Автор: Никифорова-Денисова С.Н. Любишкин Е.Н.
Теги: электротехника электротехнические материалы и изделия микроэлектроника
ISBN: 5-06-000307-8
Год: 1989
Текст
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
КНИГА
ТЕРМИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-технических училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1989
ББК 31.233
Т 38
УДК 621.382
СЛ. Никифорова-Денисова, ЕЛ. Любушкин
Ре ц е и з е н т ы: канд. техн, наук, доц. Ю.С. Чернозубов
(Московский институт электронного машиностроения); преп.
В.Б. Журавлев (Московский техникум электронных приборов)
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб, пособие для ПТУ.
Кн. 5. Термические процессы/С.Н. Никифорова-Денисова,
ЕЛ. Любушкин. — М.: Высш, шк., 1989. — 96 с.: ил.
ISBN 5-06-000307-8
В книге описаны технологические процессы формирования
диэлектрических и поликристаллических кремниевых пленок
на поверхности полупроводниковых пластин и эпитаксиального
наращивания, приведены режимы обработки, характеристики
используемого оборудования, показаны последовательность и
особенности выполнения операций, методы контроля параметров
процессов и получаемых слоев.
Т 2302030700 (4307000000) -285 _м ББК31 233
052(0!) -89 6фО 32
ISBN 5-06-000307-8 © Издательство ’’Высшая школа”, 1989
ВВЕДЕНИЕ
Основными направлениями экономического и социального
развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года
предусмотрено дальнейшее увеличение темпов развития элект-
ронной промышленности, основу которой составляет производ-
ство полупроводниковых приборов и интегральных микро-
схем (ИМС), предназначенных для изготовления микропроцес-
соров, мини-и микро ЭВМ и других видов радиоэлектронной
аппаратуры, обеспечивающей автоматизацию сложных техно-
логических процессов и оборудования, развитие различных
областей народного хозяйства, космической и военной техники.
При создании полупроводниковых приборов и ИМС ис-
пользуют различные физико-химические процессы, непрерыв-
но совершенствуемое сложное оборудование и различные мето-
ды контроля параметров приборов и процессов, точность и
достоверность которых постоянно растет.
Значительное место в технологическом процессе изготов-
ления полупроводниковых приборов и ИМС занимают терми-
ческие операции, с помощью которых формируют диэлектри-
ческие, монокристаллические и поликристаллические слои
на поверхности полупроводниковых пластин, а также диффу-
зионные слои в приповерхностной области.
Для получения заданных параметров этих слоев и обеспе-
чения требуемых производительности, воспроизводимости и
качества процессов необходимо выбирать оптимальные режимы
термических операций, использовать автоматизированное уп-
равление процессами и контроль их параметров.
При формировании слоев применяют различные методы,
оборудование, рабочие среды.
Диэлектрические слои получают термическим окислением
и азотированием, а также пиролитическим и плазмохимичес-
ким осаждением.
Диффузию примесей выполняют в открытой трубе, ампуле
и бокс-методом.
При эпитаксиальном наращивании монокристаллических
пленок используют гидридный и хлоридный методы, молеку-
лярно-лучевую эпитаксию, высокочастотный или ИК-нагрев в
горизонтальных и вертикальных реакторах.
3
Поликристаллические пленки осаждают из газовой фазы
при атмосферном и пониженном давлении на эпитаксиальном
и диффузионном оборудовании.
В связи с малой толщиной слоев, составляющей доли мик-
рометра, и высокими требованиями к их электрофизическим
свойствам необходимо тщательно контролировать режимы их
формирования.
Настоящее учебное пособие является пятой книгой серии
’Технология полупроводиниковых приборов и изделий микро-
электроники” и содержит сведения об основных операциях
одного из важнейших этапов общего технологического процесса.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ФОРМИРОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛЕНОК
НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
§ 1. ВИДЫ, НАЗНАЧЕНИЕ, СВОЙСТВА
И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ПОЛ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛЕНОК
‘В технологии изготовления интегральных микросхем
(ИМС) используют диэлектрические пленки оксида, нитрида и
карбида кремния (SiO2, Si3N4, SiC), примесио-силикатиых
стекол (ФСС, БСС и др.), а также поликристаллического крем-
ния Si*. Такие пленки выполняют функции маскирующих,
изолирующих или пассивирующих слоев и могут служить кон-
структивными элементами ИМС.
Основное назначение пленок SiO2 толщиной более
0,2 мкм — создание маски, необходимой при локальной обра-
ботке поверхности полупроводниковых пластин (диффузии,
ионном легировании, травлении) для предохранения (маски-
рования) части поверхности пластин от диффузии основных
легирующих примесей (бора, фосфора, сурьмы, мышьяка).
При длительной диффузии или ионной имплантации такая
толщина пленки недостаточна.
Более высокие маскирующие свойства имеют пленки Si3N4
толщиной > 0,1 мкм. Они препятствуют диффузии в пластину
не только перечисленных примесей, ио и индия, галлия, алю-
миния и др. Нитрид кремния применяют также для создания
маски при травлении поверхности кремния и пленок SiO2,
а также в качестве защитного слоя (при защите ИМС от меха-
нических повреждений и воздействия окружающей среды).
Для электрической изоляции элементов микросхем и раз-
деления металлизированных слоев многослойных соединений
используют главным образом пленки SiO2.
Пассивирующие слои предохраняют поверхность полупро-
водниковых пластин с элементами ИМС от химической и элек-
трохимической коррозии, окисления, нитрирования, сульфата-
ции, гидратации и других воздействий окружающей среды,
обеспечивая стабильность свойств микросхем во времени.
Хорошие пассивирующие свойства имеют фосфорио-силикат-
ные стекла (ФСС), которые препятствуют диффузии щелоч-
ных металлов (Na, К).
При температуре 1000—1100° С ФСС растекается по поверх-
ности пластины, сглаживая ее рельеф (планаризация поверх-
5
ности). Примесно-силикатные стекла могут служить источни-
ками легирующих примесей при диффузии.
Слои SiO2 и Si3N4 в качестве конструктивных элементов
ИМС используют как подзатворный диэлектрик в МДП-тран-
зисторах.
Поликристаллический кремний (поликремний) применяют
в МОП-приборах для формирования электрода затвора, как
проводящий материал при многоуровневой металлизации,
как материал контактов для приборов с неглубокими р-и-пе-
реходами, а также для изоляции активных элементов микро-
схем путем прокисления Si*.
Пленки карбида кремния служат в основном для стабили-
зации поверхности оснастки. Например, им покрывают поверх-
ность графитовых подложкодержателей (карбидизация под-
ложкодержателей).
В зависимости от назначения к диэлектрическим и поли-
кремниевым пленкам предъявляют различные требования.
Так, маскирующие пленки не должны быть пористыми, так
как они являются барьером для диффундирующих легирую-
щих примесей, должны хорошо тормозить ионы при ионном
легировании, а также обеспечивать получение минимального
клина травления (вертикальные стенки протравленных окон)
при локальном травлении.
Изолирующие пленки также не должны иметь пор, чтобы
не происходило замыкание металлизированных слоев. Они
должны иметь высокие диэлектрические свойства.
Пассивирующие слои должны иметь высокую стойкость
к влажным и агрессивным средам, стабильную во времени.
Подзатворный диэлектрик должен иметь минимальный
положительный заряд, высокие защитные и диэлектрические
свойства.
Пленки поликремния при использовании их в качестве
затворов и межсоединений должны иметь низкое собственное
сопротивление, а в качестве контактов — минимальное сопро-
тивление на границе с кремнием. Размер0зерен поликремния
должен находиться в интервале 500 - 1000 А.
Все пленки не должны иметь и не должны создавать в припо-
верхностном слое полупроводникового материала больших
механических напряжений, которые могут привести к дефек-
тообразованию и короблению пластин.
Состав, структура, физические (табл. 1) и химические
свойства пленок существенно зависят от метода их получения
(табл. 2).
Методы формирования диэлектрических пленок могут
быть основаны на образовании пленок за счет материала под-
6
ложки (термическое, ионно-плазмеиное окисление кремния
и др.) или на осаждении материала пленки из внешней среды
(пиролиз, плазмохимическое осаждение и т.д.) . Вторые позво-
ляют формировать пленки SiO2 не только на кремнии, но и
на других полупроводниковых материалах (Ge, GaAs), кото-
рые не имеют собственных хорошо маскирующих оксидов,
а также осаждать другие материалы (Si3N4, оксинитриды,
примесно-силикатные стекла).
