Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике

211

В представленной на рисунке установке для выделения кремния и легирующей примеси (бора) используется реакция восстановления,

причем источники кремния (SiCl4 ) и примеси (BBr3 ) - жидкие. Уст-

ройство газораспределения (на схеме не показано) обеспечивает подачу газов, необходимых для выполнения полного цикла обработки: водорода, выполняющего роль реагента, а также газа-носителя для транс-

портировки паров SiCl4 и BBr3 ; азота, применяемого для продувки системы; хлористого водорода для травления пластин; углекислого газа для получения пленки SiO2 на поверхности эпитаксиальной плен-

ки. Каждый из газов подается из баллона по отдельной магистрали, содержащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр, ротаметр (для измерения расхода газа) и клапан с электромагнитным управлением.

Основные реагенты в поток газа-носителя подаются в основном барботажным методом и испарением с поверхности. При барботировании (см.рис.10.4) газ-носитель пропускают через жидкость для насыщения ее парами. В источниках испарительного типа газ проходит над поверхностью жидкости и захватывает ее пары. Источники размещены

втермостатах, позволяющих поддерживать температуру с точностью

±1 оС. Поскольку расход водорода значителен, во избежание выброса испаряемой жидкости по магистрали в сторону камеры реактора в источник подают лишь 2-5 % всего количества водорода, а на выходе из источника (в общей магистрали) концентрированная смесь разбавляется основным потоком.

Реакторы могут быть вертикальными и горизонтальными. В вертикальных реакторах, имеющих осевую симметрию конструкции, легче получить симметрию температурного и газодинамического полей, что при многоместной обработке обеспечивает воспроизводимость результатов.

Температура, необходимая для гетерогенной реакции, создается непосредственно на поверхности пирамидального держателя пластин,

вто время как стенки реактора остаются относительно холодными. Это достигается за счет индукционного или резистивного нагрева держателя и водяного охлаждения стенок реактора. Через медную трубку индуктора также пропускают воду. Пирамиду-пластинодержатель, выполняют из высокочистых сортов графита, покрытого (во избежание

загрязнения реактора) карбидом кремния. Для создания идентичных условий осаждения грани пирамиды имеют наклон5-7о. Предусматривается также возможность вращения пирамиды. Контроль температуры пластин осуществляется фотопирометром, установленным вне ре-

213

за. В диапазоне температур 800-1350 оС точность поддержания и замера температуры составляет ±5о. Скорость потока газа в реакторе эпи-

таксиального наращивания должна быть достаточно высокой с ,тем чтобы по ходу движения газа не происходило значительного обеднения газовой смеси и снижения скорости осаждения. Оптимальная ско-

рость потока при реакции восстановления SiCl4 10-50 см/с, а при ре-

акции разложения SiH 4 30-50 см/с. Для обеспечения условий протека-

ния реакции на подложке, а не в объеме реактора концентрация SiCl4

в потоке газа-носителя не должна превышать0,5-1 %, а концентрация силана поддерживается равной 0,05-0,1 %. При этих условиях обеспечивается скорость роста эпитаксиальной пленки от0,2 до 2 мкм/мин. Внедрение автоматической системы управления установками эпитаксиального наращивания обеспечивает выход годных эпитаксиальных структур по толщине и удельному сопротивлению с технологическим разбросом ±5 %.

Контроль эпитаксиальных слоев

Основными параметрами, определяющими пригодность эпитаксиальных слоев для изготовления интегральных схем, являются тип проводимости, удельное сопротивление, толщина, распределение примесей и плотность дефектов.

Для определения толщины эпитаксиальных слоев применяют широко известные методы косого и сферического шлифов, а также метод интерференции инфракрасных лучей (ИК-лучей).

Метод интерференции ИК-лучей основан на их отражении от поверхности эпитаксиального слоя и подложки. Отражение инфракрасных лучей в диапазоне длин волн10-30 мкм происходит не только от поверхности эпитаксиального слоя, но и от границы раздела слой-под- ложка вследствие различия оптических констант (показателей преломления) слоя и подложки, содержащих различную концентрацию примесей. По картине интерференции отраженных лучей судят о толщине эпитаксиального слоя. Хорошие данные получаются, если сопротивление эпитаксиального слоя выше 0,1 Ом×см, а сопротивление подложки ниже 0,02 Ом×см. С увеличением концентрации примеси в слое возрастает поглощение ИК-лучей, с уменьшением концентрации примеси в подложке растет пропускание ею ИК-лучей, что ведет к уменьшению отражения на границе.

