Недостатки хлоридного процесса ЎЄ сравнительно высокий диапазон ра6очих тёмператур (1200 - 1250° С) и, как след­ствие" невозможность получения резких p-n-переходов из-за "диффузионного размытия" границы пленка ЎЄ пластина во время процесса эпитаксиального осаждения.

Если необходимо получать пленки с резким изменением концентрации примесей на границе пластина - эпитаксиальный слой, используют реакцию пиролиза силана.

Основные характеристики технологических процессов при эпитаксиальном осаждении Si Таблица 5.7.1

Источник кремния Диапазон Диапазон темпе- Допусти-

скорости ратуры, С мый уро-

роста, вень кон-

мкм/мин центрации

окислите­-

ля х 10-4, %

SiCL, + Н2 0,4 - 1,5 1150 - 1250 5-10

SiHCl3 + Н2 0,4 - 2,0 1100 - 1200 5-10

SiH2Cl2 + H2 0,4-3,0 1050-1150 <5

SiH4 + H2 0,2-0,3 950-1050 <2

SiH4 + Н2 + Не 0,1 900 <2

Эпитаксию из парогазовых смесей обычно проводят при атмосферном давлении (10s Па). Понижение давления до (6,5 ЎK13) х 103 Па позволяет уменьшить эффекты бокового и вертикального автолегирования.

5.8 Легирование при эпитаксии

Кремний при автоэпитаксиальном росте легируют элемента­ми III и V групп периодической таблицы. Наиболее часто для легирования используют соединения, содержащие фосфор, мышьяк и бор. В зависимости от концентрации примеси, ее типа и способа легирования получают кремниевые слои, обла­дающие разным сопротивлением .

Зависимость сопротивления ЭС от концентрации источников примеси Таблица 5.8.1

Легирующая примесь в N, см р, Ом • см

источнике кремния

Донорные: 1014 50

РС15 в S1CI4 10l5 5

1016 0,6

или 1019 0,006

РН3 в Н2 1020 0,0008

Акцепторная 1015 13

В2Н6вН2 1016 1,5

1017 0,25

1018 0,06

1019 0,01

1020 0,001

Жидкостное легирование. При непосредствен­ном смешивании SiCL) с жидкими источниками примесей гало-генидов (РС13, ВВr3, AsCl3) давления паров SiCl4 и источника должны быть близкими.

Обычно требуется небольшая концентрация примеси, поэ­тому при использовании жидких источников их многократно разбавляют, в результате чего получают растворы с относитель­ным содержанием примеси от 10~9 до 10~2. Это обеспечивает уровень легирования ЭС от 1014 до 1019 ат/см3.

Для получения воспроизводимых результатов при легиро­вании бором необходимо применять борсодержащие соединения с высокой температурой кипения. При легировании легирующее соединение помещают в отдельный испаритель, а количество бора, поступающего в реактор, регулируют потоком транспор­тирующего газа Н2, проходящего через испаритель.

В зависимости от температуры осаждения при легировании в системе SiCl4 - РСl5 и SiCl4 - SbCl5 сопротивление получае­мых слоев оказывается различным. При легировании сурьмой эта зависимость более ярко выражена.

Концентрация фосфора и сурьмы в выращиваемых слоях обычно пропорциональна их концентрации в смеси и не зависит от скорости роста пленки.

Жидкостные методы легирования применяют при выращи­вании однослойных структур. При выращивании многослойных структур с разным типом электропроводности или с переменной концентрацией примеси по толщине они непригодны. Это связа­но с тем, что галогениды хорошо адсорбируются стенками газо­проводов и реакторов, загрязняя установку и вызывая необ­ходимость промывки газовой системы и реакторов перед вы­ращиванием последующего слоя.

Газовое легирование. При легировании с исполь­зованием газообразных примесных соединений гидридов фосфина (РН3), арсина (AsH3), диборана (В2Н6) их взаимодей­ствие с поверхностью газопроводов и реактора существенно уменьшается.

Уровень легирования зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом, от концентрации легирующих примесей в газе и от его парциального давления. ,Так, при 1200° С уровень легирования кремниевой пленки фосфором из РН3 вплоть до кон­центраций 1018 см"3 линейно возрастает с повышением концент­рации РН3. При одном и том же значении парциального давления легирующего газа более высокую концентрацию примеси в растущем слое получают при легировании его бором (из ди­борана) в сравнении с As (из арсина). Это связано с тем, что арсин частично конденсируется на внутренних стенках реакционной камеры из-за высокого парциального давления а бор, существующий в виде газообразного соединения низшей валентности ВН3, при высоких температурах на них не конден­сируется.

