Технологический процесс изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры

Стойкость алмазных дисков связана с основными технологическими факторами соотношением:

 

где K_G – коэффициент обрабатываемого материала;

υ – частота вращения диска, об/мин;

s – скорость подачи, мм/мин;

a и b – постоянные коэффициенты.

Тепловые явления, возникающие  при резке слитка на пластины сильно влияет на качество резки: увеличивается толщина нарушенного слоя, структурные изменения поверхности материала и алмазного диска, возникают остаточные напряжения и микронеровности.

Преимуществом метода резки  АКВР являются: высокая производительность; малый разброс по толщине пластины; малые отходы полупроводникового материала  при резке [3].

Недостатками метода является сложность установки алмазного  диска, его натяжение и центровка.

3. Шлифовка пластины

Пластины полупроводника после резки не обладают требуемыми размерами, формой и глубиной нарушенного  слоя. Для исправления имеющихся  в пластине дефектов ее подвергают абразивной обработке, являющейся в  технологии подложек полупроводников  промежуточной операцией.

В настоящее время в  промышленности для обработки кремниевых пластин используют преимущественно  двустороннюю шлифовку свободным абразивом  [4]. Она позволяет уменьшить прогибы пластин, связанные с деформацией алмазного диска при резке, и обеспечить наименьшую разницу в толщинах. Высокая производительность шлифовки достигается удалением материала одновременно с двух сторон пластин, уложенных в отверстие сепараторов (рисунок 4).

1 – дозатор; 2, 3 – нижний  и верхний шлифовальники; 4 – внешний венец; 5 – пластины; 6 – центральная шестерня; 7 – сепараторы.

Рисунок 4 – Схема двусторонней шлифовки свободным абразивом

Абразивная суспензия  подается через верхний шлифовальник и равномерно обволакивает пластину со всех сторон [4].

Для двусторонней шлифовки кремния применяются водные растворы суспензии на основе порошков карбида  кремния зеленого или электрокорунда белого.

Особенностью данного  метода шлифовки является высокая производительность и точность обрабатываемых поверхностей [4].

4. Полировка пластины

Для улучшения качества обработки  поверхности пластин и уменьшения глубины механически нарушенного  слоя проводят процесс полировки.

Методы полировки, как  и шлифовки, разделяют на алмазную (механическую), химическую и химико – механическую.

Алмазную (механическую) полировку  выполняют алмазными порошками  и суспензиями зернистостью от 3 до 0,5 мкм на полировальниках из тканых и нетканых материалов (сатин, сукно, замша, синтетическая кожа и др.), после чего поверхность пластин  имеет микронеровности высотой  от 0,05 до 0,1 мкм, а нарушенный слой не превышает 3 мкм. При механической полировке  обработка происходит за счет микрорезания, пластических деформаций и сглаживания  поверхности [4].

Химическую полировку  пластин проводят путем погружения в полирующий травитель. Для травления кремния используют смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, применяя различные пропорции компонентов. В эти смеси могут добавляться вещества, стабилизирующие скорость травления или же катализирующие его реакции. Для усиления массообмена, ускоряющего процесс травления, и равномерного травления площади пластины необходимо создать ламинарный поток травителя относительно ей поверхности. С учетом этого пластины помещают в кассеты, закрепленные на держателе, обеспечивающем их вращение внутри ванны с травителем (рисунок 5) [1].

Рисунок 5 – Химическое полирование  пластин. 1 – держатель; 2 – кассета; 3 – пластины; 4 – ванна с травителем

Химико – механическую полировку выполняют специальными полирующими составами из субмикронных порошков оксидов кремния SiO₂, циркония ZrO₂ или алюминия Al₂O₃, взвешенных в растворе на основе KOH, NaOH или этилендиамина и образующих коллоидно – дисперсные системы – суспензии, золи, гели. При использовании суспензий в основе химико – механической полировки лежат химические реакции между компонентами жидкой среды и полируемым материалом.

