Технологический процесс изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры

Легирование эпитаксиальных слоев при силановом методе осуществляют путем введения в поток газовой смеси газообразных соединений примесных атомов, а именно, фосфина, арсина или диборана, разбавленных аргоном или водородом

Дихлорсилановый процесс (реакция 4) позволяет получать высокие скорости роста пленок до 6 – 8 мкм/мин при низкой температуре. Скорость роста при использовании этого метода слабо зависит от температуры в диапазоне 900 - 1000 °С в особенности в области малых концентраций SiH₂Cl₂, это дает возможность минимизировать разброс толщины пленок из-за неравномерности температуры по площади подложек. Процесс пиролиза протекает по основной реакции (4), носящий гетерогенный характер, сопровождающийся побочными реакциями SiH₂CI₂ → SiCI₂ + H₂ и SiCI₂ + H₂ → Si + 2HCI, которые могут протекать гомогенно в объеме газовой фазы. Образующие при этом мелкие частицы кремния, попадая в растущий эпитаксиальный слой, создают в нем дефекты [1].

У трихлорсиланового метода (реакция 3)  нет существенных преимуществ перед хлоридным методом. Этот процесс дает возможность несколько снизить температуру эпитаксии и достичь более высоких скоростей роста по сравнению с тетрахлоридным.  Он применяется в основном для получения поликристаллического кремния и редко при эпитаксии.

 Выбор остается за хлоридным методом. Процесс получения эпитаксиальных структур состоит из двух последовательных операций: газового травления и осаждения эпитаксиального слоя.

Первая операция проводится для  удаления с подложки загрязненного  и нарушенного поверхностного слоя. Наиболее распространенным полирующим травителем для кремния является безводный хлороводород. Его применение хорошо согласуется с технологией и аппаратурой наиболее распространенного в настоящее время хлоридного способа получения эпитаксиальных структур элементарных полупроводников. Скорость травления кремния в хлороводороде возрастает с повышением, как его концентрации, так и температуры.

При повышенной концентрации хлороводорода и понижении температуры происходит селективное травление, в результате которого поверхность кремния покрывается ямками травления.

Вторая операция (осаждений эпитаксиального слоя) состоит в получении однослойной эпитаксиальной структуры. Она должна обладать резким градиентом концентрации легирующей примеси на границе подложка – слой, малой величиной концентрационной переходной области, минимальными значениями разброса толщины эпитаксиальной области и удельного сопротивления по площади структуры, иметь высокое качество поверхности и совершенство структуры эпитаксиального слоя [1].

Процесс водородного восстановления хлоридов элементарных полупроводников (IV) протекает по следующей схеме:

 

                                                                        (5)

Результирующее уравнение:

                          ®                      (6)

Скорость роста эпитаксиального  слоя полупроводника прямопропорциональна концентрации его соединения в газовой фазе или парциальному давлению. Увеличение скорости роста выше определенного значения нарушает монокристаллическую структуру осаждаемого слоя.

Скорость роста эпитаксиальных слоев элементарных полупроводников  получаемых водородным восстановление хлорида, ограничивается также развитием  побочных реакций типа:

                                                                                         (7)

приводящих к травлению полупроводника. При этом скорость роста эпитаксиального слоя, начинает уменьшатся. С увеличением скорости газового потока диффузионный слой становится тоньше, диффузионное сопротивление уменьшается, и скорость роста эпитаксиального слоя возрастает. Однако при больших скоростях газового потока распределении концентрации реагентов по его сечению становится более однородным, что обеспечивает большую однородность толщины эпитаксиального слоя по площади подложки. Но это влечет за собой ухудшение структурного совершенства эпитаксиального слоя.

2. Тип используемого реактора. Материал пьедестала

Температурные и газодинамические условия проведения во многом определяют качество растущих эпитаксиальных слоев, поэтому к такому оборудовании предъявляют  высокие требования. Установки для  эпитаксиального наращивания бывают двух основных типов: с горизонтальным и вертикальным реактором.

Горизонтальный обладает наиболее простой конструкцией (рисунок 7, а). Поток парогазовой смеси  идет в нем параллельно пьедесталу и, обедняясь по мере протекания над  пластинами, вызывает изменение толщины  и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев. Для наиболее равномерного осаждения  используют два способа: пьедестал  устанавливают под некоторым  углом к направлению газового потока (рисунок 7, б) либо используют распределенный ввод газа по всей длине пьедестала (рисунок 7, в).

