Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий. Учебно-методическое пособие
.pdf
ГЛАВА 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, которая
лежит 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 ориентации (110) и (100) достига-
51
ется при температуре 1223 и 1348 К и существенно 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 поликристаллического
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, за счет которого на поверхности формируемого поликристаллического кремния образуются дефектные области, представляющие собой активные центры в виде
ступенек.
52
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)
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, а 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 толщин (0,6…5 мкм) и отношениях
В/Si в газовой фазе (0,7…2,2)⋅10
–3
преобладающее 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).
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
толщин средний размер зерна значительно меньше толщины пленок
поликристаллического кремния. На пленках толщиной 4…5 мкм, полученных при температуре 1073 К, размер зерна не превышает
мкм. Если нелегированные пленки характеризуются равномерной
0,3
зернистостью с четко выраженными границами отдельных кристаллов, то введение легирующей примеси в реакционную смесь приводит к значительным изменениям в 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.
53
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
54
си в соотношении атомов B/Si = 2,2⋅10
-3
при прочих равных условиях
приводит к уменьшению размера зерна до 0,2 мкм. Изменение соотношения B/Si в газовой смеси от 0,17⋅10
-3
до 2,2⋅10-3 не оказывает
заметного влияния на особенности морфологии поверхности и величину размера зерна.
По мере увеличения толщины пленки растет упорядочение струк-
туры и увеличивается размер зерна (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Размер зерна в зависимости от температуры и толщины пленки
Т
, К
п
973 0,05 – – –
1023 0,05 – 0,1 –
1123 – – 0,3 0,6
1223 – – 0,4 0,8
1323 0,15 0,25 – 1,2
1373 0,3 0,4 – 1,5
0,5 1 5 15
Толщина пленки, мкм
Размер зерен, мкм
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 (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
10
18
моль/см
2
плотность зародышей при температуре 1273 К возрас-
16
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
55
осаждения наблюдается преимущественная ориентация (111). Волокнистая структура сохраняется до концентрации мышьяка и фосфора 10
19
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,
4
существенно зависит от основных технологических факторов (см.
рис. 5.1). Например, анализ экспериментальных данных показывает,
что размер зерна с уменьшением скорости общего газового потока
уменьшается, а при скорости ≥ 60 л/мин остается постоянным и равным 0,5 мкм. По-видимому, при скоростях газового потока ≥ 60 л/мин
пересыщение превышает критическое значение. При таком условии
образуются зародыши приблизительно одинакового размера и до определенного момента число их увеличивается 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 зе-
рен 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
мкм. Очевидно, имеет место недостаток питающего вещества из
3…4
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 улуч-
шается 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 получались на слое
, полученном термическим окислением кремниевой пластины.
SiO
2,
56
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
2
3N4
, а не
ближающиеся по 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 СВЧоблучений 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
Термообработка при
температуре 1523 К
Электронное облучение
при мощности потока
5 кэВ
Среда Воздействие
О
Не Н2
2
+ 15
+ 16 ч 0,8
+ 5
+ 3
+ 5 мин 0,8
+ 1,5
Длительность
воздействия
Максималь-
ный 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
57
степень рекристаллизации в присутствии кислорода объясняется тем,
MF
dt
Q
kT
что ее движущей силой является уменьшение энергии границ зерен
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 увеличению скорости рекристаллизации.
Напротив, гелий, как инертный газ, не оказывает такого воздействия.
Экспериментально установлено, что термообработка поликристаллических пленок кремния толщиной 10 мкм и 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; 30 и
и водородной – 5; 30; 65 и 0 % соответственно.
5 %
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:
dr
=Δ, (5.1)
где r – средний радиус зерна; M – атомная подвижность границы
зерна; ΔF – «движущая сила» роста зерна.
В термодинамическом представлении подвижность зеренной границы есть активационный процесс:
58
MM
=⋅ −
exp
0
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
, (5.2)
где Q – энергия активации перехода атома в соседнее положение,
r
γ
rt r M t
⎡
γ
⎢⎥⎣
+
v
C
kT
которое в конечном счете, определяет миграцию границы «зерна»,
M
– константа, связанная с изменением энтропии, сопровождающим
0
такое скачкообразное перемещение атома.
В модели роста зерна, обусловленном движении дислокаций,
движущая сила ΔF определяется уменьшением энергии границы зерна, так что
F
Δ=α, (5.3)
где γ – средняя энергия границы зерна, r – радиус зерна, α – константа.
Полагая, что M не зависит от времени, и подставляя (2) и (3) в (1),
получаем
22
0exp2
−=⋅−⋅α
() ( )
0
Q
()
kT
⎤
, (5.4)
⎦
где t – время, а r(0) – начальный размер зерна.
Кинетическая модель подвижности границы зерна
В
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 подвижность границ зерен
где M
– подвижность, обусловленная скольжением дислокаций, M2 –
1
М=М
М , (5.5)
12
восхождением дислокаций.
Величина M
концентрацией вакансий
описывает активационный процесс, определяемый
2
:
ω
MKC
2
exp
=−
()
v
, (5.6)
где ω – энергия активации, равная высоте энергетического барьера,
разделяющего атом кремния и вакансию, K – температурнонезависимая константа.
59
Величина ω зависит от концентрации примесей в объеме зерна
p
⎡
⎢
⎣
e
M
i
M
e
MM
e
MMC kT
k
vi
C
q
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 раздала и границе кристаллита используется теория терморавновесной сегрегации для металлических систем. Отношение
концентрации примеси в кристаллите к общей концентрации N
зада-
t
ется соотношением
1
N
NLN kT
AQ C
g
=+
t
S
ex
Si
⎛⎞
0
⎜⎟
⎝⎠
−
⎤
, (5.7)
1
⎥
⎦
где N
– атомная плотность кремния, Qs = 2,64⋅1015 см–2 – поверхно-
Si
стная плотность узлов на границе кристаллита поликремния, на которых может сегрегировать примесь.
Энергия активации, одинаковая для фосфора и мышьяка, составляет 0,456 эВ, L(t) = 2r – размер зерна поликремния. Безразмерный
множитель А равен 3,02 для мышьяка и 2,46 – для фосфора при одной концентрации 2⋅10
Поскольку вклад (M
19
cм–3.
– Mi) диффузионного компонента в М, обу-
e
словленного легированием и, следовательно, повышением концентрации вакансий, определяется только добавкой, определяемой ме-
ханизмом восхождения дислокации, то (
M
e
1
=+
MM
ii
−
22
–
)
2
2
i
, (5.8)
где индексы e и i относятся соответственно к легированному и неле-
гированному кремнию.
Подставляя (5.6) в (5.8) (с учетом индексов e и i), получаем
CC
где
=−
vi v i
′
– энергия образования вакансии на границе зерна в собственном
MKCC
exp
0
()
⎛⎞⎛⎞
1exp
=+ −
iivi
′
q
T
vi ve e
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
,
– предэкспоненциальный множитель,
0
ω
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
, (5.9)
кремнии.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]