1.1. Проблемы автолегирования в процессе газофазной эпитаксии кремния.

В процессе автоэпитаксии кремния происходит неконтролируемое перераспределение легирующих примесей, размытие профиля их распределения, изменение концентрации носителей заряда и т.п. Явление неконтролируемого перераспределения примесей из подложки (или скрытого диффузионного слоя) в растущий эпитаксиальный слой называют автолегированием. Подобные процессы протекают при термообработке любой метастабильной микрогетерогенной системы , и являются наиболее важной проблемой при создании элементов ИС с субмикронными размерами. Очевидно, что уменьшение размеров элементов, увеличением плотности их компоновки требуют создания эпитаксиальных структур с резкими профилями распределения примесей [4-6].

Негативным последствием автолегирования является перераспре-деление примесей на границе "эпитаксиальный слой-подложка" и увеличение протяженности переходного эпитаксиального слоя (ПЭС), что отрицательно сказывается на характеристиках приборов. для биполярных транзисторов, традиционно использующих высокоомный эпитаксиальный слой на низкоомной подложке в качестве коллектора, такое размытие профиля распределения примесей скажется прежде всего на:

• величине пробивного напряжения перехода "база-коллектор", которое зависит от протяженности области x_f, и, следовательно, определяется величиной ПЭС при заданной толщине эпитаксиального слоя.

• размерах коллектора , и , следовательно, на величине сопротивления тела коллектора, быстродействии прибора и частотных характеристиках, поскольку постоянная времени

1/w_K = R_KC_K

Улучшение частотных характеристик и быстродействия биполярного транзистора требуют уменьшения размеров коллектора при оптимальной величине, т.е. уменьшения протяженности ПЭС между высокоомным эпитаксиальным слоем и низкоомной подложкой . Улучшение частотных характеристик полевых транзисторов КМОП ИС связано с увеличением времени жизни неосновных носителей заряда, а также с уменьшением паразитных емкостей, со снижением величины встроенного заряда, и, следовательно, со снижением влияния подложки и уменьшением величины переходного эпитаксиального слоя.

Для большинства биполярных приборов необходимо изменение концентрации легирующей примеси как минимум на два порядка в очень узкой переходной области. Для некоторых же биполярных приборов и для КМОП схем требуется изменение концентрации легирующей примеси в переходном эпитаксиальном слое на 3-4 порядка в очень узкой области переходного эпитаксиального слоя. Это может быть 0.3 мкм, и даже 0.1 мкм.. И если в настоящее время этот фактор не столь важен, то со временем его роль станет главенствующей. При этом важно, чтобы заданные профили распределения примеси можно было получить в "промышленных", а не лабораторных условиях.

Схематично можно выделить основные источники автолегирования:

1. твердотельная диффузия примеси из низкоомной подложки (или скрытого диффузионного слоя);

2. испарение примесей с поверхности сильно легированной подложки на стадии предэпитаксиальной термообработки и последующая их адсорбция в процессе роста эпитаксиального слоя на поверхности подложки;

3. десорбция примесей с обратной стороны низкоомной подложки и с ее боков;

4. десорбция неконтролируемых примесей со стенок реактора и с подложкодержателя.

Предотвратить поступление примеси со стенок реактора позволяет тщательная очистка его. Поверхность графитового подложкодержателя покрывают слоем пироуглерода, карбида кремния, высокоомного поли кремния ,чем предотвращается активная десорбция неконтролируемых примесей с его поверхности. И если от десорбции примесей с обратной стороны можно защититься, например, маскированием нерабочей стороны подложки слоем нитрида кремния, диоксида кремния или высокоомного поликремния, то источники 1 и 2 , дающие основной вклад в размытие профилей распределения примесей требуют особого внимания.

На рис.1.1, представлены графики распределения легирующей примеси в структурах p-p⁺, на которых штрихованные области соответствуют суммарному количеству примеси , перешедшей в растущий эпитаксиальный слой (для структур n-p происходит не сложение, а компенсация примесей).

Выделенный на рис.1.1 участок профиля распределения А связан с твердотельной диффузией легирующей примеси в растущий эпитаксиальный слой (источник 1),эта составляющая автолегирования носит названия вертикальной. Диффузионная, или вертикальная составляющая автолегирования приводит к искажению результирующего профиля распределения примесей непосредственно над легированным участком, например над скрытым слоем. Участок В (рис.1.1) соответствует примеси, испарившейся на стадии предэпитаксиальной термообработки, перенесенной в газовой фазе, и затем вошедшей в растущий эпитаксиальный слой (источник 2), эту составляющую называют горизонтальным автолегированием, поскольку, благодаря переносу примеси в газовой фазе, автолегирование происходит не только над локальным диффузионным слоем, но и на других частях подложки, и даже на других подложках, расположенных в реакторе.

Способы формирования тонких (микронных и субмикронных) эпитак-сиальных слоев связаны с двумя путями подавления автолегирования:

• с использованием низкого и ультранизкого давления в реакционной системе;

• со снижением температуры процесса и использованием методов нетермической активации, например, энергии лазерного излучения или энергии внешнего электрического поля.