Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы технологии электронной компонентной базы моделирование технологических процессов получения тонкопленочных материалов. Учебно-методическое пособ

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

отличается от количества кристаллографической ориентации (111). Повышение температуры осаждения с 973 до 1373 К при осаждении как тонких (≤ 0,6 мкм), так и толстых (≥ 2,3 мкм) пленок поликри- сталлического кремния приводит к увеличению преимущественной кристаллографической ориентации (111).

Размер зерен пленок кремния, осажденных в хлоридном процессе, в более сильной степени изменяется с температурой процесса осаждения (рис. 5.1, кривая 1). В области высоких температур (1423...1523 К) наблюдается увеличение размера зерна до 4...5 мкм, однако поликристаллические пленки при этом неравномерны по сплошности, содержат островковые образования размером от 4 до 10 мкм. Снижение температуры до 1323 К приводит к уменьшению размера зерен и сплошности формируемых слоев. Дальнейшее снижение температуры до 1123 К приводит к островковому осаждению, и размер зерен не превышает 0,5 мкм. Увеличение размера зерен с повышением температуры объясняется вкладом процесса травления кремния четыреххлористым кремнием, в результате которого на поверхности формируемого поликристаллического кремния образуются дефектные области, представляющие собой активные центры в виде ступенек.

Исследование размера зерен и степени текстурирования легированных бором поликристаллических пленок кремния, осажденных при различных температурах в силановом процессе, свидетельствует о сильном влиянии температурного фактора. Как показали рентгеновские исследования, пленки, осажденные при низких температурах

(873...973

К), имеют аморфное строение. При температуре 1073 К формируются поликристаллические слои кремния, и при дальнейшем увеличении температуры до 1173...1273 К поликристаллический характер пленок сохраняется.

В поликристаллических пленках кремния, осажденных в силановом процессе при температуре 1073 К на неориентированные подложки, в исследуемом диапазоне значений толщины (0,6...5 мкм) и соотношения атомов В/Si в газовой фазе (0,7...2,2) · 10

–3

преобла-

дающее значение имеет кристаллографическая ориентация (110).

Для легированных бором пленок поликристаллического кремния количество зерен с ориентацией (111) и (311) монотонно возрастает, начиная с температуры 1000 К. С повышением температуры выше

К уменьшается количество зерен с преимущественной кристал-

1073

лографической ориентацией (110) и происходит выравнивание его с количеством зерен с ориентацией (111).

Рис. 5.1. Зависимость размера зерен поликристаллических пленок кремния от температуры осаждения (1, 5–9), толщины пленки (2),

общей скорости газового потока (3) и концентрации SiCl4 (4);

неактивируемые процессы (1–4), активируемые внешним

электрическим полем (5), ультразвуковыми колебаниями (6),

УФ излучением (7), СВЧ излучением (8), электронным потоком (9)

Исследования показывают, что размер зерен существенно зависит от толщины пленки (рис. 5.2). Изменение толщины от 0,3 до 2 мкм приводит к увеличению размера зерна примерно в два раза. Тонкие пленки поликристаллического кремния толщиной 0,3...0,5 мкм обладают гладким микрорельефом поверхности. С увеличением толщины пленок микрорельеф огрубляется и поверхность приобретает матовый оттенок. Следует отметить, что во всем исследуемом интервале значений толщины средний размер зерна значительно меньше толщины пленок поликристаллического кремния. На пленках толщиной

мкм, полученных при температуре 1073 К, размер зерна не пре-

4...5

вышает 0,3 мкм. Если нелегированные пленки характеризуются равномерной зернистостью с четко выраженными границами отдельных кристаллов, то введение легирующей примеси в реакционную смесь приводит к значительным изменениям морфологии поверхности. Границы отдельных зерен четко не прослеживаются, и появляется новый субмикрорельеф, обусловленный наличием в пределах некоторых зерен ступеней роста, а в целом наблюдается уменьшение размера зерна.

Рис. 5.2. Зависимость размера зерен от толщины пленки

поликристаллического кремния: Т = 873 (1), 1073 (2) и 1273 К (3),

неактивируемые процессы (а), активируемые в электрическом

поле (б), в СВЧ поле (в), ультрафиолетовым излучением (г),

электронным потоком (д) и ультразвуковыми колебаниями (е)

Размер зерен нелегированных пленок кремния толщиной 2 мкм, осажденных при температуре 1073 К и концентрации моносилана

об. %, составляет 0,3...0,35 мкм. Введение легирующей приме-

0,125

си в соотношении атомов B/Si = 2,2 · 10 ях приводит к уменьшению размера зерна до 0,2 мкм. Изменение соотношения B/Si в газовой смеси от 0,17 · 10

–3

при прочих равных услови-

–3

до 2,2 · 10–3 не оказыва-

ет заметного влияния на особенности морфологии поверхности и размер зерна.

