Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий. Учебно-методическое пособие
.pdf
гается за счет 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 по
сплошности поликристаллических слоев со значительным разбросом
размера зерна. Увеличение скорости осаждения поликристаллических слоев кремния при подогреве газа-носителя объясняется тем,
что с увеличением 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
Считается, что при восстановлении трихлорсилана водородом кинетика реакции проще, чем в тетрахлоридном и тетрабромидном
процессах. Поликристаллические пленки кремния, полученные по
методу 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:
SiHCl + H Si + 3HCl→ . (4.5)
32
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 с 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 трихлор-
41
силана и прямо пропорциональна скорости реакции. При увеличении
температуры выше 1473 К скорость осаждения уменьшается.
Данный процесс трудно воспроизводим 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.
4.3. Конструкция реактора
В практике производства поликристаллических пленок используется 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 – вертикальная обычноая;
г – вертикальная с внешним выводом; д – вертикальная
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
мкм на последней. Наряду с этим для горизонтального реактора
4–5
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 осаждения в зависимости от сечения реактора.
Таблица 4.1
Изменение скорости осаждения в зависимости от сечения реакторов
Тип реактора Vп,
см/с
Круглый,
Dp = 100 мм
11,5 0,40 0,63 0,81 0,8 0,6 0,36
Прямоугольный,
75×100 мм
Прямоугольный,
50×100 мм
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
Скорость роста в разных точках подложки,
мкм/мин
1 2 3 4 5 6
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
8,9 0,46 0,63 0,62 0,63 0,66 0,44
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 гори-
43
зонтальных, из-за большего сечения. Процесс осаждения в вертикальных реакторах более восприимчив к изменению температуры и
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 за счет осаждения на стенках и за счет 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
мкм/мин с хорошей воспроизводимостью по удельному сопро-
0,5
тивлению 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 их газового травления пьедесталы с подложками
приводятся во вращение с определенной угловой скоростью. Обычно
скорость вращения выбирается опытным путем.
44
Конструкция реактора и скорость газового потока являются опре-
U
RkC
деляющими факторами в стабилизации скорости осаждения и в достижении равномерности осаждаемых слоев.
4.4. Определение скорости осаждения 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; С
– 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 газа 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, содержащий только такие компоненты, которые хорошо
2)
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
,1,...,(1)
, (4.6)
SiH SiH H
↔+↑
422
SiH H
Si 2
→+ ↑
22
⎫
⎪
. (4.7)
⎬
⎪
⎭
Следующие предположения заключается в том, что скорость реакции в объеме (первая реакция в формуле (4.7) должна быть первого
порядка по силану, т.е.
, (4.8)
=
s
45
где R
RT
ξ
ξ
– скорость конверсии силана, C – молярная концентрация си-
s
лана, k – константа пиролитического разложения силана, которая аппроксимируется выражением
()exp
=+ ⋅ ⋅ −
kabPAT
tot
β
E
()
. (4.9)
Здесь эмпирические константы a = 0,0504, b = 0,9496,
A = 2,54⋅10
И наконец, полагается отсутствие потока ( 0U =
между двумя соседними пластинами, т.е. при 0 ≤ z ≤ d и 0 ≤ r ≤ r
38
, β = –7,95, Е1 = 61,96, если P
задано в атмосферах.
tot
) в пространстве
w
Это условие означает отсутствие конвективного 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
+=
∂
(4.10)
0
2
z
с граничными условиями
S
zd
⎫
⎪
⎪
⎪
(4.11)
,
⎬
⎪
⎪
=
0,
⎪
⎭
c
∂
=
0
rb
∂
cc
DR
=
r
=
b
rr
=
W
c
∂
=
z
∂
.
где D – коэффициент диффузии силана в газе-носителе, зависящий от
температуры и среды газа-носителя; C
– концентрация силана на
b
краю пластин, не зависящая от координаты z и равная концентрации
на входе в реактор.
Решение системы уравнений (4.10–4.11):
∞
()
IS
λ
0
где I
C=C F AK K
– модифицированная функция Бесселя первого рода; λn – по-
0
∑
bnDnnDn
n
=
n
λλ
()
I
1
nn
0
()
1
cos sin ,
λλ
[]
+λ
(4.12)
ложительные корни трансцендентного уравнения
46
2
n
K
Srr zl
n
A
Ard
KkrD
tot
P
AK V k dD
φ
λλ
nnD
tg
=
A
K
22
λ−
D
. (4.13)
Пространственные координаты r и l здесь представлены в безразмерных величинах:
,
=ξ=. (4.14)
W
Функция Fn = (A, K
Параметры A и K
FAK
nD
) определяется следующим образом:
D
22
λ+ λ
K
+
1cos
λ−
2
(, ) .
