Епітаксиальні нарощування плівок кремнію, безкоштовні курсові, реферати, дипломні роботи

Отримання таких плівок грунтується на методі епітаксіального нарощування, під яким мається на увазі орієнтований зростання кристалічного шару речовини на поверхні іншої кристала з відтворенням кристалічної орієнтації підкладки. При цьому характер розподілу легуючих домішок і дефектів в епітаксиальні шарі відіграє вирішальну роль у визначенні властивостей одержуваних на їх основі ІМС.

Для отримання таких плівок використовуються різні методи епітаксійного нарощування:

4) молекулярна (молекулярно-променева - МЛЕ) епітаксії

і деякі їх варіації.

Ідеальним є такий процес, який забезпечує однорідні, відтворювані результати при порівняно низьких температурах і дозволяє виготовляти плівки з досконалою структурою, продуктивний, економічний і безпечний.

При цьому вимоги, які пред'являються мікроелектронікою до епітаксіальним структурам, стосуються основних параметрів плівок:

1) мінімальні концентрації залишкових неконтрольованих домішок, присутніх під час росту плівки в газовій фазі;

2) відтворюваність концентрації легуючої домішки, що вводиться в газову фазу, а також рівномірності розподілу домішки в плівці;

3) строго досконалості вирощуваних плівок, тобто відсутності в їх обсязі точкових, лінійних, поверхневих дефектів і порушень періодичності їх кристалічної структури;

4) суворого досконалості і мінімізації перехідною області «підкладка-плівка»

5) забезпечення рівномірності товщини плівки по всій поверхні пластини.

Коливання не повинні перевищувати 10%.

Найбільш повно всім перерахованим вище вимогам відповідає метод газотранспортної епітаксії, який знайшов найбільш широке застосування в сучасній технології створення ІМС.

В даний час для епітаксійного нарощування кремнію використовуються в основному два процеси:

1) відновлення тетрахлориду кремнію воднем при температурі 1150-1200 ° С

2) термічний розклад силана при температурі »1050 ° С

Використання реакції (3.1) має суттєвий недолік порівняно з реакцією (3.2), так як обложений кремній вступає в оборотну реакцію з тетрахлорид кремнію з утворенням субхлоріда.

Це веде до подтравливания поверхні при великих концентраціях SiCl4. Реакція (3.З) в певному сенсі протилежна реакції осадження, а отже, швидкість росту епітаксіальної плівки є сума швидкостей цих двох процесів. Безумовно, що протікання процесів травлення поверхні при осадженні кремнію вкрай небажано і при епітаксиальні нарощування його виключають шляхом вибору температури нарощування, вихідної молярної концентрації SiCl4 в Н2 і швидкістю потоку водню.

Іншим найбільш істотним недоліком епітаксіального нарощування, властивим як методу відновлення тетрахлориду кремнію, так і методом розкладання силану, є взаємне проникнення в плівку і підкладку домішок, що містяться в підкладці і зростаючої плівці. Перерозподіл домішок при епітаксиальні вирощуванні різних структур, а також при подальших операціях тёрмообработкі є одним із важливих проблем при отриманні однорідних епітаксійних плівок з товщиною 1-1,5 мкм, що необхідно при створенні надвеликих і надшвидкісних ІМС з великою щільністю елементів.

Основними механізмами перерозподілу концентрацій домішок при епітаксії і операціях термообробки є:

1 взаємна дифузія у твердій фазі матеріалів шару і підкладки один в одного, а також домішок, що містяться в них;

2 перенесення домішки від задньої сторони підкладки в газову фазу і подальше вбудовування в зростаючий шар;

3 перенесення з верхньої сторони основи або епітаксійного шару після початку вирощування в газову фазу з подальшим зворотний включенням домішок в зростаючий шар;

4 перенесення домішки з верхньої сторони основи в газову фазу за рахунок того, що труїть поверхні на початку процесу і подальше її включення в зростаючу плівку (2-4-автолегірованіе).

В результаті такого дифузного перерозподілу початкове концентраційне розподіл домішок зазнає значних змін.

