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
по сплошности поликристаллических слоев со значительным разбро-
SiHCl H Si 3HCl.
сом размера зерна. Увеличение скорости осаждения поликристаллических слоев кремния при подогреве газа-носителя объясняется тем,
что с повышением кинетической энергии и среднего пробега молекул газа происходит увеличение эффективного объема газовой фазы,
принимающей участие в реакции осаждения кремния на поверхности. Это свидетельствует о том, что доставка реагентов в зону реакции и отвод продуктов реакции интенсифицируются.
4.2. Восстановление трихлорсилана водородом
Считают, что при восстановлении трихлорсилана водородом кинетика реакции проще, чем в тетрахлоридном и тетрабромидном
процессах. Поликристаллические пленки кремния, полученные методом восстановления трихлорсилана, по качеству не уступают тетрахлоридным. Необходимо отметить, что температура осаждения
при восстановлении как тетрахлорида, так и трихлорсилана практически не отличается. Таким образом, проблема «размытия» концентрационных профилей в полупроводниковых структурах остается.
Наиболее вероятно протекание реакции по следующему уравнению:
+→+
32
(4.5)
При осаждении поликристаллических пленок кремния по реакции
восстановления трихлорсилана используются установки с горизонтальным и вертикальным типом реакторов. Как в горизонтальных,
так и вертикальных реакторах скорость осаждения поликристаллических пленок кремния на подложки Si
и SiO2 – Si3N4 зависит от
3N4
парциального давления трихлорсилана и температуры осаждения.
При изменении парциального давления в диапазоне 10...30 мм рт. ст.
и температуре 1273 К скорость осаждения изменяется от 0,8 до
мкм/мин. Энергия активации находится в пределах 0,98...0,99 эВ.
1,5
Отмечено, что низкое значение энергии активации указывает на гетерогенный характер реакции. Скорость осаждения в данном процессе пропорциональна корню квадратному из концентрации трихлорсилана и прямо пропорциональна скорости реакции. При увеличении
температуры выше 1473 К скорость осаждения уменьшается.
Данный процесс трудновоспроизводим в реакционных камерах
горизонтального типа. Объясняется это низкими скоростями общего
газового потока (0,5...1,0 л/ч), что приводит к обеднению газовой
смеси вдоль пьедестала.
41
4.3. Конструкция реактора
В практике производства поликристаллических пленок использу-
ется несколько конструкций реакторов (рис. 4.2).
42
Рис. 4.2. Типы реакционных камер, используемых для наращивания
поликристаллических полупроводниковых пленок:
а – горизонтальная; б – типа «колпак»; в – вертикального обычного
типа; г – вертикального типа с внешним выводом; д – вертикального
типа с внутренним выводом
Преимуществом горизонтального реактора является более простая
конструкция. В связи с тем что диаметр горизонтального реактора
значительно меньше, чем вертикального, парогазовая смесь проходит
через реактор с более высокой линейной скоростью и процесс менее
чувствителен к колебаниям скорости общего газового потока и изменениям температуры. Серьезный недостаток этого реактора – изменение скорости роста вдоль подставки с подложками. В горизонтальном
реакторе при легировании подложки изменяется также ширина концентрационного перехода от 2...3 мкм на первой по отношению ко
входу подложке до 4...5 мкм на последней. Наряду с этим для горизонтального реактора характерна неоднородность по толщине и размеру зерна в направлении, перпендикулярном оси реактора. Объясняется это влиянием стенок реактора на скорость общего газового потока. Это влияние заметнее у краев подложки, где стенки реактора расположены ближе к поверхности подложки. Для исключения указанных недостатков рекомендуется устанавливать подставки с подложками под углом 10...15° к оси реактора и использовать реактор прямоугольного сечения. В табл. 4.1 приведены данные об изменении скорости роста в зависимости от сечения реактора при различных значениях поверхностной скорости υ
Параметры реакторов
Тип реактора υп, см/с
Круглый,
Dp = 100 мм
Прямоугольный,
75×100 мм
Прямоугольный,
50×100 мм
7,3 0,33 0,52 0,55 0,51 0,44 0,43
9,3 0,41 0,55 0,76 0,77 0,55 0,33
11,5 0,40 0,63 0,81 0,8 0,6 0,36
8,9 0,46 0,63 0,62 0,63 0,66 0,44
11,3 0,51 0,73 0,7 0,71 0,71 0,46
17,0 0,43 0,59 0,69 0,71 0,62 0,36
11,2 0,56 0,65 0,64 0,64 0,66 0,57
18,6 0,57 0,66 0,66 0,66 0,68 0,62
23,5 0,62 0,76 0,76 0,76 0,70 0,65
движения молекул.