=φ
связаны с геометрическими характеристиками
D
22
λ+ +
()2
nD D
Dn
2
K
nD
KAK
(4.15)
реактора и диффузионно-кинетическими параметрами физикохимических процессов в газовой среде и на поверхности пластины:
DW
, (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 выглядит как
2
D
=⋅ ⋅ . (4.18)
0,1
Произведение параметров A и K
T
()
300
760
определяет модуль Thiele, кото-
D
рый обычно используется при анализе каталитических реакций, а
при рассмотрении процесса осаждения определяет степень неравномерности η толщины осаждаемой пленки по радиусу пластины:
22
22
φ= = , (4.19)
DW
так что
2
VD dz
π−
W
η= = λ + +
d
∫
0
∂
π
2
rkC
Wb
Cr
∂
2
(,0)
r
=
rnnD
∞
() (, )
IFAK
λ
01
∑
λλ
1
n
=
nn
⎡⎤
⎢⎥
()
I Ф
⎣⎦
0
2
222
K
()
D
(4.20)
.
47
Скорость G осаждения пленки поликремния определяется сле-
GRkV
MVNd
V
S
rr d/dS n
дующим образом:
где k
– коэффициент, определяющий нетто-скорость адсорбции–
ab
десорбции молекул SiH
1
= – объем, приходящиеся на один атом кремния в зерне
Si
поликремния, M
Si
A
Si
– молекулярная масса кремния, d
Si
=
на поверхности кремневой пластины;
2
, (4.21)
SiSab
– физическая
Si
плотность пленки поликремния, NA – число Авогадро.
Один из способов учета конструкционных особенностей реактора
при расчете скорости осаждения пленки в LPCVD-процессе можно
представить как:
GR= G
⎛⎞
(4.22)
,
⎜⎟
⎝⎠
где V/S – отношение объема к поверхности реакционной ячейки реактора, ограниченной двумя соседними пластинами и стенкой этой
ячейки.
Vd
S
22 2
cn
=
2
где d – расстояние между пластинами; r
кущий радиус пластины; r
(2)( )
−+ +ω
22
rd+r r d n
cW n
c –
−+ω
w –
внутренний радиус ячейки; d
, (4.23)
радиус пластины; r – те-
– диаметр
n
отверстия в стенке ячейки; S – размер эффективного зазора между
ячейкой и стенкой 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
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 –
48
PH ( ) PH ( )
gas ads
33
PH ( ) P( ) 3 / 2H
32
↔
↔+ ↑
ads s
⎫
⎪
(4.24)
,
⎬
⎪
⎭
Хиншельвуда. Исходя из анализа результатов скорость роста пленки
+b GR
P
P
поликремния с одновременным легированием при парциальном давлении фосфина PH
рассчитывается из выражения
3
()
GR P =
PH
3
где GR – скорость осаждения пленки при
содержание фосфина в газовой среде реактора;
GR
, (4.25)
γ
1
= 0; γ – относительное
PH
3
– парциальное
SiH
4
давление силана; b – константа, зависящая от температуры
Таким образом, задавая технологические (температуру, парциальные давления компонентов газа в реакторе) и конструкционные параметры реактора, можно рассчитать скорость роста пленки поликремния в LPCVD-процессе, а путем варьирования этих параметров – определить оптимальные характеристики процесса осаждения.
Рекомендуемая литература
1. Холленд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. – М., Госэнер-
гоиздат, 1963.
Александров Л.Н. Процессы роста и структуры монокристалли-
2.
ческих слоев полупроводников. Ч. 1. – Новосибирск, Наука, 1988.
Иванов Р.Д. Катодный метод создания пленочных элементов
3.
микросхем. – М., Энергия, 1992.
Кинетика осаждения и свойства тонких высоколегированных
4.
поликристаллических пленок кремния, полученных методом пиролиза моносилана / Колешко В.М. [и др.] // Изв. АН СССР, сер. «Неорганические материалы». – Т. 13. – 1977. – № 6. – С. 941.
Ковалевский А.А., Некарюкин И.В., Рыжикова Н.Е. Комплекс-
5.
ная микроминиатюризация и повышение качества радиоэлектронной
аппаратуры. – Минск, МРТИ, 1976.
Колешко В.М., Ковалевский А.А., Некарюкин И.В. Влияние
6.
технологических факторов на величину поверхностного сопротивления поликристаллических пленок кремния // Электронная техника,
сер. «Материалы». – 1985. – Вып. 7. – С. 45.
Волькенштейн Ф. Ф. Физико-химия поверхности полупровод-
7.
ников. – М., Наука, 1973.
Шварц Н., Берри Р. Физика тонких пленок, Т. 2. – М.: Мир,
8.
1976.
49
9. Нечаев В.В., Турцевич А.С. Моделирование процесса осажде-
ния поликремния из газовой фазы. – Минск, БГУ, 1989.
http://avl.iatp.by/edu_progs.htm
Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материа-
10.
лов. – М.: Металлургия, 1993.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]