Таблица!. Свойства диэлектрических и поликремниевых пленок
Свойства Материал пленок
Термичес- кий SiOj Плазмо- химичес- кий SiOj Si3N4 Si*
Плотность, г/см 3 Диэлектрическая посто- 2-2,3 2,3 2,9-3,1 2-2,1
явная Удельное сопротивление, 3,2-3,4 — 6-7 —
Ом • см Электрическая проч- Ю15-1017 ю16 1016 10-2-10-5
кость х Ю6, В/см Коэффициент преломле- 1-10 3-6 10 —
НИЯ Температурный коэффи- циент линейного расши- 1,46 1,47 2,01 4-4,5 (Хо= = 6328 А)
рения х 10“б, К-1 Упругие напряжения в пленке на кремниевой 0,4-0,5 — 3 —
пластине, МПа -300 (сжимаю- щие) -30 (сжима- ющие или рас- тягиваю- щие) -1000 (растя- гиваю- щие)
Поликремниевые пленки осаждают рри пониженном и
атмосферном давлении путем разложения силана, трихлор-
силана, четыреххлористого кремния в диффузионных, эпитак-
сиальных и плазмохимических реакторах. Этот метод позволяет
получать пленки однородного состава и структуры, а также
вести процесс при низкой температуре с высокой скоростью
осаждения.
7
Таблица 2. Методы получения диэлектрических пленок
Метод Материал пленок Область примене- ния пленок Особенности метода
Термическое SiO2 Маскирование, под- Высокие температуры и
окисление затворный диэлек- трик, источник примеси при диф- фузии механические напряжения (дефектообразование, ко- робление) , низкая порис- тость пленок
Термическое Si3N„ Геттер с нерабочей Высокие температуры, низ-
азотирование стороны кие толщина и качество пленок
Пиролитичес- SiO2 Изолирующие и Более низкие температуры
кое осажде- пассивирующие и механические напряже-
ние ФСС слои ния, высокая равномер- ность толщины и структу- ры, более высокая по- ристость пленок
Si3N„ Маскирование, под- затворный диэлек- трик, "жесткая маска”, геттер с нерабочей стороны Более низкие температу- ры, высокая равномер- ность структуры, большие механические напряжения, низкая пористость пленок
SiC Пассивирование подложкодержате- лей эпитаксиаль- ного оборудования Высокие температуры
Плазмохими- SiOj, Пассивирующие Низкие температуры и
Ческое осаж- дение (ПХО) Si3N„ СЛОИ уровень механических на- пряжений, более высокая пористость пленок
§ 2. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ КРЕМНИЯ
При термическом окислении пленка SiO2 образуется за
счет химического взаимодействия частиц окислителя с атомами
кремния. Ее рост происходит в приповерхностном слое крем-
8
ниевой пластины (рис. 1), вследствие чего ~40 % толщины ок-
сидной пленки (dt) образуется за счет материала кремниевой
пластины. Из-за большого сродства к кислороду поверхность
кремния уже при комнатной температуре бывает покрыта
пленкой оксида толщиной ~50 -г 100 А. Для увеличения ее тол-
щины до требуемой необходима термическая стимуляция окис-
ления.
Процесс термического окисления происходит в несколько
стадий (рис. 2) : адсорбции 1 — осаждения частиц окислителя
(О2, Н2 О) из парогазовой смеси (ПГС) иа внешней поверх-
ности оксида; диффузии 2 частиц окислителя через оксид к
границе раздела Si — SiO2; химического взаимодействия 3
окислителя с кремнием и образования новых слоев SiO2; диф-
фузии 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 повышен-
ном давлении (~2 МПа) и температуре 500 — 800° С.
Химические реакции, описывающие процесс термического
окисления кремния в кислороде и парах воды, имеют соответ-
ственно следующий вид:
Si + О2 -* SiO2
Si + 2H2O -+ SiO2 +2Н2
Таким образом, рост оксида происходит иа 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 мед-
ленной стадии. После достижения некоторой критической тол-
щины SiO2 такой стадией является диффузия окислителя сквозь
Рис. 1. Вид кремниевой пласти-
ны исходной толщины h с плен-
кой 8Юг толщиной d
Рис. 2. Кинетика процесса
термического окисления
9
растущую пленку к границе раздела Si — SiO2. Коэффициенты
диффузии частиц О2 и Н2О сильно зависят от температуры и
для кислорода существенно ниже, чем для водяного пара. Поэ-
тому скорость роста оксида во влажном кислороде выше,
чем в сухом (табл. 3) .
Процесс окисления описывается линейно-параболическим
законом
d2 + Ktd =K2t,
где d — толщина оксида; t — время окисления; Ki и К2 —
соответственно линейная и параболическая константы ско-
рости окисления. Линейная составляющая скорости роста свя-
зана с химической реакцией на границе раздела, а параболичес-
кая — с диффузионной стадией.
При температуре выше 1000° С процесс окисления подчи-
няется 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 кристалло-
Рис. 3. Зависимость толщины слоя
оксида от времени окисления во
влажном кислороде для разных
ориентаций плоскости окисляемой
поверхности
графической ориентации окис-
ляемой поверхности. Так, для
кремниевых пластин (рис. 3)
с ориентацией (111) скорость
окисления несколько выше
(темные точки), чем с ори-
ентацией (100) (светлые точ-
ки) 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 — SiO2),
поэтому при их получении
часто используют комбиниро-
ванное окисление. При этом
вначале в сухом кислороде
выращивают тонкий (~0,1
10
мкм) слой оксида, затем во влажном кислороде доращивают
его до толщины ~ 0,2 4- 0,8 мкм и завершают процесс вновь
окислением в сухом кислороде.
Таблица 3. Скорости роста слоев SiO2 в различных окислителях
(полученные экспериментально)
Окислитель Температура окисления, °C Время получения, ч, слоя толщиной
0,5 мкм 1 мкм
Сухой кислород 1000 30 —
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
§ 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ
Обычно термическое окисление кремния проводят в одно-
зонной диффузионной печи СДО-125/3 или в автоматизирован-
ных диффузионных системах АДС-3-100 и АДС-6-100, имеющих
соответственно три или шесть реакционных камер. Реакционная
камера (рис. 4) состоит из кварцевой трубы 4, проходящей
через муфель печи с резистивными нагревателями 6. Для изго-
товления трубы используют кварц специальной очистки (дваж-
ды переплавленный в вакууме) для исключения попадания
примесей из оснастки в приповерхностный слой кремниевых
пластин.
Рис. 4. Схема камеры для термического окисления кремния:
1 - датчики расхода газов; 2 - дозатор водяного пара; 3 - каме-
ра испарения; 4 — кварцевая труба; 5 — кассета с пластинами;
б - резистивные нагреватели; 7 - нагреватель воды; 8 - вентили
И
Рис. 5. Автоматизированная диффузионная система АДС-3-100:
1 - автозагрузчики; 2 - пульт программного управления;
3 — устройство газового распределения; 4 — диффузионные
Температура в рабочей зоне реактора поддерживается
в диапазоне 700 — 1250° С с точностью до 0,5° С автоматичес-
кими системами терморегулирования.
Пластины располагают вертикально в пазах специальной
кассеты (лодочки) 5, выполненной из кварца или высокоом-
ного кремния. Расстояние (шаг) между пластинами обычно
составляет 2—4 мм. Кассету с пластинами задвигают в рабочую
зону кварцевого реактора автозагрузчиком. Газовую смесь
(газ-носитель и кислород) подают в зону реактора из газовой
магистрали, открывая вентили 8, а пары воды — из камеры
испарения 3, имеющей нагреватель 7. Расход и концентрацию
парогазовой смеси регулируют датчиками расхода газов 1 и
дозатором 2.
Автоматизированная диффузионная система АДС-3-100
имеет вид, показанный на рис. 5. В установке имеются три диф-
фузионные однозонные печи 4 с кварцевыми реакторами (тру-
бами) 5 диаметром 150 мм, предназначенными для проведения
процессов окисления или диффузии на пластинах диаметром
до 100 мм в потоке парогазовой смеси в открытом
прямоточном реакторе. Каждый реактор снабжен индивидуаль-
12
5
6
7
8
однозонные печи; 5 - кварцевые реакторы; 6 - блок пыле-
защиты; 7 - камера вытяжки; 8 - пульты управления авто-
загрузчиками
ным автозагрузчиком 1 с пультом управления 8. Механизм
автозагрузчика кварцевым толкателем вдвигает перед началом
и выдвигает после окончания процесса кассету с пластинами
со скоростью 10 — 60 см/мин, а также во избежание привар-
ки к стенкам трубы возвратно-поступательно перемещает ее в
трубе с амплитудой ~ 20 мм во время процесса окисления.