Основным фактором, влияющим на уровень легирования слоев кремния гидридами, является концентрация парогазовой смеси и температура процесса. Поэтому для дозировки леги­рующих гидридов применяют расходомеры с точностью отсчета не менее 1 % и воспроизводимостью отсчета, равно 0,2 % мак­симального расхода.

Для регулирования в широком диапазоне концентрации ле­гирующего гидрида используют системы двойного разбавления водородом и контролируют сброс основной доли разбавляемого газового потока расходомером.

Газоразрядное легирование. Газоразряд­ный способ легирования наиболее безопасен для обслуживаю­щего персонала, поэтому при проведении процесса рабочий мо­жет находиться рядом с реакционной камерой. Легирующую газовую смесь приготовляют в специальной газоразрядной ка­мере, через которую пропускают водород. В камере располагают электроды, материал которых содержит элементы III и V групп периодической системы. Материалы электродов должны быть проводящими, высокооднородными, иметь высокую тепло­ту испарения.

Для получения эпитаксиальных слоев дырочного типа электропроводности чаще всего используют электроды из бо-рида лантана LaB6. электронного типа ЎЄ из сурьмы, сплава кремния с 0,1 мае. % фосфора или сплава сурьмы с 1 мае. % мышьяка. При подаче на электроды высокого постоянного или импульсного напряжения между ними возникает газовый разряд, в результате которого образуются летучие соединения элементов материала электрода. Этот способ позволяет леги­ровать кремниевую пластину в диапазоне контролируемых концентраций: мышьяком 5 • 1015 - 1 • 1018 см"3 и бором 3 • 1015 - 5 • 1017 см'3.

Для получения контролируемого легирования необходимо управлять скоростью протекания газа через разрядную ка­меру, расстоянием между электродами, мощностью, подводи­мой к электродам, иметь нужный материал электродов.

Самым гибким способом управления степенью легирования в режиме тлеющего разряда является изменение разрядного тока. На рисунке 5.8.1 показана зависимость уровня легирования бо­ром от тока газового разряда для электродов из LaB6, откуда следует, что при изменении разрядного тока до 500 мкА уровень легирования достигает предельной концентрации.

Рисунок 5.8.1. Зависи­мость уровня NB легирования бором от тока газового разряда Ip пленки толщиной L = 2 мм

Частота повторе- Параметры ЭС

ния импульсов,

Гц Расстояние Толщина плен- Удельное объем-

между электро- ки, мкм ное сопротивле-

дами, мм ние, Ом • см

210 5 15,5 0,074

6 20 0,04

7 20 0,09
10 18,5 0,107

100 5 18,3 0,1

7 16,3 0,106

10 14,1 0,138

50 5 19 3,0

6 19 3,0

Процессы, происходящие при этом в разрядной камере, следующие. При подаче высокого напряжения в камере возникают нестабильные легирующие соединения. Время их существования увеличивают за счет повышения скорости потока водорода через камеру. Присутствие в камере водорода приводит также к росту коли­чества легирующих атомов в объеме камеры. При очень больших потоках водорода рост концентрации легирующих атомов за­медляется, так как скорость образования легирующих соеди­нений в зоне разряда ограничена. Повысить ее можно лишь путем увеличения мощности разрядного генератора, приклады­ваемой к электродам.

С ростом частоты импульсов уровень легирования также повышается за счет увеличения энергии, выделяемой в зоне разряда в единицу времени.

При легировании бором образующиеся в результате разряда атомы являются его гидридами. При легировании мышья­ком просто распыляются электроды.

Газоразрядное легирование предпочтительно использовать для получения малых концентраций легирующей примеси и при создании многослойных структур.

Следует отметить, что процесс роста пленки и ее легиро­вания тесно взаимосвязаны. Так, при повышении скорости роста пленки от 0,1 до 1,0 мкм/мин концентрация легирующей примеси, например As, в эпитаксиальном слое уменьшается на порядок.