Для повышения качества обрабатываемой поверхности пластин и увеличения скорости удаления материала используют составы на основе гидроалюмосиликагелей, силикагелец, алюмосиликазолей и силиказолей. Эффективность их применения по сравнению с суспензиями дисперсных оксидов возрастает благодаря химическому взаимодействию твердых фаз с обрабатываемым материалом [4].

5. Межоперационная и финишная очистка пластины

В процессе механической и химической обработки на поверхности пластин  полупроводников остаются различные  загрязнения: механические (остатки абразивов и мелких частиц обрабатываемого материала), органические (остатки наклеичных материалов, входящих в состав алмазных паст, масел, следы пальцев и т.п.)  и химические (ионы металлов, осаждающиеся на поверхности полупроводника из воды и растворов, а также из металлической основы алмазных отрезных и шлифовальных  кругов и т.п.). Их удаляют на различных стадиях изготовления подложек. Непосредственно перед операцией эпитаксиального наращивания подложки подвергают финишной очистки.

Механические загрязнения  с поверхности пластин полупроводников  удаляют гидромеханической промывкой в ходе нее очищаемую поверхность обрабатывают кистями, лентами или валиками из нейлона или мягкого льна с одновременной подачи сильной струи диионизованной воды. В процессе очистки пластины на рабочем столе удерживают с помощью вакуумных присосок. При одновременно двусторонней очистке пластина удерживается между двумя вращающимися валиками (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схемы рабочих  узлов установок для гидродинамической  очистки подложек: а – кистевой; б – ленточный; в, г – валиком на наклонном и горизонтальном столе; д – одновременно двусторонней

Операции удаления органических загрязнений – обезжиривание  и промывка пластин и подложек. Основным реагентом для обезжиривания  является фреон – 113. Для повышения качества чистки к нему добавляют различные органические растворители (спирты, ацетон и др.) Хорошие результаты дает кипячение подложек в растворах: кислотно – перекисных, аммиачно – перекисных или комплексообразующих реагентов. Обычно такую обработку проводят при 75 – 100 ⁰С в течение 10 – 20 минут [1].

После финишной обработки  пластины сушат, нагревая в сушильном  шкафу или инфракрасными лампами. Однако после сушки на поверхности  пластин остаются примеси, содержащиеся в жидких реагентах, использовавшиеся на предыдущих операциях. Поэтому лучшие результаты дают сушка пластин центрофугиронием или обдувкой горячим очищенным инертным газом.

Операция финишной очистки  проводят в особо чистых помещениях с использованием реактивов особой чистоты и деионизированной воды марки А.

2. Эпитаксиальное наращивание

Эпитаксия - это процесс наращивания  слоев полупроводникового материала  с упорядоченной кристаллической  структурой на ориентированной пластине.

Выращиваемые слои могут повторять  структуру пластины, например при выращивании кремния на кремнии, германия на германии. Они могут отличаться по структуре, например при выращивании кремния на сапфире, кремния на шпинели, кремния на оксиде бериллия.

Термин " эпитаксия " образован  из двух греческих слов "эпи" - на, "таксис" - располагать в  порядке. Впервые выращивание кристаллов из паровой фазы было предложено в 1957 г. Практическое использование этого  метода началось с 1960 г.

Эпитаксию можно подразделить на три  вида: авто-, гетеро - и хемоэпитаксию.

Автоэпитаксия - процесс ориентированного наращивания вещества, не отличающегося или незначительно отличающегося по химическому составу от вещества пластины. Она обеспечивает возможность формирования гомогенных (однородных) p-n-переходов и иногда называется гомоэгштаксией.

Гетероэпитаксия - процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от вещества пластины. На границе "эпитаксиальный слой - пластина" образуется гетерогенный (неоднородный) p-n-переход. Гетероэпитаксия осуществима для элементов, не склонных к химическому взаимодействию.

Хемоэпитаксия - процесс ориентированного наращивания, при котором образование слоя происходит за счет химического взаимодействия вещества пластины с наносимым веществом. Полученный слой по химическому составу отличается как от вещества пластины, так и от наносимой фазы, но закономерно продолжает кристаллическую структуру пластины. При образовании таких слоев может быть сформирован гетеропереход или невыпрямляющий контакт [5].