Труба со стороны автозагрузчика закрыта заслонкой, кото-
рая поднимается в момент загрузки пластин в реактор и опус-
кается после их загрузки.
Задавать определенную скорость загрузки и выгрузки
пластин необходимо для того, чтобы обеспечить их равномер-
ный нагрев по всей площади. Если пластины в высокотемпера-
турную зону трубы загружать (выгружать) быстро, то возни-
кает градиент температур по радиусу пластин, вызванный их
взаимным экранированием. Это связано с Тем, что в вертикаль-
ном ряду пластины расположены с малым шагом, из-за чего
их нагрев или охлаждение происходит через периферийные
области, температура которых может отличаться от температу-
ры центральных областей на 50 — 100 градусов. Радиальный
температурный градиент РТГ приводит к появлению терми-
13
Рис. 6. Линии скольжения иа кремниевых пластинах
после термической обработки:
a- Si (111); б-Si (100)
ческих напряжений, превышающих предел текучести кремния,
пластическим деформациям пластин и образованию на них линий
скольжения (рис. 6). Для ряда ИМС линии скольжения ухуд-
шают их параметры и даже приводят к отказам. Термические
напряжения и пластические деформации вызывают также иска-
жения геометрической формы пластин (коробление).
Снизить радиальный температурный градиент и исключить
генерацию линий скольжения можно, используя ’’мягкие” ре-
жимы термического окисления (рис. 7). Пластины загружают
за время г3 в рабочую зону печи, предварительно нагретую
до безопасного температурного уровня Т’предв, равного 800
или 850° С для кремниевых пластин диаметром соответственно
100 и 76 мм (при такой температуре линии скольжения в крем-
нии не образуются). Затем нагревают пластины вместе с печью
до рабочей температуры Гр со скоростью Рф = 10 4- 30 град/мин
(при которой РТГ незначителен). После выдержки пластин
при этой температуре в течение времени t их вместе с печью
охлаждают до температуры Т’дредв со скоростью v0CT « 8
град/мин и выгружают за время /выгр.
Предотвратить образование линий скольжения можно
Рис. 7. Диаграмма "мягкого” режима
нагрева и охлаждения пластин при
окислении
также медленной загруз-
кой в зону с рабочей
температурой и выгруз-
кой кассеты так, чтобы
скорость нагрева или ох-
лаждения йе превышала
10 — 30° С/мин, и увели-
чением шага между плас-
тинами (устанавливать их
через 1—2 паза). В
последнем случае снижа-
14
ется производительность процесса обработки за счет уменьшения
числа пластин в партии. Однако при этом на пластинах увели-
чивается площадь зоны, пригодной для изготовления ИМС.
Для того чтобы воздушная среда в зоне установки кассеты
на загрузочную площадку была чистой, в системе АДС-3-100
имеются блок пылезащиты 6 и камера вытяжки 7 (см. рис. 5).
В блоке пылезащиты имеется вентилятор для нагнетания возду-
ха, который, пройдя через фильтры, продувает сверху вниз
рабочую зону.
Электропечами установки АДС-3-100 управляют с пульта
программного управления 2, с которого оператор может задать
и скорректировать программу проведения процесса в каждом
реакторе, по цифровым индикаторам контролировать ход
ее выполнения, питающее напряжение на нагревателе, темпе-
ратурный профиль печи, регистрируемый термопарами, нали-
чие воды в системе охлаждения и расход газов. С пульта управ-
ляют последовательностью всего цикла операций и выдают
команды на исполнительные элементы. При аварийной ситуации
кассеты с пластинами принудительно автоматически выгружа-
ются.
Устройство газораспределения 5 служит для подготовки
парогазовой смеси определенного состава и подачи ее в рабо-
чую зону реакторов. Оно состоит из газовых блоков с датчи-
ками расхода газов, вентилей для регулировки газовых пото-
ков и электромагнитных клапанов. Предельные нормы расхо-
дов газов газовых блоков: кислорода 300 л/ч, азота или аргона
для продувки реакционной трубы и удаления остатков реаген-
та 500 л/ч. В потоке этих газов также загружают кремниевые
пластины.
Основным недостатком термического окисления является
высокая температура процесса, которая может привести к де-
фектообразованию и короблению пластин, а также к измене-
нию параметров ранее сформированных диффузионных слоев.
В то же время это оборудование относительно совершенно,
управляемость процессом на нем более оперативна, чем на дру-
гом, характеристики получаемых оксидных пленок более
высокие.
§ 4. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ
И В ГАЛОГЕНОСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ
Окисление полупроводниковых пластин при высоком
давлении позволяет получать оксиды при относительно низких
температурах за время, соизмеримое с временем обычного
высокотемпературного процесса при атмосферном давлении.
15
При повышении давления в реакционной камере возрастает
концентрация атомов и молекул окислителя в газовой среде,
что приводит к увеличению скорости роста пленки.
Для окисления под давлением используют установку ”Тер-
моком”, в которой имеется камера высокого давления из нер-
жавеющей стали с встроенными в нее резистивным нагревате-
лем и кварцевым реактором. Пластины обрабатывают при тем-
пературе 700 — 1100° С и давлении до 2 МПа. При высокой
температуре время выращивания слоя оксида значительно
сокращается, пленки оксида имеют более высокие, чем выра-
щенные при атмосферном давлении (см. табл. 1), коэффициент
преломления (п =1,48) и плотность (р =2-,4 г/см3). Статический
заряд, состав и структура молекул оксида существенных раз-
личий не имеют.
Если в парогазовую смесь ввести галогены, то свойства слоя
оксида улучшаются (снижается пористость, повышаются диэ-
лектрические свойства), дефектность кремния под оксидом
уменьшается (снижается плотность дефектов), скорость роста
пленки увеличивается. Обычно используют следующие парога-
зовые смеси: газообразный НС1 и сухой О2; газообразный
НС1, сухой О2 и пары Н2О.
При окислении применяют специальные дозаторы, которые
позволяют тонко регулировать концентрацию хлорпарогазовой
смеси и сохранять ее состав неизменным до конца процесса.
При работе с НС1 необходимо соблюдать осторожность,
поскольку он токсичен и вызывает коррозию металлических
частей оборудования.
§ 5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ
ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ
Перед проведением процесса окисления необходимо
проверить правильность работы исполнительных механизмов
автозагрузчика и пульта программного управления диффу-
зионной системы. Печи системы должны быть выведены на
предварительный температурный уровень (750 — 900° С).
На пульте управления программатором и газораспределитель-
ным блоком устанавливают режимы: температурно-временные,
подачи и расхода газов, а также водяного пара. Пластины после
химической обработки и визуального контроля качества по-
верхности размещают с заданным шагом в кассете, которую
ставят на приемную площадку загрузочного устройства в обес-
пыленном скафандре. Запускают программатор, автома-
тически управляющий последовательным выполнением тех-
нологических переходов: включает подачу газа для продувки
16
реактора, автозагрузчик, нагреватели, которые поднимают тем-
пературу печи до рабочей с заданной скоростью, подачу паро-
газовой смеси, таймер для контроля времени выдержки пластин
на заданном температурном уровне, выключает нагреватели
для того, чтобы охладить печь, контролирует выгрузку пластин
из реактора.
После завершения процесса окисления пластины контро-
лируют под пучком осветителя и под микроскопом на наличие
и цвет оксида, а также качество поверхности (отсутствие мато-
вости, светящихся точек, разводов и т.д.).
§ 6. ПИРОЛИТИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ SiO2
Пиролитическое осаждение используют для получения
толстых слоев оксида кремния при низких температурах, когда
термическое окисление неприемлемо из-за существенного из-
менения параметров предшествующих диффузионных слоев.
Пиролитическое осаждение обеспечивает большую производи-
тельность, высокую равномерность слоев, качественное покры-
тие уступов металлизации и позволяет создавать изолирующие
и пассивирующие слои не только на поверхности кремния, но
и германия, арсенида галлия, а также других материалов. По-
мимо оксида кремния осаждают слои SiC, Si3N4, ФСС и поли-
кремния.