Автолегирование. Кроме контролируемых примесей в эпитаксиальный слой попадают и неконтролируемые примеси из пластины. Этот процесс называется автолегированием. Механизм автолегирования представлен на рисунке 5.8.2. Неконтролируемые примеси внедряются в растущий эпитаксиальный слой 1 за счет твердо­тельной диффузии 6 через границу 2 ЭС - пластина 3, а также за счет испарения примеси с нерабочих поверхностей пластины и переноса через газовую фазу 7, 8. С лицевой стороны плас­тины автолегирование проявляется как увеличение ширины переходной области d ЎЄ d1 между слоем и пластиной (Рисунок 5.8.3).

При эпитаксии кремния скорость роста пленки существенно превосходит скорость диффузии атомов примеси, поэтому

Рисунок 5.8.2. Схема автолегирования:
1 - эпитаксиальный слой; 2 - металлургическая граница ЭС - плас­тина; 3 - пластина; 4 - подложкодержатель; 5 - скрытый слой; 6 -твердотельная диффузия; 7, 8 -перенос примеси через газовую фазу с нерабочей и боковой (торцевой) стороны пластины

Рисунок 5.8.3. Распределение концен­трации примеси N на границе перехода пластина - эпитаксиальная структура по глубине х пластины:

0 - d - начало равномерного участка примесного профиля в ЭС; d1 - µ § - начало равно­мерного участка примесного профиля в пластине; d ЎЄ dl ЎЄ переходный спой; 0 ЁC d1 ЎЄ полная толщина ЭС
профиль легирования пленки в основном определяется пере­носом примеси через газовую фазу. Примесь переходит в газо­вую фазу на этапе предварительного прогрева. На поверхности пластины образуется адсорбированный слой примесных атомов, которые и захватываются растущей пленкой. Примесные атомы адсорбируются и подложкодержателем.

При автолегировании диффузия по поверхности пластины не играет существенной роли. Установлено, что разница между максимальными концентрациями примеси при автолегировании мышьяком составляет 2ЎЄ3 порядка.

Для уменьшения автолегирования нерабочую поверхность пластины маскируют SiO2 или Si3N4. В последнее время для уменьшения автолегирования используют пониженное давление. Разницу в скорости испарения при использовании для эпитаксии кремния проточной системы и вакуума можно объяснить нали­чием пограничного слоя у поверхности пластины, влияющего на условия испарения. Поток примеси в газовую фазу с нерабо­чих поверхностей пропорционален концентрации в поверхност­ном слое этих поверхностей. Часть потока осаждается на расту­щей пленке. В вакууме эта часть потока сводится к минимуму.

Автолегирование уменьшается и при снижении скорости роста пленки (как над скрытым слоем, так и вне его). Оно зависит от площади скрытого слоя и с ее уменьшением умень­шается пропорционально µ § (где Scc - площадь скрытого слоя). Уменьшение автолегирования наблюдается при повы­шении температуры эпитаксии вплоть до 1050 ЎЄ 1100° С. В хлоридном процессе (по сравнению с силановым) оно меньше, что объясняется наличием дополнительного подтравливания поверхности хлористым водородом, в результате чего умень­шается количеством атомов примеси, захватываемых растущей пленкой.

Процесс термического окисления происходит в несколько стадий (Рисунок 5.9.2): адсорбции 1 - осаждения частиц окислителя (О2, Н2О) из парогазовой смеси (ПГС) на внешней поверх­ности оксида; диффузии 2 частиц окислителя через оксид к границе раздела Si - SiO2; химического взаимодействия 3 окислителя с кремнием и образования новых слоев SiO2; диф­фузии 4 газообразных продуктов реакции сквозь оксид к его внешней поверхности; десорбции их и удаления 5 газовым потоком.

Термическое окисление бывает высокотемпературным (1000 - 1200 С) в атмосфере сухого кислорода или паров воды при атмосферном давлении и в парах воды при повышен­ном давлении (~2 МПа) и температуре 500 - 800° С.

Химические реакции, описывающие процесс термического окисления кремния в кислороде и парах воды, имеют соответ­ственно следующий вид:

Si + О2 => SiO2

Si + 2H2O => SiO2 +2H2

Таким образом, рост оксида происходит на границе раздела Si - SiO2, которая в процессе окисления движется в глубь кремниевой пластины. Внешняя поверхность оксида движется вверх за счет больших размеров молекул SiO2.