Слід зазначити, що характер зміни розподілу домішки в чому залежить від концентрації домішки в підкладці. Так, в разі сильно легованої підкладки розподіл концентрації експоненціально убуває від кордону підкладка-шар в обсяг шару. З огляду на, що в даний час використовуються епітаксіальні плівки, виражені на підкладках, що мають як високолеговані, так і низьколеговані області, то перерозподіл концентрації в епітаксіальної плівці над кожною з областей носить свій характер.

Одним з важливих моментів, що впливають на перерозподіл домішки в епітаксиальні шарі, є досконалість поверхні вихідної підкладки, оскільки будь-які неоднорідності підкладки відтворюються в плівці, що, в кінцевому рахунку, призводить до зміни коефіцієнтів дифузії домішок в прикордонному шарі епітаксіальна плівка-підкладка. Так, дослідження перерозподілів примесного профілю в результаті термообробки (Т = 1200 ° С, t = 45 хв) в шарах кремнію, вирощених на сильнолегованих миш'яком підкладках кремнію показали, що виміряні значення коефіцієнта дифузії легуючої домішки в області кордону в 3-8 разів перевищують значення в глибині шару. При цьому було встановлено, що аномально високі значення коефіцієнта дифузії викликані високою щільністю макродефектів, що виникають в шарі при епітаксії на сильно легованої підкладці. Для усунення даного явища зазвичай перед епітаксії проводять термообробку пластин при Т = 1200 ° С і травлення її поверхні в НС1, що в свою чергу підвищує роль автолегірованія (перенесення домішки з поверхні підкладки в газову суміш і подальше включення домішки в зростаючий шар) в процесі перерозподілу принеси в зростаючої епітаксіальної плівці. Так, при вирощуванні шарів відновленням SiСl4. навіть якщо вжити заходів, що обмежують дифузію з високолегованої підкладки, граничний шар товщиною 2-3 мкм майже завжди виявляється сильно легованих домішкою підкладки. Таким чином, процес автолегірованія є проблемою, специфічної для процесу епітаксії як з використанням методу відновлення тетрахлориду кремнію, так і при використанні методу розкладання силану, хоча в останньому випадку можна отримувати і різкі р + -р і n + -n переходи, ширина яких визначається в основному процесами дифузії в твердій фазі.

Для зменшення впливу дифузії з підкладки в зростаючий шар можуть бути використані два шляхи. По-перше, вибір матеріалу для легування підкладки, що має мінімальний коефіцієнт дифузії, наприклад, підкладки n-типу слід легувати миш'яком або сурмою. Інший шлях зменшення температури процесу епітаксійного вирощування і в зв'язку з цим вибір такого методу вирощування шарів, який дозволив би працювати при мінімальній температурі підкладки. Такі процеси дозволили б також запобігти і механізм автолегірованія, що, в кінцевому рахунку, дозволило б вирішити проблему отримання тонких епітаксійних шарів з товщиною 1 мкм і володіють рівномірним розподілом домішки по всій товщині. Прикладом такого процесу є використання двоступеневого процесу (з запалом), коли зародження шару ведеться при високій температурі, а основний процес ведеться при температурі 850 ° С. Такий процес дозволяє позбавиться від дифузії з підкладки в зростаючий шар, а при покритті зворотного боку підкладки SiО2 і графітового подложкодержателя SiC і від автолегірованія, використання такого методу дозволило отримати не сильно леговані епітаксіальні шари з шириною перехідної області епітаксіальна плівка-підкладка 0,1-0 , 2 мкм.

Однак використання двоступеневого процесу вимагає дуже тривалого часу для вирощування епітаксійного шару (кілька годин) через використання низької температури, що є великим обмеженням для використання його в серійному виробництві ІМС.

Таким чином, необхідний подальший пошук шляхів отримання тонких (1 мкм) епітаксійних шарів кремнію, що володіють рівномірним розподілом домішки по всій товщині і має мінімальну ширину перехідного шару епітаксіальна плівка-підкладка.

Схожі статті