По мере увеличения толщины пленки растет степень упорядочения структуры и увеличивается размер зерна (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Размер зерна в зависимости от температуры и толщины пленки

, К

973 0,05 – – – 1023 1123 1223 1323 1373

Размер зерна, мкм, при толщине пленки, мкм

0,5 1 5 15

0,05 – 0,1 –

– – 0,3 0,6 – – 0,4 0,8

0,15 0,25 – 1,2

0,3 0,4 – 1,5

Увеличение толщины пленок, полученных в хлоридном процессе, до 8...12 мкм не изменяет размера зерен, и структура при этом обладает хорошей сплошностью. С увеличением толщины с 12 до 30 мкм наблюдается интенсивный рост размера зерен с 0,4 до 5 мкм соответственно (см. рис. 5.1, кривая 2). По-видимому, в начальный момент роста происходит спонтанное осаждение кремния, когда высокая плотность центров зарождения и избыток питающего материала из газовой фазы исключают возможность свободного развития отдельных кристаллов. При последующем наращивании начинают проявляться принципы геометрического отбора и преимущественное развитие получают кристаллы с кристаллографической ориентацией, способствующей более быстрому росту.

Размер зерна зависит от концентрации моносилана и тетрахлорида кремния. При изменении концентрации моносилана от 10

моль/см2 плотность зародышей при температуре 1273 К возрас-

до

тает на порядок, а величина зерна – в 50 раз.

Существенное влияние на структуру пленок оказывают степень легирования и природа легирующего компонента при получении пленок в силановом процессе. При заданной температуре осаждения

на размере зерен сказывается лишь высокий уровень легирования бором, фосфором или мышьяком и в пленках при высокой скорости осаждения наблюдается преимущественная ориентация (111). Волокнистая структура сохраняется до концентрации мышьяка и фосфора 10

см–3. При более высоком уровне легирования мышьяком и

фосфором зерна приобретают сферическую форму.

Проведенные исследования показывают, что размер зерна поли-

кристаллических пленок кремния, полученных в системе SiCl

+ H2,

существенно зависит от основных технологических факторов

см. рис. 5.1). Например, анализ экспериментальных данных показы-

(

вает, что размер зерна с уменьшением скорости общего газового потока уменьшается и при скорости ≥ 60 л/мин становится постоянным и равным 0,5 мкм. По-видимому, при скоростях газового потока

л/мин пересыщение превышает критическое значение. При та-

≥ 60

ком условии образуются зародыши приблизительно одинакового размера и до определенного момента число их растет без существенного увеличения размеров. С увеличением концентрации четыреххлористого кремния с 1,2 · 10

–4

до 2,4 · 10–4 г · моль/л (см. рис. 5.1,

кривая 4) размер зерен поликристаллических слоев уменьшается с

2,5

до 0,7 мкм.

При дальнейшем увеличении концентрации до 3,3 · 10

–4

г · моль/л

размер зерен остается постоянным и только при концентрациях

–4

≥ 3,3 · 10

концентрациях четыреххлористого кремния (1,2...1,8) · 10

г · моль/л опять возрастает. Следует отметить, что при малых

–4

г · моль/л

наблюдаются неравномерность размера зерен и формирование локальных островковых образований и блоков с размером зерен до 3...4 мкм. Очевидно, имеет место недостаток питающего вещества из газовой фазы. В этом случае зародыши с наиболее благоприятной ориентацией способствуют быстрому росту кристалла за счет обеднения соседних участков, что приводит к несплошному формированию и аномальному укрупнению зерна в пленке. С увеличением концентрации до

(2,4...3,0) · 10

–4

г · моль/л однородность структуры улучшается ввиду

преобладания скорости зарождения над скоростью роста. Дальнейшее увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к увеличению размера зерна, что объясняется избытком питающего материала из газовой фазы, из-за которого происходит общая спонтанная кристаллизация кристаллов на всей поверхности подложки.

Структура и ориентация поликристаллического кремния зависят от

типа подложки. Лучшие по качеству пленки удалось вырастить на слое

, полученном термическим окислением кремниевой пластины.

SiO

Установлено, что на кремниевых подложках с ориентацией (111) или с диэлектрическим покрытием Si

пленки имеют преимущест-

3N4

венную кристаллографическую ориентацию (110), а на сапфировых подложках – произвольную кристаллографическую ориентацию.