214

Разность хода лучей d , отраженных от эпитаксиального слоя и подложки, определяется толщиной слоя h , показателем его преломления n и углом преломления j

d = 2nh cosj .

Наблюдая интерференционную картину и измеряя разность хода лучей, вычисляют толщину пленки. Неоднородность слоя по толщине приводит к ухудшению контрастности интерференционной картины.

Плотность дефектов эпитаксиальных слоев определяется выявлением их с помощью специальных химических травителей. Так как дефекты упаковки зарождаются преимущественно на границе подложка - эпитаксиальный слой и образуют правильные тетраэдры, то высота этих тетраэдров равна толщине эпитаксиального слоя. При ориентации подложки по плоскости (111) основанием тетраэдров является равносторонний треугольник. Плотность дефектов определяется простым подсчетом их на единице поверхности слоя.

Удельное сопротивление эпитаксиальных слоев, если они образуют с подложкой p - n переходы, измеряется широко известными че-

тырехзондовым или двухзондовым методами. Для контроля эпитакси-

альных слоев, образующих с подложкой контакты типаn - n+ и p - p+ , применяют трехзондовый метод.

Измерение распределения концентрации примеси в эпитаксиальных слоях проводят путем последовательного удаления тонких слоев и определения проводимости с помощью четырехзондового метода для слоев противоположного с подложкой типа проводимости или метода вольт-фарадной характеристики для слоев одного с подложкой типа проводимости.

11. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

11.1. Диэлектрические слои для полупроводниковых ИМС

Диэлектрические пленки широко используются в технологии интегральных микросхем для различных целей:

-маскирование при диффузии и ионном легировании, окислении и травлении;

-изоляция приборов в схеме, контактов и межсоединений;

-в качестве подзатворного диэлектрика в МДП ИС;

-пассивация поверхности интегральных структур.

215

Для получения диэлектрических слоев диоксида кремнияSiO2 ,

наиболее широко применяемого в полупроводниковых ИМС, используют методы:

-термического окисления;

-пиролитического осаждения;

-плазменного и электролитического анодирования;

-ионного распыления.

Второй диэлектрик, используемый в полупроводниковой технологии, нитрид кремния Si3 N4 получают пиролитическим осаждением

и ионным распылением. Так как наиболее широкое применение нашел диоксид кремния, полученный термическим окислением, рассмотрим физико-химические основы этого метода.

11.2. Термическое окисление кремния

Механизм роста окисла и кинетика окисления

Особенности роста пленки и кинетики окисления кремния определяются структурой и свойствами пленкиSiO2 . Окисел обладает открытой пространственно-полимерной структурой с прочными связями º Si - 0 - Si º . Это один из лучших диэлектриков с шириной запрещенной зоны более 8 эВ. Рост окисла происходит в атмосфере сухого кислорода или паров воды согласно реакциям

Si + O2 ® SiO2

Si + 2H2O ® SiO2 + 2H2 .

При этом происходит перераспределение валентных электронов между кремнием и кислородом и образуется ковалентная связь между атомами. Рост окисла сопровождается перемещением границы двух

фаз Si - SiO2 в глубь полупроводника. Однако происходящее при этом расширение объема приводит к тому, что внешняя поверхность SiO2 не совпадает с первоначальной поверхностью кремния (рис.11.1).

Если учесть значение плотности и молекулярной массыSi и SiO2 , то рост пленки SiO2 толщиной x происходит за счет кремния толщиной 0,44 x , т.е. можно считать, что толщина окисла примерно в два раза больше толщины поглощаемого им кремния.

217

На рис.11.2 показана модель термического окисления, описываемая тремя потоками окислителя:

1) массоперенос окислителя через внешнюю границу растущего окис-

частиц Ci и C0

C*

Ci = k + kx +1 ; (11.5) h D