Вертикальные реакторы обеспечивают наилучшее условие для нагрева  и потока газовой смеси благодаря  осевой симметрии конструкции реактора. Вращение пьедестала способствует выравниванию тепловых и газодинамических полей, это является основным преимуществом  перед горизонтальным реактором. На рисунке 8, а представлен реактор  с четырехгранным пьедесталом и  вертикальным вводом газовой смеси  и высокопроизводительный вертикальный реактор барабанного типа с горизонтальным вводом газовой смеси (рисунок 8, б) [3]

 

Рисунок 7 – Типы горизонтальных реакторов

Рисунок 8 – Типы вертикальных реакторов

 

Пьедестал изготовлен из графита  покрытого слоем Si, с целью уменьшить поглощение графитом газов, выделяющихся при повторном их нагреве, загрязняющих эпитаксиальные слои.

3. Режимы эпитаксиального процесса

Непосредственно перед эпитаксиальным осаждением, прямо в реакторе, проводят операцию газового травления для  удаления следов SiO₂ и других загрязнителей с поверхности подложки. Чтобы пространство внутри реактора не охлаждалось, ПГС предварительно нагревают до 300 – 400^оС.

При газовом травлении благодаря  отсутствию контакта подложек с атмосферой достигается исключительная чистота  поверхности и гладкость. Однако благодаря большой скорости травления  краев подложек по сравнению с их центром плоскопараллельность сторон нарушается.

Газовое травление подложек кремния  осуществляется при подачи в реактор Cl₂, Br₂, HBr  и HCl. Последний используется очень часто, его поведение изучено довольно подробно.

В общем случае химическая реакция  имеет вид:

 

                                                                                 (8)

В действительности она имеет более  сложный характер:

                           Si + HCl =

,                       (9)

и еще более усложняется при присутствие водорода и тетрахлорида.

Газовое травление осуществляется введением в реактор хлористого водорода, в результате чего реакция  восстановления Si из SiCl₄ смещается с права налево. При этом содержание подаваемого в реактор SiCl₄ может поддерживаться постоянным. Это позволяет переходить от режима травления к режиму осаждения постепенно, путем медленного прекращения подачи в реактор HCl. Оптимальным режимом травления является:

- температура 1150 – 1200^оС;

- скорость травления 0,1 – 0,2 мкм/мин;

- время травления 1 – 2 мин;

- толщина снимаемого слоя 5 –  10мкм;

- содержание HCl в ПГС не менее 5%(об).

По окончанию травления подложек приступают к осаждению на них  эпитаксиальной пленки. Скорость роста  пленки (кинетика процесса) определяется следующими основными параметрами:

- температура подложек;

- состав ПГС (содержание SiCl₄ в водороде);

- скорость потока ПГС (скорость  потока H₂).

При увеличении температуры реакции  растет и скорость роста эпитаксиальной пленки. Чем выше температура, тем  лучше качество получаемого монокристаллического слоя, увеличивается количество эпитаксиальных зародышей. Вообще наиболее качественные пленки получаются при температуре 1523 –1543К, когда на поверхности подложки образуется жидкая фаза. Однако при  этом чрезмерно увеличивается эффект самолегирования и все сводит на нет. Поэтому температуру приходится снижать (до 1200 – 1100^оС).

То есть общая тенденция получения  эпитаксиальных слоев максимальной плотности и максимального качества заключается в том, чтобы как  можно больше увеличить температуру  и уменьшить скорость роста эпитаксиальной пленки. Между этими параметрами  должен быть компромисс.

Для улучшения массо-газообмена также увеличивают скорость потока ПГС. Однако после 1,8 – 2л/мин наступает насыщение и дальнейшее увеличение скорости потока ПГС не увеличит скорость роста пленки.

В итоге оптимальными параметрами  эпитаксиального технологического процесса выбираются следующие:

- концентрация SICl₄ в ПГС 2 – 2,4%;

- температура реакции 1150 – 1250^оС;

- скорость роста пленки 0,4 –  1,5 мкм/мин.