Мелкозернистые зеркально гладкие пленки с размером зерна

0,03

мкм могут быть получены на кремниевых подложках, покрытых

нитридом кремния. Причем при использовании именно Si

можно получать поликристаллические пленки кремния, при-

SiO

3N4

, а не

ближающиеся по степени зеркальности поверхности к эпитаксиальным слоям. Несколько хуже качество поверхности пленок, осажденных на сапфире, что связано с напряжениями на границе раздела

пленка – подложка».

На структуру поликристаллических пленок кремния существенно влияют процессы рекристаллизации. Исследования рекристаллизации тонких (0,5...10 мкм) поликристаллических пленок кремния, полученных в системе «моносилан – арсин – гелий», показали, что рекристаллизация происходит не только в процессе термообработки, но и в процессах лазерного, ультрафиолетового, электронного и СВЧ облучений их поверхности (табл. 5.2). Существенное влияние на процесс рекристаллизации оказывает среда, в которой проводится обработка поверхности поликристаллического материала.

Таблица 5.2

Размер зерна при воздействии на пленку

Воздействие

Термообработка

при температуре 1523 К

Электронное облучение

при мощности потока 5 кэВ

Среда

Не Н2

+ – 15

+ 16 ч 0,8 + – 5

+ – 3

+ 5 мин 0,8 + – 1,5

Длительность

воздействия

Максимальный

размер зерна, мкм

При температуре обработки 1523 К наиболее полно рекристаллизация поликристаллического кремния происходит в среде с дозированным содержанием кислорода, особенно влажного, и практически не происходит в среде гелия. Водород как среда также оказывает заметное влияние на процесс рекристаллизации. По-видимому, это связано с окислительно-восстановительными процессами, обусловленными водородом и содержащимся в водороде кислородом. Высокая степень рекристаллизации в присутствии кислорода объясняется тем,

что ее движущей силой является уменьшение энергии границ зерен

exp ,

путем их укрупнения и уменьшения дефектов поликристаллической пленки в целом. Атомы кислорода, двигаясь по границам зерен, окисляют приграничные атомы кремния, способствуя увеличению удельной площади границ и скорости рекристаллизации. Напротив, гелий как инертный газ не оказывает такого воздействия.

Экспериментально установлено, что термообработка поликри-

сталлических пленок кремния толщиной 10 мкм и с размером зерна

0,3

мкм в течение 16 ч в кислороде, гелии и водороде приводит к увеличению размера зерна до 0,5, 3,0 и 5,0 мкм соответственно. Объем зерен, ориентированных по плоскостям (100), (110), (111) и (311), для кислородной среды составляет 0; 10; 85 и 5 %, гелиевой – 5; 65;

и 5 % и водородной – 5; 30; 65 и 0 % соответственно.

Необходимо отметить, что исходные поликристаллические пленки на 80 % состояли из зерен, ориентированных по плоскости (110). Таким образом, термообработка и обработка лучевой энергией приводят к уменьшению доли зерен, ориентированных по плоскости

(110), (111) (

и увеличению доли зерен, ориентированных по плоскости

см. табл. 5.2).

5.2. Диффузионная теория роста зерна поликремния при термообработке

Важной технологической операцией поликремниевой технологии является термическая обработка, сопровождающаяся ростом зерна поликремния. Согласно общей теории роста зерна поликристаллических материалов скорость этого процесса определяется следующим выражением:

где r – средний радиус зерна; M – атомная подвижность границы зерна; ΔF – «движущая сила» роста зерна.

ницы есть активационный процесс

=Δ

(5.1)

В термодинамическом представлении подвижность зеренной гра-

=⋅ −

⎛⎞ ⎜⎟

⎝⎠

(5.2)

где M

,Fr

0exp2,

rt r M t

⎡

⎢

⎣

,М=М+

exp ,

– константа, связанная с изменением энтропии, сопровож-

дающим такое скачкообразное перемещение атома; Q – энергия активации перехода атома в соседнее положение, которое в конечном счете определяет миграцию границы «зерна».

Движущая сила ΔF определяется уменьшением энергии границы

зерна, так что

Δ=α

(5.3)

где α – константа; γ – средняя энергия границы зерна; r – радиус зерна.

Полагая, что M не зависит от времени, и подставляя (5.2) и (5.3) в

(5.1),

получаем:

−=⋅−⋅α

() ( )

⎛⎞ ⎜⎟

⎝⎠

⎤

(5.4)

⎥ ⎦

где r(0) – начальный размер зерна; t – время.