п
Таблица 4.1
Скорость роста в разных точках подложки, мкм/мин
1 2 3 4 5 6
Перечисленных недостатков лишен вертикальный реактор, в котором подложки расположены в 1–2 яруса на пьедестале, имеющем
грани с наклоном в 5...10°. Однако недостатком вертикальных реакторов является более сложная система охлаждения. Линейная скорость газового потока в вертикальных реакторах ниже, чем в горизонтальных, из-за большего сечения. Процесс осаждения в вертикальных реакторах более восприимчив к изменению температуры и
43
колебаниям газового тока. Воспроизводимость процесса на оптимальных технологических режимах во многом определяется конструкцией реактора.
Установлено, что при одинаковых общих геометрических размерах реакционной камеры существенное влияние на процесс осаждения тонких пленок оказывает система разводки реакционной смеси в
области камеры. На рис. 4.2, г, д представлены конструкции вертикальных реакторов с различными конструктивными разводками основных компонентов. В первом случае используемые компоненты,
например моносилан и арсин или моносилан и диборан, смешиваются в холодной зоне реакционной камеры, где воздействие тепловой
энергии, излучаемой пьедесталом, не сказывается, а во втором случае – в зоне реакционной камеры над пьедесталом на расстоянии
50...75
мм, где температура газа-носителя достигает 673...775 К. При
использовании реакционных камер с внешней разводкой (рис. 4.2, г)
скорость осаждения пленок, легированных мышьяком, не превышает
0,15
мкм/мин, а бором – 0,3 мкм/мин. Наблюдается значительный
разброс по величине удельного сопротивления пленок – до 30...50 %.
По-видимому, это объясняется потерей основных компонентов газовой смеси в результате осаждения на стенках и образования промежуточных продуктов, которые либо уносятся с основным потоком,
либо осаждаются на стенках камеры.
Замена внешней разводки внутренней (рис. 4.2, д) позволяет повысить скорость осаждения пленок поликристаллического кремния,
легированных мышьяком, до 0,2...0,25 мкм/мин, а бором – до
0,5
мкм/мин с хорошей воспроизводимостью по удельному сопротивлению и толщине. Объясняется это более полным взаимодействием компонентов реакции в зоне пьедестала. Процессы разложения
гидридов и осаждения на поверхности подложки происходят интенсивно за счет образования радикалов SiH
и AsH2, которые благодаря
2
свободной валентности обладают повышенной реакционной способностью, что обеспечивает полноту прохождения реакции и, как результат, повышает скорость осаждения.
С целью создания турбулентности газового потока в процессе
осаждения пленок и газового их травления пьедесталы с подложками
приводятся во вращение с определенной угловой скоростью. Обычно
скорость вращения выбирается опытным путем.
Конструкция реактора и скорость газового потока являются определяющими факторами стабилизации скорости осаждения и достижения равномерности осаждаемых слоев.
44
4.4. Определение скорости осаждения
,1,...,(1),
U
SiH SiH H ;
SiH Si 2H .
,sRkc
()exp,
RT
пленки поликремния
Диффузионное уравнение, описывающее перенос молекул газа в
реакторе, в общем виде записывается следующим образом:
Uc N Rni n∇=−∇ + = −
iii
где
– средний по массе вектор скорости реагента сорта i в реакто-
ре; c
– молярная концентрация i-го реагента; Ni – молярный диффу-
i
зионный поток атомов газа i-го сорта; R – полная скорость реакций с
поверхностью пластины, на которой осуществляется процесс осаждения всех i – х компонентов газа.
Уравнение (4.6) справедливо для всех i = 1, …, n компонентов га-
за в реакторе, но только (n – 1) этих уравнений – независимы.
При решении уравнения (4.6) должны выполняться следующие
условия:
рассматривается газ только одного химического состава;
1)
газ должен содержать только такие компоненты, которые хо-
2)
рошо растворяются в инертном газе-носителе;
рассматриваются только гетерогенные реакции в объеме реак-
3)
тора и на поверхности пластины.
