Заглумин П.А. Дипломный проект.

Литературный

обзор.

Актуальные вопросы газофазной эпитаксии кремния.

Актуальные вопросы газофазной эпитаксии кремния.

Автоэпитаксия кремния в настоящее время является неотъемлемой частью технологического процесса изготовления практически всех типов биполярных ИС, значительной доли (до90%) дискретных мощных приборов и почти трети современных ,МОП ИС. При этом многие структуры, создаваемые при помощи эпитаксии, другим путем создать невозможно [2].

Эпитаксия - процесс ориентированного роста одного кристалла на поверхности другого, таким образом что растущий кристалл закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющегося кристалла - подложки. При этом возникает переходный эпитаксиальный слой, способствующий когерентному срастанию двух решеток [3].

Промышленные методы формирования автоэпитаксиальных слоев (АЭС) кремния основаны на реакционной конденсации кремния из газовой фазы, при этом в качестве исходных соединений используют тетрахлорид кремния SiCl₄ ,трихлорсилан SiHCl₃, дихлорсилан SiН₂Cl₂ ,моносилан SiH₄ и даже дисилан Si₂H₆ , а в качестве транспортирующего газа водород, либо один из инертных газов или их смеси.

Важнейшими параметрами эпитаксиальных слоев являются их толщина и удельное сопротивление, однородность толщины и удельного сопротивления по пластине, воспроизводимость этих параметров от пластины к пластине , и от процесса к процессу. Кроме того , степень кристаллического совершенства, характеризующаяся плотностью дефектов кристаллической решетки. При переходе к субмикронным размеров элементов ИС, уменьшении толщины эпитаксиальных слоев ужесточаются требования к характеру распределения легирующих примесей по глубине эпитаксиального слоя, что также требует его контроля.

Указанные параметры эпитаксиального слоя влияют непосредственно на характеристики приборов - на емкость перехода "эмиттер-коллектор" биполярных транзисторов, на толщину базы и коллектора, на величину сопротивления коллектора, на время жизни неосновных носителей заряда, и, следовательно, на быстродействие приборов.

Для характеристик создаваемых приборов особое значение имеют однородность эпитаксиального слоя по толщине , по удельному сопротивлению ,его кристаллическое совершенство.

Улучшение характеристик интегральных схем связано с решением проблем автолегирования, со снижением температуры процесса, например за счет реализации комбинированной и полной диэлектрической изоляции приборов и разработки процессов гетероэпитаксии кремния и способов создания структур "кремний на диэлектрике".

Температурная зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев позволяет выделить две области , которые будут отличаться друг от друга тем, какая из перечисленных элементарных стадий гетерогенного процесса окажется наиболее медленной, т.е. лимитирующей. Очевидно, соотношение между скоростями элементарных стадий сказываются на результатах процесса эпитаксии. если скорость доставки атомов кремния оказывается больше скорости поверхностной диффузии, возникает большое количество дефектов кристаллической структуры, так как диффундирующие по поверхности атомы не успевают найти наиболее энергетически выгодное положение. С точки зрения качества и однородности эпитаксиальных слоев оптимальным считается режим диффузионный, т.е. когда лимитирующей стадией является доставка реагентов к поверхности. В этой области экспериментальных условий скорость процесса зависит главным образом от скорости газового потока , газодинамических условий в системе. Энергия активации процесса в этой области составляет примерно 4-12 кДж/моль.

В кинетической области скорость процесса сильно зависит от температуры процесса, концентрации реагирующих веществ, и строго пропорциональна площади реагирующей поверхности. Энергия активации процесса в этой области по данным разных авторов составляет 155-167 кДж/моль. Лимитирующей стадией в этой области экспериментальных условий предполагается либо диссоциативная адсорбция трихлорсилана , либо разложение SiCl₂ (или SiH₂) на поверхности, либо десорбция водорода с поверхности. Вероятно, что в различных экспериментальных условиях это действительно оказывается возможным. Так при низких температурах процесса водород, адсорбированный на поверхности, блокирует центры адсорбции и препятствует поверхностной диффузии других адсорбированных частиц. Снижение давления в системе при неизменной температуре (или повышение температуры) позволяет избавиться от этого, и повысить тем самым качество растущих эпитаксиальных слоев.

Единой теории, единой модели, позволяющей с высокой достоверностью прогнозировать результаты процесса эпитаксии кремния из газовой фазы в настоящее время нет, однако принципиальный ответ на возможность протекания процесса в целом дает термодинамический анализ системы. Различие современных теорий роста заключено главным образом в различной степени учета неравновесности процесса.

Наиболее актуальными проблемами, связанными с выращиванием эпитаксиальных структур, являются:

• формирование толстых эпитаксиальных слоев для силовой электроники;

• создание эпитаксиального слоя не по всей поверхности подложки а лишь на заранее определенных участках;

• вырастить эпитаксиальные слои кремния на поверхности объемного или тонкопленочного диэлектрика;

• создать трехмерные, многослойные гетероэпитаксиальные структуры. и т.д.

• формирование тонких эпитаксиальных слоев для схем большой степени интеграции.