Кинетическая модель подвижности границы зерна

кинетической модели роста зерна легированной пленки поли-

кремния предполагается, что миграция межзеренных границ осуществляется посредством двух механизмов движения дислокаций – скольжения (атермический механизм) и восхождения (диффузионный механизм). Считая, что оба механизма осуществляются одновременно, можно оценить вклад одного из них по экспериментальным данным, полагая, что вклад другого механизма известен.

Предположим, исходя из высказанных предпосылок, что подвиж-

ность границ зерен

(5.5)

где M

концентрацией вакансий c

– подвижность, обусловленная скольжением дислокаций,

– восхождением дислокаций.

Величина M

описывает активационный процесс, определяемый

MKc

=−

⎛⎞

⎜⎟ ⎝⎠

(5.6)

где K – температурно-независимая константа; ω – энергия активации,

exp 1 ,

⎡

⎢

⎣

1exp,

exp ,

равная высоте энергетического барьера, разделяющего атом кремния и вакансию.

Величина ω зависит от концентрации примесей в объеме зерна поликремния, которая составляет определенную долю от полной концентрации примесей в пленке вследствие того, что часть примесей сегрегирует на межзеренной границе. Для объяснения сегрегации на границе раздела и границе кристаллита используется теория терморавновесной сегрегации для металлических систем. Отношение концентрации примеси в кристаллите N

к общей концентрации Nt задается соотношением

NLN kT

AQ c

⎛⎞

⎜⎟ ⎝⎠

−

⎤

(5.7)

⎥ ⎦

где безразмерный множитель А равен 3,02 для мышьяка и 2,46 – для фосфора при одной концентрации 2 · 10

cм–3; Qs – поверхностная

плотность узлов на границе кристаллита поликремния, на которых может сегрегировать примесь, Q

= 2,64 · 1015 см–2; NSi – атомная

плотность кремния; L = 2r – размер зерна поликремния.

Поскольку вклад (M

– Mi) диффузионного компонента в М, обу-

словленного легированием и, следовательно, повышением концентрации вакансий, определяется только добавкой, определяемой механизмом восхождения дислокации, то

MMM

eei

−

(5.8)

где индексы e и i относятся соответственно к легированному и нелегированному кремнию.

Подставляя (5.6) в (5.8) (с учетом индексов e и i), получаем:

где

тель;

MKcc

evive e

⎛⎞ ⎜⎟

⎝⎠

=−

vi v i

′

– энергия образования вакансии на границе зерна в собст-

⎛⎞⎛⎞

=+ −

⎜⎟⎜⎟

iivi

′

Mc kT

⎝⎠⎝⎠

здесь

– предэкспоненциальный множи-

⎛⎞ ⎜⎟

⎝⎠

(5.9)

венном кремнии.

Таким образом,

1exp,

MckT

cc c c c

exp ;

⎡

⎢⎥⎣

FF Fe

cFFFi

eve

=+ −

ivi

⎛⎞

′

⎜⎟ ⎝⎠

⎛⎞ ⎜⎟

⎝⎠

где K', Q' – безразмерные коэффициенты.

5.3. Расчет концентрации вакансий

′

(5.10)

Общая концентрация вакансий в кремнии c центраций нейтральных вакансий c нократно отрицательном c кратно положительном c

, в двукратно отрицательном c

зарядовых состояниях:

=++ +

vx v v v

и заряженных вакансий – в од-

−−−+

складывается из кон-

и одно-

v– –

(5.11)

Используя закон действующих масс и экспоненциальную зависимость концентраций вакансий от энергетического уровня заряженных состояний и уровня Ферми E

, определяемого концентрацией

электронов, получаем выражения для отношений концентраций вакансий в различных зарядовых состояниях:

где E

⎡⎤

−

ckT

−−

ckT

, E

, Ev+ – энергетические уровни, соответствующие ваканси-

v–

–

()

exp ;

⎢⎥

−

⎣⎦

−−

EEE

()

−−

⎡⎤

exp ,

⎢⎥

Fvv

−

()

⎣⎦

−−

⎫ ⎪ ⎪ ⎪

⎤

⎪

(5.12)

⎬

⎦

⎪ ⎪ ⎪ ⎪

⎭

ям в кремнии в различных зарядовых состояниях.

Энергетические уровни отсчитываются относительно уровней запрещенной зоны: для F димости, а для F

чие в знаках перед значениями E

и F

они располагаются ниже зоны прово-

v–

–

– выше валентной зоны. Этим объясняется разли-

, E

и Ev+ в (5.12).

v–

–

Таким образом, учитывая (5.11) и (5.12), получаем выражение для отношения c

, необходимое для расчета изменения подвижности

νe/cνi

границы зерна поликремния:

vi v v v

++ +

()

vv v

−−−+

++ +

()

−−−+

(5.13)

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 96 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]