1.4.2 Локальная эпитаксия кремния.

Улучшение характеристики создаваемых приборов, увеличение быстродействия интегральных схем, повышение пробивных напряжений, помехоустойчивости требуют совершенствовать методы изоляции активных элементов ИС. так замена операций разделительной диффузии на изоляцию элементов схем с применением локального окисления за счет снижения паразитных емкостей в 2-3 раза повысила быстродействие, уменьшила рассеиваемую мощность, улучшила частотные характеристики и пробивные напряжения приборов ,и сократила при этом площадь транзистора в 2-4 раза (при тех же проектных нормах). Наряду с этими достоинствами методы, основанные на локальном окислении, сопряжены с рядом недостатков [14]:

• повышенная дефектность структуры вблизи границы "кремний-оксид", наличие специфических дефектов типа "птичий клюв", влияние которых возрастает с уменьшением размеров элементов;

• продолжительность процессов окисления (до 14 часов при температурах 1273К и более) приводит к нарушению концентрационных профилей распределения легирующих примесей в структуре;

• большая площадь, занимаемая областями изоляции. Практически 80% площади транзистора приходится на области изоляции. И чем меньше становятся активные элементы, тем большая доля площади остается за областями изоляции.

Создать структуры с комбинированной изоляцией с минимальными размерами изолирующих областей, т.е. размер которых определяется только необходимыми пробивными характеристиками, возможно с использованием процессов локальной эпитаксии кремния. Ширина области изоляции между элементами может составлять 0.25 мкм [15] независимо от метода переноса изображения.

Локальная эпитаксия кремния - это процесс осаждения кремния из газовой фазы, при котором комплексом технологических условий обеспечивается ориентированный рост кремния только в местах свободных от маски при полном подавлении зарождения зерен поликремния на поверхности маски.*

(*термин локальная означает управляемое проведение процесса по заданной топологии, например за счет использования маски, в зарубежной литературе для этого процесса часто используется термин селективная, по-видимому характеризующий процесс с точки зрения энергетической неоднородности частично маскированной структуры).

Впервые процесс локальной эпитаксии был осуществлен в 1962 году авторами [16]. Процесс привлек широкое внимание исследователей , несмотря на целый ряд возникших трудностей [17-21], и прежде всего ограниченность зоны локального роста в сравнении с длинной рабочей зоны реакционной камеры, разрушение маски оксида кремния, и, как следствие, уход геометрических размеров топологических элементов. На поверхности маски спонтанное зарождение поликремния оставляло лишь узкую зону вокруг окон в маске , свободную от поликристаллов, что было названо "ленточным эффектом". Скорость роста в центре окна существенно отличалась от скорости процесса на периферии, приводя к образованию так называемых "краевых эффектов" - гребней, при наличии которых и не могло быть речи о последующих технологических операциях фотолитографии. Все это означало , что для практического использования процесса локальной эпитаксии в технологии ИС необходимо было:

• обеспечить условия локального роста по всей длине рабочей зоны реакционной камеры;

• добиться равномерности скорости роста локального автоэпитаксиального слоя (ЛАЭС) кремния по пластине независимо от размеров топологических элементов и от степени маскирования;

• обеспечить равномерность скорости роста по окну в маске диэлектрика, предотвращая образование "краевых эффектов", и добиться улучшения морфологического и структурного совершенства локальных слоев.

Основным фактором , позволяющим локализовать рост монокристаллического кремния в местах , свободных от маски, является разница в энергиях образования критического зародыша на поверхности кремния и маски [2, 18].Так для нитрида кремния и для оксида кремния энергии образования критических зародышей на два порядка превышает соответствующую величину для поверхности кремния (0.032 эВ). Однако указанные энергетические преимущества реализуются в условиях близких к равновесию, поэтому величину отклонения реального выхода кремния от его выхода в равновесных условиях b, было предложено использовать в качестве критерия возможности осуществления локального роста [21]. При этом пересыщение определялось как разница отношения n_Si / n_Cl в исходной ПГС и равновесного отношения n_Si / n_Cl.