Типичным примером такой системы является осаждение поликремния на кремниевой пластине из газовой среды «азот/аргон (носитель) + силан (активный компонент)» посредством реакций:
(4.6)
Следующее предположение заключается в том, что скорость реакции в объеме (первая реакция в формуле (4.7) должна быть первого
порядка по силану:
где R
– скорость конверсии силана; c – молярная концентрация си-
s
лана; k – константа пиролитического разложения силана, которая аппроксимируется выражением
=+ ⋅ ⋅ −
kabP AT
↔+↑
422
→+ ↑
22
⎫
⎪
(4.7)
⎬
⎪
⎭
= (4.8)
E
⎛⎞
tot
β
⎜⎟
⎝⎠
(4.9)
45
где P
0
0,
,
cos sin ,
ξ
ξ
22
tg .
b = 0,9496, A = 2,54·10
– общее давление; эмпирические константы a = 0,0504,
tot
38
, β = –7,95, Е = 61,96, если P
задано в атмо-
tot
сферах.
И, наконец, полагается отсутствие потока
U =
()
между двумя соседними пластинами, т.е. при 0 ≤ z ≤ d и 0 ≤ r ≤ r
в пространстве
, где
w
d – расстояние между пластинами; r – текущий радиус пластины;
r
– радиус пластины. Это условие означает отсутствие конвективно-
w
го перераспределения газа в зазоре между пластинами по сравнению
с размерами пластины из-за относительно малого давления внутри
редуктора.
Выполнение указанных условий приводит выражение (4.6) к сле-
дующему дифференциальному уравнению диффузии:
1
∂∂ ∂
⎛⎞
r
⎜⎟
rr r
∂∂
⎝⎠
2
cc
+=
2
z
∂
(4.10)
с граничными условиями:
;
zd
0,
=
⎫
⎪
⎪
⎪
(4.11)
⎬
⎪
⎪
⎪
⎭
c
∂
=
0;
rb
∂
cc
DR
где R
– коэффициент поверхностного сопротивления; D – коэффици-
S
=
r
=
b
rr
=
w
∂
c
=
S
∂
z
ент диффузии силана в газе-носителе, зависящий от температуры и
среды газа-носителя; c
– концентрация силана на краю пластин, не
b
зависящая от координаты z и равная концентрации на входе в реактор.
Решение системы уравнений (4.10)–(4.11):
∞
()
IS
λ
где I
c=c F A K K
– модифицированная функция Бесселя первого рода; λn – по-
0
0 п
∑
bDD
I
λλ
п 0 п
n
=
1
()
()
п 1 пп п
λλ
[]
+λ
(4.12)
ложительные корни трансцендентного уравнения
λλ
2
пп
=
A
K
K
λ−
п
D
D
(4.13)
Пространственные координаты r и l здесь представлены безраз-
мерными величинами:
46
,.
Srr zl
ξ
(, ) .
A
;
rAd
.
w
krKD
760
0,1 .
t
P
2
2,
Vk
,
ϕ
Функция F
Параметры A и K
=
w
= (A, KD) определяется следующим образом:
п
λ+ λ
пп
+
1cos
λ−
2
FAK
п
=ϕ
D
связаны с геометрическими характеристиками
D
22
λ+ +
()2
п
(4.14)
=
22
K
D
2
K
п
D
KAK
DD
(4.15)
реактора и диффузионно-кинетическими параметрами физикохимических процессов в газовой среде и на поверхности пластины:
D
(4.16)
=
(4.17)
=
Коэффициент диффузии D молекул силана в газовой среде реактора определяется температурой T и полным давлением газа внутри
реактора. Эмпирическая зависимость для D:
2
T
⎛⎞
=⋅
D
Произведение параметров A и K
⎜⎟
300
⎝⎠
определяет модуль «Thiele», ко-
D
(4.18)
ot
торый обычно используется при анализе каталитических реакций, а
при рассмотрении процесса осаждения определяет степень неравномерности η толщины осаждаемой пленки по радиусу пластины:
где V
2
AK
ϕ= =
– объем вакуумной камеры,
W
2
W
D
(4.19)
D
d
так что
d
2d
VD z
π−
W
∫
η= =
0
∞
λ
() (, )
IFAK
=λ++
1 пп
∑
I
λλ
() Ф
п 0 п
1
n
=
(,0)
cr
∂
r
∂
r
=
2
π
2
rkc
wb
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
0
2
D
222
()
(4.20)
K
D
где Ф – значение потока.