В хлоридном методе скорость роста  также зависит от ориентации подложки. Скорость минимальна для ориентации (111) и увеличивается в среднем  на 5% при отклонение от этой плоскости на каждый градус угла отклонения. Отклонение происходит в направлении (110). Увеличивается глубина микрорельефа растущего слой при такой разориентации, то есть число кристаллических уступов, облегчающих кристаллизацию кремния. В целом ориентационная зависимость скорости роста обусловлена обратимостью реакции водородного восстановления тетрахлорида. Максимальная скорость роста наблюдается при ориентации (100).

При избытке SiCl₄ в составе ПГС, помимо реакции осаждения пленки протекает и реакция травления Si тетрахлоридом:

                                                                            ₍₁₀₎

То есть при высокой  концентрации SiCl₄ травление кремния осуществляется в отсутствие HCl в ПГС. Максимальная скорость роста наблюдается при молярной концентрации SiCl₄ порядка 0,1моль/л. При концентрации примерно 0,28моль/л начинается травление кремния. То есть при росте концентрации SiCl₄ выход монокристаллического кремния увеличивается. После концентрации 0,1моль/л скорость роста уменьшается вследствие неполного восстановления кремния. Использование концентрации SiCl₄ справа от максимума, в условиях пресыщения потока водорода тетрахлоридом, приведет к образованию пленок с большой плотностью дефектов, уменьшится плотность осаждаемой пленки, что в совокупности приведет к появлению рыхлой, аморфной структуры. То есть для улучшения качества монокристаллической эпитаксиальной структуры содержание SiCl₄ в ПГС должно быть минимальным [1].

4. Метод введения легирующей примеси и вид легирующей примеси

Для введения легирующей примеси в  выращиваемую пленку используют следующий  способ: легирование с помощью  примесей, растворенных в кристалле  полупроводника (источнике).

Данный способ позволяет изменить тип и концентрацию примеси в  очень широком диапазоне. Важным является то, что можно использовать летучие примеси – фосфор, мышьяк, сурьму. Атомы примеси не могут быть перенесены из источника до тех пор, пока не испарятся окружающие их атомы полупроводника. Таким образом, можно точно регулировать концентрацию примеси.

Выберем тип легирующий примеси, поскольку эпитаксиальный слой у нас n – типа, то мы должны выбрать донорную примесь, а для легирования подложки p⁺ - типа понадобится акцепторная примесь. Подложки, предназначенные для эпитаксиальных структур, для минимизации самолегирования желательно легировать медленными примесями – бором B. Эпитаксиальный слой легируем фосфором P, так как он имеет высокую скорость диффузии в кремнии. Так как мы используем легирование эпитаксиальных слоев кремния при помощи хлоридного процесса, то нам будет удобно вводить фосфор в эпитаксиальный слой, тем более что его свойства в кремнии очень хорошо изучены. Будем применить соединения PCl₃. В этом методе примесь вместе с тетрахлоридом  уносится в реактор потоком водорода. При введении треххлористого фосфора PCl₃ в тетрахлорид кремния его концентрация в тетрахлориде кремния постоянно повышается, так как летучесть тетрахлорида кремния выше. Для устранения этого недостатка насыщение водородом осуществляется путем пропускания его через испаритель, куда тетрахлорид кремния подается по капелькам.

                                     ®                               (11)

Также температура при которой P имеет максимальную растворимость близка к выбранному температурному режиму, она составляет приблизительно 1150°С.

При расчете легирования эпитаксиальной пленки фосфором концентрацию доноров можно определить по кривым Ирвина.

 

5.  Метод очистки водорода

Водород используется на операциях водородного восстановления при получении эпитаксиальных структур и в качестве несущего газа ПГС.

Для очистки водорода палладий (или  его сплав с серебром) незаменим: здесь используется уникальная способность  водорода с огромной скоростью диффундировать через тонкую (до 0,1 мм) палладиевую  пластинку. Под небольшим давлением  газ пропускают через закрытые с  одной стороны палладиевые трубки, нагретые до 600°С. Водород быстро проходит через палладий, а примеси (пары воды, углеводороды, O₂, N₂) задерживаются в трубках. Таким образом можно получать особо чистый водород — с концентрацией 99,9999%. Также хорошо для очистки водорода используются платиновые системы очистки, в которых через диафрагму из платины Pt, нагретую до 400 – 450°С, диффундирует водород, а другие вещества не проникают вследствие малости их коэффициента диффузии. Точка росы после очистки составляет -70°С.