По методам обеспечения необходимого пересыщения в газовой фазе все известные разработки в этой области можно разделить на несколько групп:

• к первой группе относятся работы, где заданное пересыщение обеспечивается за счет поддержания в ПГС [SiCl₄+H₂] концентрации тетрахлорида кремния менее 1% ;

• во второй группе в той же ПГС концентрация SiCl₄ поддерживается на уровне 10%;

• следующая группа работ, отличается от первых двух тем, что в ПГС вводится контролируемое количество газообразного HCl;

• заданное пересыщения в газовой фазе может быть достигнуто и другими способами, например, снижением давления в реакционной системе, или частичной заменой газа-носителя водорода инертным газом;

По мере продвижения ПГС по реакционной камере происходит ее обеднение кремнийсодержащим компонентом, например SiCl₄, и постепенно обогащается HCl в результате реакции

SiCl₄ + 2H₂ ® Si + 4HCl,

что отражено в зависимостях скорости роста кремния по длине рабочей зоны. При этом для первой группы при концентрации тетрахлорида кремния в исходной ПГС менее 1% резкое изменение в составе ПГС может привести к тому, что в реальных условиях неизотермичного реактора на части пластин окажется возможным не только локальный рост, но и локальное травление. При увеличении концентрации SiCl₄ до 10% и выше, увеличение пересыщения частично компенсируется выделением хлористого водорода, характер зависимости скорости роста по длине рабочей зоны изменяется, хотя при этом увеличения протяженности рабочей зоны реактора не достигается.

Введение в ПГС контролируемого количества хлористого водорода значительного изменения пересыщения не происходит, так как количество HCl, выделяющееся в результате химического взаимодействия SiCl₄ и Н₂ будет несущественным в сравнении с введенным в ПГС. При этом по всей длине реакционной камеры могут быть обеспечены условия локального роста.

Независимо от того, какой кремний содержащий компонент введен в исходную ПГС, все рассмотренные варианты не выходят за рамки системы Si-H-Cl, и для заданного состава ПГС и данной температуры термодинамически могут быть описаны единственным образом. Даже при использовании SiH₄, вводимое в ПГС количество HCl так велико, что обеспечивается соотношение Cl/H более 0,02.

Зависимость скорости роста кремния от площади открытых участков на частично маскированной поверхности стала серьезным препятствием на пути реализации планарных ЛАЭС. Экспериментально установлено, что скорость локального роста тем выше, чем меньше площадь открытого кремния и наоборот. Кроме того, при одних и тех же размерах окон в маске диэлектрика скорость роста изменяется с изменением соотношения общей площади кремния и маски, т.е. с изменением степени маскирования. Некоторые исследователи [22] объясняют происхождение таких различий с точки зрения доставки атомов кремния в окно, где происходит рост, из газовой фазы непосредственно над окном и на расстоянии до 6а от окна , где а - радиус окна в маске. На основании чего, получены граничные значения степени маскирования , ниже которой описанная зависимость не сохраняется.

Граничные значения степени маскирования поверхности кремния

Таблица 1.3

Геометрия маски	Круглые окна в узлах треугольной сетки	Круглые окна в узлах квадратной сетки	Окна прямоугольные р=а/в	Квадратные окна р=1	Параллельные полосы
граничное значение S/S	45	39	30/р +6	36	6

где р=а/в - соотношение длин сторон прямоугольника.

Полученные авторами [23] зависимости скорости локального роста от толщины маскирующего диэлектрика и степени маскирования поверхности подложки для различных пересыщений в газовой фазе свидетельствуют о том, что чем меньше пересыщение b, тем меньше сказывается влияние маски. Однако при доле открытого кремния менее 20% избежать падения скорости в процессе роста невозможно. При использовании толстого маскирующего диэлектрика, или при заполнении глубоких канавок , необходимо помнить о непрерывном изменении степени маскирования по мере проведения процесса.

Очевидно, что для практического использования ЛАЭС в качестве активных областей ИС необходимо морфологическое и структурное совершенство локальных слоев близкое к совершенству сплошных эпитаксиальных слоев. И если структурное совершенство ЛАЭС в центре окна в маске не уступает, а порой и превосходит структурное совершенство тотальных эпитаксиальных слоев, выращенных в тех же условиях, по проблема качества локального слоя на границе кремния с маской остается открытой. В этой области плотность дефектов упаковки достигает порой 10 4 см^-2, и на величину ее оказывают влияние следующие факторы:

• материал маски и метод ее формирования;

• конфигурация маски и ее размеры;

• кристаллографическая ориентация подложки и кристаллографическая ориентация краев топологических элементов маски;

• режим проведения процесса.

К материалу маскирующего диэлектрика предъявляется прежде всего требование стабильности исходного состава, структуры и поверхностных свойств диэлектрика как на стадии предэпитаксиальной термообработки, так и при последующей локальной эпитаксии. Деструкция материала маски вызывает загрязнение растущего слоя, вследствие чего резко возрастает плотность дефектов кристаллической структуры на границе ЛЭС и маски, и приводит к появлению на поверхности диэлектрика дополнительных центров зарождения поликремния , а также к щелевому растравливанию структуры.