При пиролитическом осаждении оксида кремния проис-
ходит термическое разложение сложных соединений кремния
(алкоксисиланов) с выделением SiO2, например:
тетраэтоксисилана
Si(OC2H5)4 65°-700°с SiO2l + 2H2O + 4C2H4
тетрамето ксисил ана
Si(OCH3)4 80°-850°с SiO2; + 2С2Н4+2Н2О
или оксиление моносилана
SiH4 + 2О2 400 - 450° с SiO2M2H2O
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 + 6H2t
образуя оксид фосфора, который легирует SiO2. В пленке
оксида кремния оказывается 1 — 3 % фосфора, за счет чего
повышается ее термомеханическая прочность, пластичность и
2-554 1 7
снижается пористость. При содержании фосфора до 8-9 % слои
ФСС используют для планаризации поверхности пластин, имею-
щей рельеф.
§ 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПИРОЛИТИЧЕСКОГО
ОСАЖДЕНИЯ SiO2
Пиролитическое осаждение проводят в установках ’’Изо-
трон”, имеющих три варианта исполнения. Конструктивно
(рис. 8) установка представляет собой трехтрубную диффуз-
ную печь и имеет реакторы 3 с горячими стенками, работающие
при пониженном давлении в режиме непрерывной откачки
их объема. Нагревательный элемент 10 состоит из трех секций.
Пластины устанавливают в кассету 2 вертикально (как и при
термическом окислении) по всей длине рабочей зоны, равной
600 мм.
Газовая смесь поступает с одного конца реактора и откачи-
вается с другого. Предельное разряжение в реакторе установки
не выше ~0,7 Па, рабочее давление при напуске газов варьиру-
ется в пределах от 13 до 670 Па.
Система откачки реактора имеет диффузионный 7 и мас-
Рис. 8. Схема установки для пиролитического осаж-
дения SiO2 :
I — датчик давления; 2 - кассета с пластинами;
3 - кварцевый реактор; 4 - водоохлаждаемая
заглушка; 5 — кран впуска азота; 6 - фильтр;
7 - диффузионный насос; 8 - масляный насос;
9 - очиститель; 10 - резистивные нагреватели
18
ляный 8 с очистителем 9 насосы, фильтр б, кран впуска азота
5 и заглушку 4. Датчик 1 позволяет контролировать давление
в реакторе. Установка работает в автоматическом режиме,
основные параметры выводятся на ЭВМ.
В таких устройствах скорость осаждения SiO2 составляет
~0,2 мкм/ч, ФСС — 0,7 — 0,8 мкм/ч. Наиболее важными фак-
торами, определяющими скорость осаждения, являются темпе-
ратура пластин, состав и расход газов, а также давление
в реакторе.
Пленки SiO2, полученные пиролитическим осаждением,
имеют более высокую пористость, чем при термическом окис-
лении, однако в них ниже уровень механических напряжений.
§ 8. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ
ПРИ ПИРОЛИТИЧЕСКОМ ОСАЖДЕНИИ SiO2
После подготовки к работе газовой и вакуумной систем,
электропечи и пульта программного управления включают
электропечь и выводят ее на заданный температурный режим.
Затем набирают с помощью коммутационных штырей (на
установке ”Изотрон-1”) или на программаторе (на установках
”Изотрон-2” и ”Изотрон-3”) необходимую программу. Проду-
вают реактор, загружают пластины в кассету и вдвигают ее
в рабочую зону печи. Запускают программатор.
Далее следуют операции: предварительная откачка реактора,
выдержка его в течение 30 — 40 мин для стабилизации темпе-
ратуры в рабочей зоне, подача реакционных газов, регулиро-
вание расхода для обеспечения заданного давления в реакторе,
осаждение, отключение подачи газов, откачка до предельного
вакуума, продувка реактора инертными газами (например, Аг),
разгерметизация рабочей камеры и выгрузка пластин.
§ 9. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ SiO2
При плазмохимическом осаждении (ПХО) процесс разло-
жения кремнийсодержащих соединений активизируется высо-
кочастотным (ВЧ) разрядом, образующим в газовой среде
при пониженном давлении низкотемпературную кислородную
плазму. Плазма состоит из атомов, радикалов, молекул в раз-
ных степенях возбуждения, а также электронов и ионов. Плаз-
мохимическое осаждение обычно проводят при давлении в реак-
ционной камере 66 — 660 Па и частоте ВЧ-разряда 13,56 -
40 МГц. Температура процесса более низкая, чем при пироли-
тическом осаждении, благодаря чему получаемый оксид крем-
ния можно использовать для пассивации поверхности ИМС,
2** 19
так как не происходит взаимодействия кремния с металлом
проводников.
Механизм образования пленок при ПХО состоит из трех
основных стадий: образования в зоне разряда радикалов и
ионов, адсорбции их на поверхности пленки SiO2 и перегруппи-
ровки адсорбированных атомов. -Перегруппировка (миграция)
адсорбированных поверхностью атомов и стабилизация их
положения представляют важную стадию роста пленки.
Одновременно с образованием пленки происходит десорб-
ция 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 плот-
ностью и более однородным составом.
При стимулировании процесса осаждения плазмой появля-
ются новые параметры, влияющие на скорость осаждения плен-
ки, ее состав, плотность, показатель преломления, равномер-
ность, внутренние напряжения и скорость травления. Кроме
температуры, состава газовой смеси, ее расхода, давления,
геометрии реактора на скорость окисления влияют ВЧ-мощ-
ность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстоя-
ние между ними.
В качестве рабочих газов обычно используют соединения
кремния и окислители:
Si2 О (СН3) 6 + 8О2 230- 250°С 2SiO2; + н2 о + 6СО2 + 8Н2
а также гексаметилдисилоксан
SiH4 + 4N2O 200 ~ 350 ° С SiO2 ф + 4N2 + 2Н2 О
Скорость осаждения SiO2 при этом методе от 0,1 до 10 мкм/ч.
§ 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО
ОСАЖДЕНИЯ SiO2
Плазмохимическое осаждение проводят в установках
УВП-2М и УВП4АМ, отличающихся конструкцией подколпач-
ных устройств и систем ВЧ-возбуждения плазмы. В установке
УВП-2М реакционная камера представляет собой коаксиальную
систему со штыревыми электродами (рис. 9, а). Подложко-
держатель 3 с крышкой 1 выполнен в виде составной пирамиды
из дюралюминия, на внутренней поверхности которой крепят-
ся пластины 7. Пирамида изолирована от системы ВЧ-воз-
буждения. Плазма зажигается между стержневыми электродами
2; включенными в сеть ВЧ-генератора. Газовую смесь подают
через газораспределитель 4. Подколпачное устройство монти-
20
руют на сварной металлической плите 6. Колпак 5 из нержаве-
ющей стали поднимается и опускается гидроприводом.
В установке УВП-4АМ (рис. 9, б) стержнеобразные элек-
троды заменены коаксиальным 2, и плазма зажигается между
ним и подложкодержателем 3. Скорость осаждения в этой
установке почти в два раза выше и составляет ~1 мкм/ч. Равно-
мерность слоев ± 10 %. Пленки имеют самый низкий уровень
механических напряжений (по сравнению с полученными терми-
ческими и пиролитическими методами осаждения). Однако
у них большая дефектность и остаточный заряд.
§ 11. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ
ПРИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ОСАЖДЕНИИ
Перед началом работы проверяют работоспособность всех
агрегатов установки и приводят все органы управления в исход-
ное состояние. Затем включают электропитание, подают сжатый
воздух, горячую и холодную воду, технологические газы. Вклю-
чают механизм подъема колпака, загружают пластины на под-
ложкодержатель, опускают колпак. Нажимают кнопки управ-
ления насосами, подачей воды и газов. На регуляторе темпе-
ратуры устанавливают заданное значение, включают кнопку
’’Нагрев” для прогрева пирамиды. Включают подачу реаген-
тов, ВЧ-генератор и проводят процесс.
По окончании процесса отключают ВЧ-генератор, подачу
газов и воды, разгерметизируют рабочую камеру, поднимают
колпак и разгружают пирамиду.