Скорость окисления определяется скоростью самой мед­ленной стадии. После достижения некоторой критической тол­щины SiO2 такой стадией является диффузия окислителя сквозь

Рисунок 5.9.1. Вид кремниевой пласти­ны исходной толщины h с плен­кой SiO2 толщиной d

Рисунок 5.9.2. Кинетика процесса термического окисления

Процесс окисления описывается линейно-параболическим законом

d2 + Kxd = K2t,

где d - толщина оксида; t ЎЄ время окисления; К^ и К2 -соответственно линейная и параболическая константы ско­рости окисления. Линейная составляющая скорости роста свя­зана с химической реакцией на границе раздела, а параболичес­кая ЎЄ с диффузионной стадией.

При температуре выше 1000° С процесс окисления подчи­няется параболическому закону

d2 = K2t ,

а ниже 1000° С - линейному d = Krt .

Значение параболической константы зависит от вида и концентрации частиц окислителя, а также от давления ПГС в реакторе.

Скорость роста оксидной пленки зависит от кристаллографической ориентации окис­ляемой поверхности. Так, для кремниевых пластин (Рисунок 5.9.3) с ориентацией (111) скорость окисления несколько выше (темные точки), чем с ори­ентацией (100) (светлые точ­ки) особенно при низких температурах.

При высоких скоростях роста во влажном кислороде и парах воды качество пленок SiO2 ниже (более высокая пористость, хуже свойства границы раздела Si ЎЄ SiO2), поэтому при их получении часто используют комбиниро­ванное окисление. При этом вначале в сухом кислороде выращивают тонкий (~0,1 мкм) слой оксида, затем во влажном кислороде доращивают его до толщины 0,2 ЎK 0,8 мкм и завершают процесс вновь окислением в сухом кислороде.

Рисунок 5.9.3. Зависимость толщины слоя оксида от времени окисления во влажном кислороде для разных ориентации плоскости окисляемой поверхности

Окислитель Температура Время получения t, слоя

окисления, толщиной

°С

0,5 мкм 1 мкм

1200 5,3 22

Влажный кислород 1000 1,2 4,3

1200 0,4 1,4

Пары воды 1000 0,8 3,3

1200 0,3 1

5.10. Пиролитическое получение пленок из газовой фазы при нормальном и пониженном давлении

Пиролитическое осаждение используют для получения толстых слоев оксида кремния при низких температурах, когда термическое окисление неприемлемо из-за существенного из­менения параметров предшествующих диффузионных слоев. Пиролитическое осаждение обеспечивает большую производи­тельность, высокую равномерность слоев, качественное покры­тие уступов металлизации и позволяет создавать изолирующие и пассивирующие слои не только на поверхности кремния, но и германия, арсенида галлия, а также других материалов. По­мимо оксида кремния осаждают слои SiC, Si3N4, ФСС и поли­кремния.

При пиролитическом осаждении оксида кремния проис­ходит термическое разложение сложных соединений кремния (алкоксисиланов) с выделением SiO2, например: тетраэтоксисилан

Si(OC2H5)4 650-700° С SiO2µ § + 2H2O + 4C2H4

тетраметоксисилана

Si(OCH3)4 800-850°С SiO2 +2С2Н4+2Н2О или оксиление моносилана

SiH4+2O2 400-450° С Si02µ § + 2H20

Последнюю реакцию обычно используют и при осаждении фосфорно-силикатного стекла с добавлением к газовой смеси фосфина РН3, разбавленного азотом до 1,5 %-ной концентрации. Фосфин вступает в реакцию с кислородом

4РН3 +5О2 => 2Р2О5 +6H2µ §

образуя оксид фосфора, который легирует SiO2. В пленке оксида кремния оказывается 1 - 3 % фосфора, за счет чего повышается ее термомеханическая прочность, пластичность и снижается пористость. При содержании фосфора до 8-9 % слои ФСС используют для планаризации поверхности пластин, имею­щей рельеф.

5.11. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ

Механизм образования пленок при ПХО состоит из трех основных стадий: образования в зоне разряда радикалов и ионов, адсорбции их на поверхности пленки SiO2 и перегруппи­ровки адсорбированных атомов. Перегруппировка (миграция) адсорбированных поверхностью атомов и стабилизация их положения представляют важную стадию роста пленки.