47
Скорость G осаждения пленки поликремния определяется сле-
S
,
GRkV
SiSiSi
MVNd
,
V
S
(2)( )
,
rr d/dS n
PH ( ) P( ) 3/ 2H ,
дующим образом:
где k
– коэффициент, определяющий нетто-скорость адсорбции-
ab
десорбции молекул SiH
1
= – объем, приходящийся на один атом кремния в зерне
A
поликремния, здесь M
Si
=
Sab
на поверхности кремниевой пластины;
2
– молекулярная масса кремния; dSi – физиче-
ская плотность пленки поликремния; N
(4.21)
i
– число Авогадро.
A
Один из способов учета конструкционных особенностей реактора
при расчете скорости осаждения пленки в LPCVD-процессе можно
представить так:
GR= G
(4.22)
где V/S – отношение объема к площади поверхности реакционной
ячейки реактора, ограниченной двумя соседними пластинами и стенкой этой ячейки:
22 2
здесь r
– внутренний радиус ячейки; dn – диаметр отверстия в стенке
c
ячейки; S
Vd
=
S
– размер эффективного зазора между ячейкой и стенкой
эфф
−+ +ω
cn
2
22
rd+r r d n
cW n
−+ω
эфф
(4.23)
реактора; ω – толщина стенки ячейки; n – число отверстий, приходящихся на одну реакционную камеру.
При рассмотрении задачи определения скорости осаждения пленки поликремния с одновременным легированием полагается, что реакции с участием фосфина (PH
) протекают по следующей схеме:
3
PH ( ) PH ( );
где gas, ads и s обозначают соответственно состояния в газовой сре-
де, адсорбированное и твердое – на поверхности пластины.
Кинетика осаждения с участием фосфина обычно рассматривается, как и в случае силана, согласно теории адсорбции Ленгмюра –
Хиншельвуда. Исходя из анализа результатов, скорость роста пленки
48
gas ads
33
32
↔
ads s
↔+ ↑
⎫
⎪
(4.24)
⎬
⎪
⎭
поликремния с одновременным легированием при парциальном дав-
() ,
+b GR
3
PH
p
3
P
p
лении фосфина PH
рассчитывается из выражения
3
GR p =
PH
3
GR
1 γ
где GR – скорость осаждения пленки при
содержание фосфина в газовой среде реактора;
(4.25)
= 0; γ – относительное
– парциальное
H
давление силана; b – константа, зависящая от температуры.
Задавая технологические (температуру, парциальные давления
компонентов газа в реакторе) и конструкционные параметры реактора, можно рассчитать скорость роста пленки поликремния в LPCVDпроцессе, а путем варьирования этих параметров – определить оптимальные характеристики процесса осаждения.
49
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕРА ЗЕРНА
И УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЛЕНКИ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
5.1. Структура пленок поликремния
Исследование структуры пленок кремния электронографическим
методом показало, что в интервале температур 973...1273 К кристаллическая структура пленок соответствует поликристаллическому
кремнию с параметрами элементарной ячейки 5,43 ± 0,05 нм. Причем
размер зерна почти линейно возрастает с увеличением температуры
осаждения. Существенное отклонение от этой зависимости обнаружено для пленок, полученных при 873...973 К. При этом получается
аномально большой размер зерна, что подтверждается данными
электронно-микроскопических и электронографических исследований. С использованием трансмиссионной электронной микроскопии
и электронной дифракции была обнаружена «иглоподобная» структура этих пленок. Размеры игл составляли 0,1...0,5 мкм для пленок,
осажденных при 923 К, и несколько меньше для пленок, осажденных
при 873 К. Причина этой аномалии не ясна. Предполагается, что это
связано с процессами рекристаллизации аморфных пленок.
Анализ начальной стадии роста показывает, что зерна имеют
форму, близкую к куполообразной. При температуре 1173 К зерна
срастаются и пленка становится сплошной. Необходимо отметить,
что даже при низких температурах осаждения как для силановых, так
и для хлоридных процессов имеется разброс размера зерна по площади осаждаемой пленки. Это можно объяснить наличием активных
и пассивных центров на поверхности подложки, приводящих к местному различию в энергии активации процесса зарождения, значения
которой находятся в пределах 1 ± 0,2 эВ.
Отличительной особенностью нелегированных пленок толщиной
и 2,3 мкм является отсутствие для тонких пленок в температур-
0,6
ном интервале 923...1223 К преимущественной кристаллографической ориентации (100). Равные количества кристаллографических
ориентаций (110) и (111) для пленок толщиной 0,6 мкм достигаются
при температуре осаждения 1123 К. Для пленок толщиной 2,3 мкм
равенство кристаллографических ориентаций (110) и (100) достигается при температуре 1223 и 1348 К соответственно и существенно
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]