Рис. 9. Схема иодколиачного устройства плазмохими-
ческих реакторов для осаждения SiO2 установок
УВП-2М (о) и УВП-4АМ (б) : '
1 - крышка; 2 - электроды; 3 - подложкодержа-
тель; 4 - газораспредслители; 5 - колпак; 6 - плита,
7 - пластины 21
§ 12. СВОЙСТВА ПЛЕНОК НИТРИДА КРЕМНИЯ
Нитрид кремния Si3N4 широко используют не только в
микроэлектронике, он является эффективным высокотемпе-
ратурным покрытием для металлов и применяется в газовых
турбинах в виде прессованных из порошка изделий. Нитрид
кремния имеет две стабильные кристаллические модификации —
а и Р. При температуре ниже 1150 — 1250° С преобладает а-
модификация, при более высоких — 0. В ходе кристаллизации
отмечается ориентирующее действие пластины кремния на рас-
положение растущих кристаллов.
Пленки нитрида кремния, химически осажденные при тем-
пературе 700 — 1000° С, представляют собой аморфный диэ-
лектрик, содержащий до 8 об. % водорода. Атомы водорода в
пленке связаны как с атомами азота, так и с атомами кремния.
Количество связанного водорода зависит от температуры осаж-
дения и от соотношения реагентов в газовой фазе. Большая кон-
центрация водорода в пленках наблюдается при низкой темпе-
ратуре осаждения и при более высокой концентрации аммиа-
ка в парогазовой смеси.
Пленки нитрида кремния, осажденные при низких значениях
концентраций аммиака относительно силана (или четырех-
хлористого кремния) в газовой фазе, содержат большее коли-
чество атомов кремния. При этом может нарушаться стехио-
метрия пленки и вырастать пленка оксинитрида Si^O^N^, кото-
рая имеет промежуточные свойства между пленками нитрида
кремния и его оксида. Высокий коэффициент преломления
указывает на присутствие в пленках избыточных атомов крем-
ния, а низкий — на наличие примеси кислорода. Кислород в
пленке нитрида кремния способствует увеличению скорости
ее травления. Поэтому коэффициент преломления и скорость
травления (табл. 4) являются основными параметрами для
определения качества осажденных пленок.
Таблица 4. Скорость растворения пленок в различных травителях
Травитель О Скорость, А/мин, растворения пленок
Si3N4 Six°A SiOj • Si*
48 %ч!ая HF (плавиковая кислота) Буферный травитель: 1 ч. 48 %- ной HF + 10 ч. 40 %-ного NH4F 130-150 300-5000 5000 0
(плавиковая кислота с фто- ристым аммонием) 5 10-50 1000 0
22
Продолжение табл. 4
Травитель 0 Скорость, А/мин, растворения пленок
Si3N4 Six°yNz SiO2 Si*
85%-ная Н3РО4 при 180° С (ортофосфорная кислота) 125 мл HNO3 + 25 мл HF + + ПО мл СН3СООН (концент- 60-1000 10-1000 8-10 5
рированные азотная, плавико- вая и уксусная кислоты) 16 20-2000 1000 25000
§ 13. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК НИТРИДА КРЕМНИЯ
Прямое азотирование. Еще в 1844 г. пленки
Si3N4 получали пропусканием азота над нагретой поверхностью
кремния при высоких температурах (1200 — 1250° С).
3Si +2N2 = SijK,
О
После получения первоначального слоя толщиной 100—150 Адиф-
фузия азота к поверхности кремния резко замедляется и для по-
лучения пленок больших толщин требуется значительное время
(5 — 7 ч). При прямом азотировании поверхности кремния
структура получаемых пленок кристаллическая.
Пиролитическое осаждение. Наиболее часто
пленки нитрида кремния получают при пиролизе силана с
аммиаком
3SiH4 +4NH3 = Si3N4 4-+ 12Н21
При этом в зависимости от типа выбранного оборудования плен-
ки могут быть получены в широком диапазоне температур и
скоростей роста. Так, для эпитаксиального оборудования харак-
терен диапазон температур 800 — 1250° С. При этом скорости
осаждения пленок 0,1 — 0,45 мкм/мин при составе смеси SiH4 :
NH3 = 1 : 100 и рабочем газе-носителе Н2. Пленки Si3N4,
полученные на таком оборудовании, имеют наибольшую плот-
ность (3,0 - 3,1 г/см3) и коэффициент преломления (2,01 —
2,03). Однако это оборудование имеет низкую производитель-
ность, так как одновременно может быть загружено только
20 — 40 пластин диаметром 100 мм.
При пиролитическом осаждении на установках ”Изотрон”
диапазон рабочих температур 600 — 800° С, скорость осажде-
ния составляет 0,15 — 0,18 мкм/ч, рабочее давление газа 15 —
600 Па. При этом, однако, возможно неконтролируемое осы-
23
пание продуктов реакции со стенок горячей кварцевой трубы
на растущую пленку. Такое оборудование позволяет одновре-
менно обрабатывать 60 — 80 пластин диаметром 100 мм.
При использовании пленок Si3N4 в качестве пассивирую-
щего покрытия готовых микросхем рабочая температура осаж-
дения не должна превышать 100 — 350° С. В этом случае осаж-
дение проводят на плазмохимическом оборудовании УВП-2М
и УВП-4М. При этом скорость осаждения не превышает 0,3 —
0,7 мкм/ч, а получаемые пленки имеют низкую плотность (2,4 —
2,6 г/см3) и коэффициент преломления (1,8 — 1,9). Рабочий
диапазон давлений в реакционной камере 60 - 600 Па, частота
ВЧ-разряда 13,66 — 40 мГц.
Последовательность технологических переходов при полу-
чении пленок Si3N4 аналогична рассмотренной ранее при полу-
чении пленок оксида кремния.
Нитрирование галогенидов кремния.
Пленки нитрида кремния можно получать нитрированием четы-
реххлористого кремния
3SiCl4 + 4NH3 = Si3N4( + 12НСИ
Если в качестве газа-носителя используют азот, то пленки
Si3N4 получают в диапазоне температур 550 — 1250° С. При
фиксированном парциальном давлении NH3 (около 35 • 102 Па)
по мере увеличения парциального давления SiCl4 (от 0,01 до
1,33 • 102 Па) скорость осаждения увеличивается линейно
от 0,01 до 0,1 мкм/мин.
Замечено, что при . повышении температуры осаждения
пленок Si3N4, их плотность и показатель преломления увеличи-
ваются.
§ 14. СТРУКТУРА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
КРЕМНИЯ
Основными параметрами, определяющими применимость
поликристаллических пленок кремния ППК, являются размер
зерен и удельное сопротивление. При использовании ППК для
создания затворов МДП-транзисторов и эмиттерных областей
биполярных транзисторов необходимо, чтобы размер зерен
был 0,05 — 0,1 мкм и удельное сопротивление составляло
0,001 Ом • см.
Было замечено, что скорость осаждения ППК остается при-
мерно постоянной в диапазоне температур от 900 до 1150° С.
Резкое уменьшение скорости осаждения наблюдается при тем-
пературе ниже 800° С. Размер зерен и однородность поверх-
ности для нелегированных ППК существенно зависят от темпе-
24
ратуры, времени осаждения и газа-носителя. Так, в атмосфере
газа-носителя водорода зерна растут медленнее, и поверхность
пленок более однородна, чем в атмосфере гелия.
В общем случае механизмы роста зерен ППК в процессе
их нанесения или темообработки можно подразделить на три
вида.
Деформационн о-и ндуцированный рост —
рост зерен за счет накопленной энергии деформаций (в резуль-
тате внедрения ионов, атомов примесей) при постоянной тем-
пературе внутри кристалла. Его можно описать соотношением
L = kxt, где L — средний размер зерен; кх — постоянная; t —
время термообработки.
Рост, обусловленный значением энер-
гии границы раздела зерен при отсутствии
на ней примесей. Он описывается соотношением
L=k^l\
Рост, обусловленный значением энер-
гии границы раздела зерен при наличии
на ней легирующей примеси. При наличии приме-
сей рост зерен замедляется и их размер описывается вы-
ражением
L =k3tlH
Считается, что в любом случае механизм роста зерен в
ППК определяется диффузией кремния, а атомы кремния прод-
вигаются последовательными скачками через границы зерен,
поэтому скорость роста зерен определяется скоростью само-
диффузии. Если каким-либо образом атомам кремния в одном
зерне сообщить дополнительную энергию, то они будут мигри-
ровать от одного зерна к другому быстрее, способствуя перед-
вижению границ и соответствующему росту зерен. Другими
словами, энергия процесса роста зерен определяется разностью
энергий атомов на их границе и энергией границы раздела между
зернами.