Эпитаксия осуществляется одним из следующих способов.

1. Осаждение из жидких растворов  – так называемая эпитаксия  из жидкой фазы.

Ее преимущество – относительно низкая температура и высокая  скорость процесса, недостаток – возможная  химическая и фазовая неоднородность слоев вследствие явления ликвации и др., что затрудняет получение  эпитаксиальных слоев строго заданного  состава.

2. Конденсация из паровой (газовой)  фазы – эпитаксия из газовой  фазы. Преимущество – меньшая  скорость процесса, позволяющая,  однако, точнее управлять толщиной  слоя. Недостаток – разная скорость  диссоциации различных элементов  или молекул в исходной газовой  фазе и, следовательно, возможное  несоответствие состава эпитаксиального  слоя фазовому составу подложки.

Очень перспективны с этих позиций  и производительны методы эпитаксии  из газовой фазы.

1. Метод получения эпитаксиальной пленки кремния

Для нашего случая (КНК –  кремний на кремнии) имеет место  автоэпитаксия (гомоэпитаксия) – материалы получаемого слоя и подложки идентичны.

В технологии получения эпитаксиальных слоев кремния наибольшее распространение  получили процессы, основанные на следующих реакциях [6]:

– водородного восстановления тетрахлорида кремния (хлоридный метод)

                           SiCl₄ + 2H₂ → Si + 4hcl                                               (1)

 – пиролитического разложения моносилана (силановый метод)

                                 SiH₄ → Si + 2h₂                                                      (2)

–  водородного восстановления трихлорсилана

                              SiHCl₃ + H₂ → Si + 3hcl                                          (3)

– пиролитического разложения дихлорсилана

                                  SiH₂Cl₂ → Si + 2hcl                                               (4)

Выбор кремнийорганического соединения  и тип реакции получения  кремния основывается на нескольких предпосылках.

Хлоридный метод. Его широкое распространение обусловлено простотой и доступностью исходных материалов. Высокая температура, необходимая для активации процесса восстановления тетрахлорида, позволяет выращивать слои с малым количеством структурных дефектов, малая химическая активность SiCl₄ делает процесс нечувствительным к повышенному содержанию окислителей в реакторе, системе и газе - носителе. При более низких температурах или более высоких концентрациях SiCl₄ энергия активации процесса осаждения кремния снижается. Осаждение кремния совершается в интервале температур 1150 – 1250 ⁰С, концентрация тетрахлорида в водороде поддерживается на уровне 0,5 – 1%, а скорость потока газа в реактор 0,1 -1 м/с. При этих условиях скорость роста слоев близка к 1 мкм/мин [1]. Благодаря присутствию в атмосфере реактора паров HCl поверхность пластин дополнительно очищается, что способствует формированию пленок более совершенной структуры.  Основной недостаток хлоридного метода – высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из подложки в эпитаксиальный слой, а также к автолегированию.

Легирование эпитаксиального  слоя в хлоридном методе осуществляется путем добавления в газ – носителей  галоидных соединений легирующих примесей, например, PCI₃, BCI₃ или BBr₃. Кроме галоидных соединений примесей могут быть использованы гидридные соединения бора, фосфора или мышьяка (диборан B₂H₆, фосфин PH₃, арсин AsH₃).

Силановый метод выращивания эпитаксиальных слоев основан на (2) реакции пиролиза моносилана при температурах 1050—1100° С. Снижение температуры и отсутствие хлоридов заметно уменьшает последствия автолегирования. Скорость роста несколько выше, чем при использовании хлоридного метода, что особенно важно, температура процесса меньше примерно на 100 ⁰С.  К недостаткам метода относятся сильная токсичность реагентов, взрывоопасность и возможность спонтанного протекания реакции разложения силана в газовой фазе. При протекании последней на подложку попадают агрегаты, состоящие чаще всего, из частиц аморфного кремния, что резко увеличивает дефектность растущей пленки. Типичный режим осаждения по силановому методу определяется температурой процесса в пределах 1050—1100° С, составом смеси (4% SiH₄+96% аргона, гелия или водорода), скоростью осаждения 0,2—2 мкм/мин.