1.4. Процессы эпитаксии в технологии приборов и схем.

1.4.1. Проблемы формирования толстых эпитаксиальных слоев.

К толстым эпитаксиальным слоям относят слои, имеющие толщину 35-100 мкм и даже более. Основное применение таких эпитаксиальных структур - мощные приборы, например транзисторы. Поскольку напряжение пробоя перехода "коллектор-база" зависит от протяженности области X_f, то создавая толстые эпитаксиальные слои, при условии подавления автолегирования, можно увеличить это напряжение пробоя до 1000 В.

Если процесс выращивания такого слоя протекает в тех же условиях , что и для тонких эпитаксиальных слоев , используемых для интегральных схем, и имеющих толщины до 10 мкм, т.е. в условиях когда средняя скорость роста составляет от 0.1 до 1.5 мкм/мин ,то оказывается , что количество дефектов и неоднородностей кристаллической структуры растет пропорционально увеличению толщины эпитаксиального слоя. В частности, толщины эпитаксиального слоя по периметру подложки получается гораздо больше, чем в центральной ее части. Этот дефект, называемый "эффектом короны", является причиной сильных механических напряжений в подложке . Возникающие напряжения могут оказаться столь значительными , что при охлаждении подложки произойдет ее разрушение. С другой стороны, неравномерность толщины эпитаксиального слоя (непланарность структуры) отрицательно сказывается на последующих операциях фотолитографии.

Экспериментальные исследования показали, что с увеличением скорости роста "эффект короны" уменьшается. Для парогазовых смесей [SiH₂Cl₂+H₂] и [SiHCl₃+H₂] при скорости роста 3 мкм/мин "эффект короны" полностью исчезает.

Однако, если скорость выделения кремния в результате гетерогенной реакции превышает скорость встраивания атомов, то резко увеличивается плотность дефектов кристаллической структуры, таких как дислокации , дефекты упаковки и др.

Для подложек разориентированных от точной кристаллографической ориентации (111) на 0.5^o при температуре 1473 К критическая скорость роста составляет 1.5 мкм/мин. Очевидно, что слои выращенные со скоростью 3 мкм/мин по своему кристаллическому совершенству могут оказаться совершенно непригодными для последующего использования .

Преодолеть эту проблему позволяет тот факт, что возникновения дефектов кристаллической структуры в процессе эпитаксии зависит главным образом от качества подготовки поверхности подложки (сравните с формированием тонких слоев) и условий проведения начальных стадий роста. на этом принципе основаны двухстадийные (или циклические) процессы, в которых после высокотемпературной предэпитаксиальной термообработки в течение 1-го периода , не превышающего 2 мин, слой выращивают со скоростью менее 1 мкм/мин , переходя ступенчато ко второму периоду со скоростями роста более 2.5 мкм/мин. В таком процессе эпитаксиальный слой имеет равномерную толщину, минимум механических напряжений, что позволяет сохранить большее количество пластин годными (скорость охлаждения здесь обычно не превышает 20-40 град/мин). Кроме того, в таком процессе не происходит значительного увеличения плотности дефектов кристаллической структуры с увеличением толщины растущего слоя.

Для мощных транзисторов важно также определенное значение удельного сопротивления толстого эпитаксиального слоя. Применение описанного выше двухстадийного (или циклического) процесса с высокой скоростью роста на второй стадии позволяет получить слои n-типа проводимости с удельным сопротивлением 45-50 ОмЧсм, и p-типа с удельным сопротивлением до 80 ОмЧсм, т.е. с достаточно высокими значениями r. При толщине эпитаксиального слоя, образующего базу транзистора, 50 мкм такой прибор может выдержать пиковые напряжения от 900 до 1000 В.

Использование парогазовой смеси [SiH₄+HCl+H₂] позволяет еще больше увеличить скорость процесса. На рис. приведены зависимости скорости роста от парциального давления для различных соотношений P_HCl/P_SiH4 при постоянной температуре процесса 1150^oС.

При использовании в качестве источника кремния дихлорсилана убедились, что увеличение концентрации более 1% приводит к резкому ухудшению качества эпитаксиальных слоев. Однако при концентрации SiH₂Cl₂=1% мол. скорость роста составила 3 мкм/мин. Ими был предложен новый вариант двухстадийного процесса, в котором на второй стадии после формирования начального тонкого эпитаксиального слоя с невысокой скоростью роста осуществляется поэтапное ступенчатое повышение концентрации дихлорсилана и скорости потока до 30-50 см/с, так что даже при скорости роста 12-15 мкм/мин формируется монокристаллический слой. Если на первой стадии концентрация SiH₂Cl₂=0.5%, то скорость потока составляла 5 см/с. На второй стадии условия роста изменялись от C_SiH2Cl2 =1% и 10 см/c к 2% и 25 см/с и до 3% и 50см/с. Максимально возможное значение скорости ориентированного роста, известное из литературы [3], составляет 40 мкм/мин, однако максимальная скорость ориентированного роста оказывается тесно связанной с температурой процесса и этот результат теоретически не является пределом.