Чаще всего ППК осаждают на поверхности диэлектрических
пленок оксида или нитрида кремния. При использовании ППК
в качестве межсоединений часть пленки контактирует непосред-
ственно с кремнием.
В зависимости от толщины ППК и температуры их осажде-
ния зерна ориентируются в основном по трем кристаллографи-
ческим направлениям: [110] , [111] , [100] , причем ориента-
ция зависит от температуры. Так, при осаждении ППК на плас-
тину кремния с ориентацией пластины (111) для температур
ниже 750° С текстура (предпочтительная ориентация) ППК,
осажденной на немаскированной и маскированной оксидом
25
поверхности, совпадает с ориентацией пластины, а при тем-
пературах осаждения 800 — 850° С несколько разориентирована
с преобладанием текстуры, соответствующей ориентации крем-
ниевой пластины, т. е. (111).
§ 15. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
КРЕМНИЯ
Впервые тонкие ППК были получены вакуумным испаре-
нием кремния на плавленый кварц. При этом удавалось полу-
чать пленки с минимальным сопротивлением (0,1 Ом • см)
и подвижностью носителей заряда ~ 120 см2/(В • с). В пленках
обнаруживалась электропроводность p-типа. При температурах
плавленого кварца 500 — 800° С получали аморфную структуру
пленки, при 900° С — ориентация зерен соответствовала < 110>,
при 1000 - 1050° С — < 110> и < 111 >. Размер зерен колебался
от 0,3 — 0,5 до 1 — 2 мкм.
В настоящее время для получения тонких ППК (табл. 5)
наиболее широко применяют установки ”Изотрон” с кварце-
выми реакторами пониженного давления (РПД) . Для осаждения
используют реакцию пиролиза силана в диапазоне температур
600 — 800° С при давлении в реакторе 60 — 600 Па. На установ-
ках "Изотрон” можно реализовать два варианта подачи паро-
газовой смеси: с односторонним и распределенным вводом.
В реакторе существует градиент температуры, однако в зоне
осаждения ее поддерживают постоянной. Так как во время
процесса ППК осаждаются также и на кварцевых стенках реак-
тора, на кассетах, то необходимо очищать оснастку примерно
через каждые 20 процессов. Ориентация зерен ППК также за-
висит от технологических параметров (табл. 6).
Для осаждения ППК на эпитаксиальном оборудовании
(табл. 7) при атмосферном давлении чаще всего используют
также реакцию пиролиза силана. При изменении температуры
и скорости осаждения удается получить размер зерна 0,05 —
0,15 мкм. По сравнению с осаждением в РПД при осаждении
на эпитаксиальном оборудовании скорости роста ППК значи-
тельно выше; при одинаковой температуре процесса размер
зерен меньше; можно проводить дополнительную газовую очист-
ку поверхности хлористым водородом НС1 или гексафторидом
серы SF6; добиться воспроизводимости по толщине ППК 8 —
10 %. Однако производительность процесса в этом случае в
2-3 раза меньше, чем при осаждении в РПД на установках
"Изотрон”.
Наиболее предпочтительной в ППК является ориентация
(110), причем с увеличением толщины пленки эта ориентация
26
становится наиболее вероятной. То же наблюдается и для пле-
нок, полученных на эпитаксиальном оборудовании при атмо-
сферном давле!гии. Это свидетельствует о том, что определяю-
щим при выращивании ППК эпитаксиальным методом явля-
ется механизм роста, обусловленный энергией границы разде-
ла зерен: зерна с ориентацией, при которой меньше энергия их
раздела, растут за счет зерен с большей энергией границы их
раздела. Такой процесс называют вторичной рекристаллизацией.
Таблица 5. Характеристики ППК, осажденных в РПД на пластину
оксида кремния
Газовая среда Давление, Па Толщина слоя, мкм Температура осаждения, °C Скорость рос- та х Ю'3, мкм/мин Толщина ППК, мкм Размер зерна, мкм
47-67 0,1 620 И 0,26 0,05-0,1
— 0,1 620 11 0,47 0,15-0,2
SiH4 - 0,1 620 11 1,05 0,3-0,4
4 0,1 575 5 0,44 0,02-0,03
4 0,1 625 10 0,5 0,09
27 0,1 625 10 0,5 0,05-0,16
27 1,4 625 10 0,55 0,16
SiH4 + РОС13 27 0,5 625 10 0,2-2,0 0,2-1,50
27 0,5 625 10 0,4 0,05
27 0,1 625 10 0,4 0,05
27 0,1 625 10 0,57 0,05
Таблица 6. Текстура ППК, осажденных в РПД
на пластину оксида кремния
Темпера- тура осаж- дения, ° С Скорость роста х х ю"3, мкм|4мин Толщина ППК, мкм Предпочтительная текстура в относ, ед. к любым возможным ориентациям в единице объема
<111> <110> <311> <331>
580 7,0 0,32 0 0 0 0
600 7,3 0,50 8 324 19 29
620 11,0 0,26 10 102 21 0
620 11,0 0,47 12 422 33 19
620 11,0 1,05 12 2000 56 221
620 9,9 0,45 И 259 21 19
27
Таблица 7. Характеристики ППК, осажденных при атмосферном давлении на эпитаксиальном оборудовании
Газовая среда Материал пластины или диэлектрика на пластине Температу- ра осажде- ния, С Скорость роста, мкм/мин Толщина ППК, мкм Размер зерна, мкм Тип реакто- ра Предпочтитель- ная ориентация
S1H4 + Нз SiO2 на Si (111) 700 To же 850 950 1050 1150 0,06-0,5 0,5 5,0 5,0-15,0 5,0-15,0 0,5-1,0 1,0-15,0 0,05 0,1 0,3-0,6 0,4 -0,8 0,15-0,25 0,4-1,5 Горизон- тальный Л Л у у Л Л Л Л S S £ £ £ £ А А О О О *- I £ £ V V V V ' £ § i V V
SiH4 + н2 SiO2 на Si (100) 1050 0,27 1,0-5,0 0,1-1,0 < 110>
SiHCl3 + Н2 SiO2 + Si2N4 на Si (Ш) 1000-1250 2,0 20-150 0,1-10,0 (кластеры) < 110>
SiH4 + Н2 SiO2 на Si (111) Кварц 600-750 650 0,03 0,06 0,1-1,0 1-3 2 0,25-0,35 0,2-0.3 (легирован- ные) Вертикаль- ный <110>
SiBr4 + Н2 Сапфир 750-900 0,02-0,3 1-3
S1H4 + Н2 + AsH3 SiO2 на Si (111) 730 0,06 0,45 0,1 <110>
Для получения на эпитаксиальном оборудовании при атмо-
сферном давлении более толстых пленок (140 — 200 мкм), при-
меняемых в качестве изолирующего материала и несущей основы
в структурах с полной диэлектрической изоляцией, используют
другие процессы.
Восстановление тетрабромида кремния
водородом. Основная реакция этого процесса
SiBr4 + 2Н2 + Sil + 4HBrt
Осаждение ППК проводят при температурах 750 — 850° С,
концентрации SiBr4 в водороде 1—2 мол. % и скорости общего
газового потока 15-30 л/мин для эпитаксиального реактора
диаметром 160 мм. При температуре выше 750° С около 50 —
60 % SiBr4 реагирует с водородом. При скорости газового пото-
ка 75 — 100 л/мин в реакторе вертикального типа удается полу-
чать воспроизводимость по толщине ± 3 %.
Восстановление трихлорсилана водо-
родом. При восстановлении трихлорсилана водородом ки-
нетика реакции проще, чем в тетрабромидном процессе. Основ-
ная реакция в этом случае
SiHCl3 + Н2 -> SH + ЗНСИ
При изменении парциального давления трихлорсилана в
диапазоне 13,3 — 20 Па и температуре 1000° С скорость осаж-
дения изменяется от 0,8 до 2,0 мкм/мин пропорционально
скорости реакции. Для осаждения предпочтительно использо-
вать эпитаксиальное оборудование с вертикальным кварцевым
реактором.
Сравнительные характеристики методов получения и облас-
тей применения ППК приведены в табл. 8.