Одновременно с образованием пленки происходит десорб­ция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и миграции атомов сильно зависят от температуры пластины, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, большей плот­ностью и более однородным составом.

При стимулировании процесса осаждения плазмой появля­ются новые параметры, влияющие на скорость осаждения плен­ки, ее состав, плотность, показатель преломления, равномер­ность, внутренние напряжения и скорость травления. Кроме температуры, состава газовой смеси, ее расхода, давления, геометрии реактора на скорость окисления влияют ВЧ-мощность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстоя­ние между ними.

В качестве рабочих газов обычно используют соединения кремния и окислители:

Si2О(СН3)6 + 8О2 230-250 C 2Si02µ § + Н2О + 6СО2 + 8Н2

а также гексаметилдисилоксан

SiH4 + 4N2 О 200-350°C SiO2µ § + 4N2 + 2H2 О Скорость осаждения SiO2 при этом методе от 0,1 до 10 мкм/ч.

Формирование легированных слоев в технологии ИЭОТ.

Диффузионное легирование полупроводников. Механизмы диффузии. Распределение примесей при диффузии и неограниченного и ограниченного источников. Факторы, влияющие на процессе диффузии. Классификация методов диффузии. Многостадийная диффузия. Локальная диффузия. Виды диффузантов. Контроль параметров диффузионных слоев, и процесса диффузии. Физико-химические основы ионного легирования (ИЛ)Преимущества ИЛ перед диффузией. Аппаратное оформление процесса ИЛ и принципы построения технологических систем для имплантации. Послеимплантационный обжиг в инертной и окислительной среде.

При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается (Рисунок 6.1.2).

Показанное на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.

Рисунок 6.1.1. Распределение примеси N(x) при диффузии из бесконеч­ного (постоянного) источника по толщине пластины х:

No - поверхностная концентрация

Рисунок 6.1.2. Распределение примеси N(xj при диффузии из ограни­ченного источника по толщине пластины х:

N01, N02, N03 - поверхностные концентрации в момент времени t1, t2, t3 соответственно; No -исходная поверхностная концен­трация

6.2 Локальная диффузия

Рисунок 6.2.1. Схема локальной диф­фузии:

1 - маскирующий оксид; 2 ЎЄ диффузионная область; 3 ЎЄ плас­тина; l1 - размер окна в оксиде; l2 ЎЄ размер полученной диффузионной области; µ §l - уширение диффузионной области за счет ис­кривления фронта диффузии; xj ЎЄ глубина p-n-перехода
При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (Рисунок 6.2.1), коте рое увеличивает размеры диффузионной области на Д/ и влияе на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерам] окон глубина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения µ §l могут достигать 0,8 хj

При создании активных и изолирующих областей ИМ< часто используют двухстадийную диффузию (Рисунок 6.2.2). Дл; этого вначале в поверхность полупроводникового материал 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводя определенное количество легирующей примеси из бесконечной источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацш при небольшой глубине диффузионной области ("загонка' примеси) (Рисунок 6.2.2, а, б).

Первую стадию проводят при сравнительно невысоки: температурах (950 ЎЄ 1050° С) в окислительной атмосфере На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекл; 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (Рисунок 6.2.2 ,б).

Вторую стадию ЎЄ диффузионный отжиг, называемую "раз гонкой" (Рисунок 6.2.2, в), проводят предварительно удалив примесно-силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050 -1230° С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глуби на проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная об ласть 5. Температура и длительность второй стадии диффузии определяются заданными параметрами p-n-перехода.

Рисунок 6.2.2. Стадии "загонки" (а, б) и "разгонки" (в) примеси при

проведении двух стадийной диффузии:

1 - маскирующий оксид; 2 -пластина; 3 - объемный источник; 4 ЎЄ примесно-силикатное стекло; 5 ЎЄ диффузионная область

после разгонки; 6 ЎЄ маскирующая пленка для последующей литографии

6.3 Многостадийная диффузия

Рисунок 6.3.1. Схема процесса диффузии в откры­той трубе из газообразного или жидкого (а), твердого (б) и поверхностного (в)

источников:

1 ЎЄ газовая система; 2 - источник приме­си; 3 ЎЄ кварцевая труба; 4 - кремниевые пластины; 5 ЎЄ нагреватель; 6 ЎЄ выходное отверстие

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровожда­ется реакциями