В определенной степени указанным выше требованиям удовлетворяют пленки SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃ (а также Mo, W, Ni). Наиболее простым способом маскирования в планарной технологии является термическое окисление, поэтому чаще всего в качестве маскирующего диэлектрика используют аморфный SiO₂. Однако его применение сопряжено с возможностью разрушения маски оксида кремния при высоких температурах процесса:

SiO₂ + Si ® 2SiO

SiO₂ + 2H₂ ® Si + 2H₂O

SiO₂ + H₂ ® SiO + H₂O,

термодинамическая возможность протекания которых показана авторами [24].

Необходимо помнить , что образующийся при термическом окислении SiO_X имеет х<2 и далек от стехиометрического состава, а взаимодействие его с кремнием в процессе локальной эпитаксии еще более снижает значение х. Преодолеть это затруднение позволяет использование более стабильных по отношению к кремнию и к агрессивной среде материалов, например нитрида кремния, использование которого однако не освобождает от ограничений, связанных с возможностью зародышеобразования на поверхности маски, также как и при использовании других маскирующих материалов [21]. Нитрид кремния обладает в сравнении с оксидом кремни более высокой температурной стабильностью в атмосфере водорода (реакции начинаются уже при Т>850^оС, а для нитрида кремния предел Т»1473 К). Плотность центров зародышеобразования на поверхности Si₃N₄ при этом оказывается выше в 8-10 раз (рис. ), а на границе Si₃N₄ - Si механические напряжения значительнее чем на границе SiO₂ - Si. Известен целый ряд методов подавления зародышеобразования на поверхности маскирующего диэлектрика:

• наложение кремниевой пластинки толщиной 0,2 мкм, отверстия в которой совпадают с окнами в маске диэлектрика, что нетехнологично по своей сути;

• предварительную термообработку маскирующего слоя при температуре большей, чем температура предыдущей эпитаксии, что несмотря на кажущуюся простоту не всегда эффективно, так как возможно разрушение маски диэлектрика и усиление автолегирования;

• ограниченное окисное маскирование, использующее «ленточный эффект», что приводит к увеличению возможных топологических конфигураций и поэтому неприемлемо для широкого использования;

• введение в ПГС контролируемого количества галогеноводородов, чем обеспечивается снижение пересыщения в газовой фазе и подавление гомогенного зарождения кремния;

• использование постоянного внешнего электрического поля, которое при приложении отрицательного потенциала к поверхности частично маскированной подложки наряду с подавлением зародышеобразования по поверхности маски приводит к увеличению «краевых эффектов».

Качество ЛАЭС, кроме того, связано с формой боковой поверхности маски SiO₂. При увеличении угла наклона маски от 45^о до 82^о происходит снижение плотности структурных дефектов и при угле наклона 82^о достигаются наиболее высокие значения коэффициентов усиления и пробивного напряжения p-n-переходов биполярных транзисторов, сформированных в области ЛАЭС. В целом результаты исследований свидетельствуют о том, что минимальная плотность дефектов может быть достигнута при угле наклона боковой поверхности маски больше 90^о.

Устойчивая зависимость качества ЛАЭС от геометрии маски и кристаллографической ориентации ее топологических элементов была выявлена еще на ранних стадиях исследование процесса локальной эпитаксии. Планарность ЛАЭС ухудшается в направлении от кристаллографической ориентации (110) и (100) к (111). Улучшение четкости литографического рисунка происходит от (111), (100) и (110) к (115). При этом соотношение скоростей локальной эпитаксии:

V₁₁₁:V₁₁₀:V₁₁₅:V₁₀₀ = 1:1.3:1.9:2.2

не соответствует соотношению поверхностных энергий

E₁₁₁ = 1230 эрг/см²

E₁₁₀ = 1510 эрг/см²

E₁₁₅ = 1600 эрг/см²

E₁₀₀ = 2130 эрг/см²

Изменением только кристаллографической ориентации топологичес-ких элементов маски можно снизить плотность дефектов упаковки на два-три порядка, наименьшая плотность дефектов кристаллической структуры соответствует ориентации подложки <110>.

Развитие процесса локальной эпитаксии в настоящее время сделало новый шаг в направлении трехмерных структур, а именно, использование ЛАЭС в качестве зародышей для последующего горизонтального разращивания слоев по поверхности диэлектрика и создания структур кремний на диэлектрике (КНД).