Таблица 8. Сравнительные характеристики методов
получения ППК
Метод Область применения Особенности метода
Восстановле- Несущая основа при создании При высоких температу-
ние водоро- ИМС с полной диэлектрической рах предпочтительная
дом (хлорид- изоляцией текстура <110> по всей
ный) толщине; зависимость
механических напряже-
ний в пленке от режимов
осаждения; большой раз-
мер зерен
29
Продолжение табл. 8
Метод Область применения
Особенности метода
Пиролитичес- Затворы МДП-транзисторов, Пониженные тсмперату-
кое осаждение омические контакты, резисто- ры и давление в реакто-
(гидридный) ры, источники легирующей ре; текстура <110>,
примеси <111>, <100>; малый
размер зерен
Обработка по- При выращивании в едином Большие дозы и энергии
верхности Si процессе поли- и монокристал- пучков ионов; малый
ионами Аг с лических структур размер зерен
последующим
термоотжигом
§ 16. ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦ ЗЕРЕН НА СВОЙСТВА
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Различия между электрофизическими свойствами пленок
из поликристаллического и монокристаллического кремния
связано с наличием зерен в ППК. Влияние границ зерен на харак-
теристики пленок описывают двумя моделями.
Первая модель — модель сегрегации примесей.
Согласно этой модели на границе зерен имеются граничные
ловушечные состояния, образованные за счет оборванных атом-
ных связей, дефектов, диффузии и сегрегации (выделения)
примесей. Подавляющая часть таких состояний — это оборван-
ные связи трехвалентных атомов кремния. Они являются цент-
рами захвата неосновных носителей заряда (уменьшают время
их жизни и диффузионную длину) .
Вторая модель — модель захвата носителей заряда.
Согласно такой модели на границе зерен возникает потенциаль-
ный барьер и обедненная носителями заряда область. Барьер
препятствует току, создаваемому основными носителями заря-
да, и приводит к снижению их подвижности и повышению эф-
фективного сопротивления ППК.
§ 17. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Нелегированные ППК, осажденные в диапазоне температур
800 — 1035° С, имеют сопротивление (3^5) • 10s Ом • см
при изменении толщины от 0,5 до 25 мкм. Легируют ППК
тремя способами: в процессе осаждения, термической диффу-
зией и ионной имплантацией.
По первому способу в парогазовую смесь реактора добав-
30
ляют газообразный фосфин РН3 или арсин AsH3. При этом
ППК имеют электропроводность л-типа. При добавлении дибо-
рана В2Н6 получают электропроводность р-типа.
От концентрации легирующей примеси зависят размер зер-
на, структура поверхности и предпочтительная ориентация
ППК (табл. 9.) Слаболегированные образцы имеют однородную
мелкозернистую структуру, а сильнолегированные — грубую
неровную поверхность с большим размером зерен.
Аналогичная структура наблюдается при двух других спосо-
бах: ионной имплантации и термической диффузии в ППК
фосфора и мышьяка. Бор влияет на стимуляцию роста зерен
мало, в то время как мышьяк и фосфор способствуют увели-
чению их размера при концентрациях легирующей примеси
выше 1019 см-3. Такие отличия во влиянии на размер зерен
ППК трех различных типов легирующих примесей связаны с
коэффициентом сегрегации, а также с изменением энергии гра-
ницы зерен.
С ростом концентрации легирующей примеси наблюдается
сближение значений сопротивлений ППК и монокристалличес-
ких образцов. ППК, легированные фосфором концентрацией
более 1О20 см-3, имеют меньшее сопротивление, чем легирован-
ные тем же количеством мышьяка.
Таблица 9. Характеристики легированных бором ППК
Параметр ППК Значения при концентрации носителей заряда,
ю14 1017 1019
Размер зерна, мкм 0,025-0,035 0,09-0,11 0,2-0,3
Предпочтительная ори- ентация зерен Произвольная Произвольная <110>
Структура поверхнос- ти Зеркально- Слегка тусклая Слегка матовая
ровная
Таблица 10. Параметры ионного легирования ППК
Толщина, мкм Легирующая примесь Энергия, кэВ Доза, см-2
1,0-5,0 в 135 1012 - 81015
1,0-1,12 в 60 1012 — 8 1015
0,4 р 50 1016
31
Рис. 10. Зависимость
сопротивления р ППК
с размером зерна 0,02
мкм (кривая 1) и 0,12
мкм (кривая 2), а
также монокристалли-
ческого кремния (кри-
вая 5) от концентра-
ции примеси, введен-
ной ионным легирова-
нием
Продолжение табл. 10
Толщина, мкм Легирующая примесь Энергия, кэВ _2 Доза, см
0,25 р 50 ЗЮ14
0,5 р 50 5-Ю15
0,5 В, Р, As 200 1014 - 1016
0,44 Р, As 150 51015 -51016
При ионном легировании можно точно контролировать
количество вводимой примеси. Это позволяет широко исполь-
зовать этот метод при легировании ППК. В зависимости от
толщин ППК для ионного легирования применяют различные
дозы примеси и энергию ионов (табл. 10). При среднем уровне
легирования небольшое изменение концентрации приводит
к резкому уменьшению удельного сопротивления ППК
(рис. 10). Например, изменение концентрации легирующей
примеси от 5 1017 до 1019 уменьшает сопротивление ППК
на шесть порядков (от 8 • 104 до 8 • 10~2 Ом • см).
§ 18. ОТЖИГ, РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ОКИСЛЕНИЕ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Термическая обработка играет важную роль в изменении
структуры и проводимости ППК, так как при высоких темпе-
ратурах происходит активация примеси и рост размера зерна.
Для уменьшения сопротивления перед отжигом рекомендуется
наносить на ППК при низких температурах (500° С) слой оксида
или нитрида кремния. Вторичная рекристаллизация (более быст-
рый рост отдельных зерен) при термообработке приводит к
изменению предпочтительной ориентации ППК.
32
При термическом окислении размер зерна и толщина ППК
существенно влияют на однородность и бездефектность полу-
чаемого оксида. На мелкозернистой гладкой ППК вырастает
сравнительно равномерная по толщине пленка. В пленках,
толщина которых сравнима с размером зерен, возможно сквоз-
ное окисление по границам зерен, поэтому поверхность оказы-
вается неровной.
Для изоляции одного уровня межсоединений из ППК от
другого используют химически осажденный при температуре
630° С оксид кремния.
Температурный режим окисления оказывает влияние на диэ-
лектрические свойства и однородность изолирующей пленки.
Так, при окислении при температуре 900° С в газовой среде
О2 + 10-6 об. % Н2О получают оксид с шероховатой поверхностью;
повышение температуры до 1100° С позволяет получить глад-
кую поверхность пленки.
§ 19. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЭМИТТЕРА
Последовательность формирования поликристаллического
эмиттера представлена на рис. 11. После создания на пластине
2 «-типа пленки оксида 2 толщиной 0,6 мкм проводят фото-
литографию и вскрывают базовую область 1 (рис. 11, а) . Диффу-
зией бора создают базовый переход 3 глубиной 1 — 1,1 мкм
(рис. 11,6). Затем проводят термическое окисление и фото-
литографию для вскрытия эмиттерных областей (рис. 11, в).
Далее пиролизом моносилана с добавлением фосфина при
температуре 700° С осаждают легированную ППК 4 (рис. 11,
г). После этого на поверхности ППК при температуре 700 —
750° С на установках "Изотрон” формируют пленку оксида
или нитрида кремния 5 толщиной 0,2 мкм (рис. 11,6), которая
препятствует обратной диффузии примеси при последующем
высокотемпературном отжиге.
Далее при температуре 1000° С в атмосфере азота на диф-
фузионном оборудовании проводят отжиг. После отжига можно
получить поверхностную концентрацию примеси 2 • 1О20 см-3,
в то время как создать мелкие переходы (глубиной 0,2 —
0,3 мкм) с такой же концентрацией легирующей примеси диф-
фузионным и ионным легированием нельзя.
После формирования мелкого перехода 6 пленку оксида
или нитрида кремния удаляют жидкостным или плазмохими-
ческим травлением, проводят фотолитографию и оставляют
ППК только над областями эмиттетров (рис. 11, е). Наконец,
создают металлизацию 7 (рис. И ,ж) например из А1.
3-554 33
§ 20. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПЛЕНКИ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ
В последнее время ППК широко применяют для заполне-
ния узкой (шириной 1 — 1,5 мкм) изолирующей щели, что
позволяет повысить степень интеграции ИМС. Для этого плаз-
мохимическим травлением на всю толщину эпитаксиального
и скрытого слоя (4,5 — 5,5 мкм) прорезают щель. Проводят
ее термическое окисление на глубину 0,2 — 0,3 мкм, а затем
пиролизом силана осаждают ППК при
температуре 600 — 700° С на установ-
ках ’’Изотрон”.
