Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий. Учебно-методическое пособие
.pdf
kT
Рис. 2.3. Относительная скорость роста эпитаксиального
слоя GaAs и AlxGa
As
1-x
На использовании различных значений коэффициента прилипания
в зависимости от состава подложки основан вариант проведения
процесса роста эпитаксиальных слоев атомно-слоевым методом. Коэффициент прилипания на поверхности GaAs, стабилизированной
атомами галлия, для атомов As равен 1, а для Ga ≅ 0. После осаждения атомного слоя мышьяка на галлиевую поверхность рост его прекращается. После этого подают триметилгаллий, рост эпитаксиального слоя структур прекращается с образованием монослоя галлия.
Чередуя таким образом состав смеси, проводят послойный рост
пленки, подавая поочередно атомы Ga и As.
Поверхностная диффузия
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 зависимостью
E
⎛⎞
ПД
DD
exp
=⋅ −
⎜⎟
0
, (2.5)
⎝⎠
где D0 = b
ми местами адсорбции (b
12
(10
2
ν; b – прыжковое расстояние, расстояние между соседни-
2
≅ 1015 см2); ν – частота колебаний адатома
– 1013 с–1); Eпд – энергия активации поверхностной диффузии,
энергетический барьер при прыжке атома в соседнее положение
E
пд
≅ Е
субл.
31
Для Si (100) энергия активации E
xDt
= 20 кДж/моль. Малое значе-
пд
ние энергии активации позволяет проводить МЛЭ Si при относительно низкой температуре (470 К). Для Si (111) при E
46
кДж/моль температура эпитаксии равна 870 К. Для GaAs (111) –
E
= 115 кДж/моль при 823 К. Это теоретически позволяет адатому
пд
сменить 10
6
мест за 1 секунду.
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)
Переходный эпитаксиальный слой
Характеристическая
длина диффузии для Ga в GaAs при 873 К и
времени процесса 2 ч (толщина слоя 2 мкм) определяется как
≅
при D
Ga
атомного слоя.
1. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1989. – 240 с.
Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной
2.
техники. – М.: Металлургия, 1993. – 366 c.
Металлоорганические соединения в электронике / Г.А. Разува-
3.
лов [и др.] – М.: Высшая школа, 1972. – 480 c.
Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х. Физико-химические основы жид-
4.
кофазной эпитаксии. – М.: Металлургия, 1983. – 222 c.
Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология мате-
5.
риалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой
технологии. – М.: МИСиС, 1995. – 250 с.
32
=⋅ (2.6)
дифф
= 107 exp (– 5,6 kТ) см2/с, т.е. длина диффузии менее моно-
Рекомендуемая литература
ГЛАВА 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 (МЛЭ) – эпитаксиальный рост в
условиях сверхвысокого вакуума, что 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. Все это привело к созданию качественно
новой технологии, способной решать следующие задачи:
получение слоев высокой чистоты за счет роста в сверхвысоком
–
вакууме и высокой чистоты исходных компонентов;
выращивание сверхтонких многослойных структур с резкими
–
изменениями состава на границах раздела слоев за счет относительно
низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии компонентов из слоя в слой;
получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпи-
–
таксии за счет реализации механизма послойного роста;
получение сверхтонких слоев (сверхрешеток) с контролируемой
–
толщиной за счет точности управления потоками исходных компонентов и относительно малых скоростей роста (один монослой в секунду);
33
– создание структур со сложным составом и со сложным профи-
a
a
лем легирования;
создание структур с заданными напряжениями растяжения или
–
сжатия, т.е. структур локально модифицирующими зонную диаграмму – «зонная инженерия»;
экологически чистый процесс.
–
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
As. Электронный пучок по-
xGa1–x
падает в вещество и расплавляет небольшой участок. Температура
нагрева достигает 1900 K. 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.
Растущая пленка подстраивается под кристаллическую структуру
подложки. Качество выращенных пленок зависит от согласования
постоянных решеток материала и подложки. Причем чем больше
рассогласование, тем меньшей толщины можно вырастить бездефектную пленку. Эпитаксия особенно легко осуществляется, если
разность 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) за счет возникновения
сети дислокаций несоответствия.
34
Рис. 3.1. Блок-схема установки МЛЭ
а б
в
Рис. 3.2. Виды алмазоподобной решетки в разных ситуациях
35
Различие параметров решеток подложек и слоя приводит к возникновению напряжений несогласования, которые могут быть минимизированы за счет генерации дислокаций несоответствия
рис. 3.2).
