примесью тетрахлорида кремния. При
SiCl 2H Si 4HCl.
42
Si SiCl 2SiCl .
SiCl +H SiHCl +HCl.
SiHCl H Si 3HCl.
температуре выше 873 К тетрахлорид кремния восстанавливается на
поверхности диэлектрической или монокристаллической подложки.
Образующийся кремний осаждается на подложке в виде поликристаллической пленки, а другие продукты реакции уносятся потоком
газа. Реакция протекает по следующему уравнению:
+→+ (4.1)
42
Увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к
травлению поверхности кремния, что уменьшает скорость роста поликристаллических пленок кремния.
Реакция травления описывается уравнением
+→
(4.2)
Кинетика процесса осаждения поликристаллических пленок
кремния в системе SiCl
исходной концентрацией SiCl
+ H2 сложна, и количественная связь между
4
и общим количеством выделившегося
4
кремния, а также других продуктов реакции, пока не установлена. По
мере повышения температуры смеси сначала происходит частичное
восстановление SiCl
При дальнейшем повышении температуры, когда SiHCl
до SiHCl3:
4
→
42 3
(4.3)
приходит
3
в контакт с нагретой подложкой, может произойти восстановление
SiHCl
до Si:
3
+→+
32
(4.4)
Альтернативная технология получения пленок поликремния – восстановление силана (SiH
). С одной стороны, данная технология слож-
4
на, так как для получении пленок используется высокое давление, но,
с другой стороны, – материал получается высокой чистоты, а при хлоридной технологии может быть загрязнение материала примесями.
Воспроизводимость результатов при осаждении поликристаллических пленок кремния зависит от постоянства концентрации тетрахлорида кремния в газовом потоке. В связи с этим способ насыщения
потока тетрахлоридом кремния весьма существенен.
На рис. 4.1 приведена зависимость скорости осаждения поликристаллических пленок кремния от концентрации SiCl
и SiH4 в парога-
4
зовой смеси.
38
Рис. 4.1. Зависимость скорости осаждения поликристаллических
пленок от концентрации SiCl4 (а, б) и SiH4 (в) в парогазовой смеси:
1 – экспериментальные данные; 2–8 – расчетные данные
Знак «штрих» относится к процессам, проведенным в электриче-
ском поле. Температура процесса 1400 (1, 2), 1500 (3), 1323 (4),
1273 (5), 1072
К (6–8); 7 – слои, легированные бором; 8 – фосфором.
В реакционных камерах вертикального типа диаметром 160 мм при
скорости газового потока 12 л/мин и концентрации тетрахлорида
кремния 8...10 мол. % расчет захвата молекул тетрахлорида кремния
газом-носителем проводят по давлению пара SiCl
. При таких кон-
4
центрациях тетрахлорида кремния наблюдается высокая воспроизводимость результатов.
В реальных условиях осаждения в реакторе иногда возникают
конвекционные потоки и, в отдельных его частях, застойные зоны.
Правильно выбранные конструкция реакционной камеры и способ
ввода газовой смеси позволяют свести к минимуму эти явления.
Единого мнения об однородности осаждаемых слоев в горизонтальных и вертикальных реакторах до сих пор не выработано. Ясно, что
39
разноречивость данных о степени однородности осаждаемых слоев
обусловлена прежде всего конструктивными особенностями реакторов и неодинаковыми параметрами процесса.
В горизонтальных реакторах толщина поликристаллических пленок кремния изменяется вдоль пьедестала по ходу газа-носителя
вследствие уменьшения концентрации SiCl
. Увеличение скорости
4
общего газового потока до 30...40 л/мин позволяет добиться минимального разброса по толщине слоя (± 5 % по всей длине пьедестала). При малой скорости общего газового потока (10 л/мин) равномерность по толщине обеспечивается выбором оптимальной зоны по
длине пьедестала. Однако это снижает производительность процесса.
В вертикальных реакторах с целью обеспечения равномерности
по толщине и удельному сопротивлению используется вращение
пьедестала. Газовый поток в этом случае направляют перпендикулярно подложке. В камерах колпачного типа используется система
противотока.
В горизонтальных и вертикальных реакторах применяется индукционный нагрев подложек. В качестве датчика тепловой энергии используют графитовые, стеклографитовые и молибденовые пьедесталы. С целью исключения диффузии примесей в осаждаемые слои поликристаллического кремния из пьедестала последний покрывается
нитридом и карбидом кремния. Для достижения однородности пленок по толщине требуется одинаковая температура по всей длине
пьедестала. Разброс температуры оказывает сильное влияние на скорость роста пленок. В температурном интервале 923...1173 К скорость осаждения поликристаллических слоев кремния в зависимости
от типа реакционной камеры, требуемой толщины слоев и типа используемых газов колеблется в диапазоне 0,06...0,5 мкм/мин. При
индукционном и резистивном способах нагрева в области осаждения
возникает перепад температуры до 323 К. Минимальная разность
температур между центром и краем пьедестала (293,1 К) наблюдается при расположении индуктора в средней части пьедестала.
Увеличение скорости общего газового потока приводит к выравниванию температуры по длине пьедестала. Для вертикальных реакторов минимальный разброс по температуре вдоль пьедестала достигается в результате предварительного подогрева газа-носителя до
температуры 673 К. При этом подогрев газа существенно увеличивает скорость осаждения и позволяет получить качественные поликристаллические пленки кремния при температуре 1023...1073 К. Снижение температуры ниже 1023 К приводит к образованию дефектных
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]