(
Перед вами пример дислокации в реальном кристалле с алмазоподобной решеткой (рис. 3.2, а, в в напряженном состоянии, рис. 3.2, б
в идеальном виде). При малом числе эпитаксиальных слоев (несколько межплоскостных расстояний) напряжение в решетке присутствует, но не достигает предела прочности и не приводят к образованию дислокаций.
Рекомендуемая литература
1. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки / Пер. с англ. –
М.: Мир, 1989. – 240 с.
Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной
2.
техники. – М.: Металлургия, 1993. – 366 c.
Металлоорганические соединения в электронике / Г.А. Разува-
3.
лов [и др.] – М.: Высшая школа, 1972. – 480 c.
Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х. Физико-химические основы жид-
4.
кофазной эпитаксии. – М.: Металлургия, 1983. – 222 c.
Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология мате-
5.
риалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой
технологии. – М.: МИСиС, 1995. – 250 с.
36
ГЛАВА 4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ
ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
КРЕМНИЯ ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ГАЗОВОЙ
ФАЗЫ
Полупроводниковые пленки сегодня используются в микроэлектронике (транзисторах, интегральных схемах и диодах), выполняют
функции резистивных слоев и должны соответствовать условиям необходимой 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 зернистосью. Вследствие вышесказанного важно
изучать свойства 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 электрических, структурных и других
физических характеристик при проведении технологических операций обработки 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.
37
4.1. Химические методы получения пленок.
Восстановление тетрахлорида кремния
водородом
Процесс осаждения поликристаллических пленок с использованием тетрахлорида кремния заключается в том, что через реактор пропускают поток водорода с примесью тетрахлорида кремния. При
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:
SiCl + 2H Si + 4HCl→ . (4.1)
42
Увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к
травлению поверхности кремния, что уменьшает скорость роста поликристаллических пленок кремния.
Реакция травления описывается уравнением
Si + SiCl 2SiCl→ . (4.2)
42
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
SiCl + H SiHCl + HCl→ . (4.3)
42 3
приходит
3
в контакт с нагретой подложкой, может произойти восстановление
SiHCl
до Si:
3
SiHCl + H Si + 3HCl→
32
. (4.4)
Альтернативная технология получения пленок поликремния –
восстановление силана (SiH
). С одной стороны, данная технология
4
сложна, так как для получении пленок используется высокое давление, но с другой – материал получается высокой чистоты, а при хлоридной технологии может быть загрязнение материала примесями.
38
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 является существенно важным.
На рис. 4.1 приведена зависимость скорости осаждения поликристаллических пленок кремния от концентрации SiCl
и SiH4 в парога-
4
зовой смеси.
Рис. 4.1. Зависимость скорости осаждения поликристаллических
пленок от концентрации SiCl4 (а, б) и SiH4 (в) в газовой смеси:
1 – экспериментальные данные; 2, 3 – расчетные данные
Знак «штрих» относится к процессам, проведенным в электрическом поле. Температура процесса 1400 K (1, 2), 1500 K (3), 1323 K
(4), 1273 K (5), 1072 K (6–8)
и 873′ K (9–12), (7, 10 – легированные
бором; 8, 11 – фосфором; 12 – мышьяком). В реакционных камерах
вертикального типа диаметром 160 мм при скорости газового потока
л/мин и концентрации тетрахлорида кремния 8…10 мол % расчет
12
захвата тетрахлорида кремния газом-носителем проводят по давлению пара SiCl
. При таких концентрациях тетрахлорида кремния на-
4
блюдается высокая воспроизводимость результатов.
39
В реальных условиях осаждения в реакторе иногда возникают
конвекционные потоки и в отдельных его частях застойные зоны.
Правильно выбранные конструкции 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
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
30…40
л/мин позволяет добиться минимального разброса по толщи-
. Увеличение скорости общего газового потока до
4
не (± 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 хорошей равномерности по толщине и удельному сопротивлению используется вращение пьедестала. Газовый поток в
этом случае направляют перпендикулярно подложке. В камерах колпачного типа используется система противопотока.
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. Однородность пленок по толщине
требует одинаковой температуры 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 нагревах в области осаждения возникает перепад температуры до 323 К. Минимальная разность температур между центром и
краем пьедестала (293,1 К) наблюдалась 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 дости-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]