Другой метод состоит в том, что
на кремниевую пластину наносят фото-
резист, выполняют фотолитографию и
вскрывают области будущей изоляции.
Затем проводят ионное легирование ар-
гоном при дозе (2 -г 2,5) • 1014 см-2
и энергии 200 кэВ. При этом происхо-
дит аморфизация поверхности в немас-
кированных фоторезистом участках. Да-
лее фоторезист удаляют, проводят хи-
мическую очистку поверхности и осаж-
дение в хлоридном или гидридном
процессе эпитаксиального слоя (ЭС).
В аморфизованных областях подложки
вырастают поликристаллические области,
а в пеаморфизованных — монокристал-
лические. Этот метод позволяет одно-
временно формировать изолирующие
(поликристаллические) и монокристал-
лические области в одном процессе.
Рис. 11. Последовательность формирования
поликристаллического эмиттера:
а - термическое окисление, фотолитография
и вскрытие базовой области; б - форми-
рование базы, термическое окисление, фото-
литография; в - вскрытие эмиттерных об-
ластей; г - осаждение легированной ППК;
д - осаждение SiO2; е - термический высо-
котемпературный отжиг, травление SiO2, фото-
литография и травление ППК; ж - металли-
зация
34
§ 21. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПЛЕНКИ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
ДЛЯ ГЕТТЕРИРОВАНИЯ МИКРОДЕФЕКТОВ
Для уменьшения плотности дефектов при выращивании
эпитаксиальных слоев используют осаждение ППК на нерабо-
чую поверхность кремниевой пластины. ППК получают пиро-
лизом моносилана либо на эпитаксиальном оборудовании,
либо на установках ”Изотрон”. Обычно толщина ППК составля-
ет 0,5 — 5,0 мкм.
На нерабочей поверхности ППК формируют следующим
образом. Вначале исходная кремниевая пластина подвергается
термическому оксидированию. Затем на рабочую поверхность
наносят фоторезист. Далее пластины обрабатывают в плавико-
вой кислоте HF до полного удаления SiO2 с нерабочей поверх-
ности. После этого удаляют фоторезист с рабочей поверхности
и пластины устанавливают рабочей поверхностью в сторону
поддожкодержателя. Оксид кремния (толщиной 0,6 — 2 мкм)
предотвращает механическое повреждение рабочей поверх-
ности при установке на поддожкодержатель. Наконец, пироли-
зом силана на нерабочей поверхности осаждают ППК толщиной
1,5—2 мкм при температуре 750° С. После осаждения ППК
пластину вторично обрабатывают в плавиковой кислоте ддя
удаления оксида с рабочей поверхности. Полученная таким
образом структура готова ддя проведения операций по марш-
руту.
§ 22. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ
Одним из перспективных методов получения поликрис-
таллического карбида кремния кубической модификации
является высокотемпературный синтез из газовой фазы. Су-
ществует два основных способа реализации этого метода. При
первом (двухкомпонентный вариант) в качестве исходных
веществ применяют летучие соединения углерода (С6Н6СН3,
СН4С14 и др.) и летучие соединения кремния (SiCl4, SiH2Cl2,
SiH4 и др.), при втором — летучие кремнийорганические сое-
динения (Si(CH3)4, CH3SiCl3, С2Н5, SiH3 и др.).
Первым способом S1C можно получать за счет
реакций:
при температуре 1700° С
SiCl4 +ССЦ SiCI + 8HClt
при температуре 900 — 1000° С
7SiH4+C7H8 -> 7SiCl + 18H2t
з**
35
При проведении высокотемпературного синтеза исполь-
зуют смесь двух различных веществ, отличающихся по терми-
ческой устойчивости и поэтому разлагающихся с различной
скоростью и полнотой. Это требует создания в газовой фазе
2 — 3-кратного избытка летучего соединения кремния, точной
дозировки и поддержания расходов летучих соединений крем-
ния и углерода.
Второй способ существенно упрощает проведение
процесса. Реакция разложения метилтрихлорсилана
CH3SiCl3 -» SiCI + 3HClt
проводится в диапазоне температур 1250 — 1600° С.
При обоих способах для переноса исходных продуктов
к нагретой поверхности в качестве газа-носителя используют
азот или водород, прошедший предварительную очистку от
влаги и кислорода.
Для получения карбида кремния на графитовом подлож-
кодержателе используют реакцию восстановления четырех-
хлористого кремния SiCl4 водородом при температурах 1925 —
2000° С. В этом случае сначала при температуре 800 — 850° С
на графитовый подложкодержатель осаждают ППК толщиной
10 — 15 мкм, а затем при более высоких температурах про-
водят отжиг в атмосфере водорода. При этом происходит диф-
фузия кремния в графит с образованием SiC.
Чтобы нанесенный таким образом слой SiC не растрескивал-
ся при термоциклировании, на подложкодержатель предва-
рительно осаждают пироуглерод. Пироуглеродное покрытие
на графитовом подложкодержателе получают термическим
разложением химически чистого толуола С6Н5СН3 при темпе-
ратуре 1100° С. Графитовый подложкодержатель обычно порис-
тый (до 35 %), поэтому при загрузке и выгрузке пластин на
эпитаксиальном оборудовании он насыщается атмосферным
воздухом, и при последующем процессе (во время эпитак-
сиального роста) может происходить образование оксида как
на нерабочей, так и на рабочей поверхностях пластин. Наличие
на поверхности подложкодержателя пироуглерода на 5 — 6
порядков увеличивает газонепроницаемость (газоплотность)
и позволяет получать качественные структуры на эпитаксиаль-
ном оборудовании (табл. 11).
При получении SiC в газе-носителе SiCL» — С7Н8 — Н2 при
температуре 1500 — 1800° С образуется черный кристалличес-
кий карбид. При температуре 1850 — 1900° С и отношении
SiCl4 : С7Н8 = 2 : 1 -5- 10 : 1 образуется желтый SiC. При низ-
ких концентрациях SiCl4 при осаждении получают свободный
углерод, при соотношении SiCl4 : С7Н8 = 2:3 покрытие сос-
36
Таблица 11. Содержание примесей в различных сортах графита
и пироуглерода
Материал Содержание примесей, масс. %
Си Ti А1 Fe Mg
Отожженный гра- фит марки АРВ <10“5 5,5-10~s 10“5 7,2-Ю"5 Не обна-
Отожженный графит марки ГМЗ 4’Ю-4 ' 5-IO-3 3,8-10-4 2-Ю-4' ружен 2-Ю"4
Пленка пироугле- рода < 10"5 Не обнару- 6 10"5 Не обна- 1,3 -Ю-4
ружен ружен
тоит только из углерода, а при высоких концентрациях SiCl4 —
только из Si.
Предварительное нанесение на графитовый подложкодержа-
тель пироуглерода позволяет получать более крупнозернистый
SiC с меньшим содержанием азота и большим удельным сопро-
тивлением.
На основе карбида кремния можно изготовлять контакт-
ные датчики для измерения температуры агрессивных сред.
Организация рабочего места
Рабочее место оператора по нанесению диэлектрических и поликрем-
ниевых пленок должно быть расположено в пылезащитном скафандре
с избыточным давлением очищенного воздуха, подаваемого в него.
На столе устанавливают микроскоп с увеличением до 200х н осветитель
ОИ-9М. Рядом должны находиться бюкс со спиртом н чашка Петрн с
салфетками из безворсовой ткани для протирки пинцетов н кварцевых
подставок, на которых устанавливают кассету при загрузке в нее пластин.
В перерывах между процессами кварцевую оснастку хранят в азот-
ном шкафу нли в начальной зоне кварцевого реактора.
§ 23. РАСЧЕТ И МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
НАПРЯЖЕНИЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛЕНКАХ
После нанесения пленок и остывания пластин в материале
как пленок, так и пластин возникают механические напряжения,
вызванные различием температурных коэффициентов линейно-
го расширения (ТКЛР) полупроводниковых и диэлектрических
37
материалов и межатомных расстояний (структурное несоответ-
ствие) . Последний фактор присущ пленкам нитрида и поликрис-
таллического кремния; для оксидов и примесно-силикатных
стекол более важное значение имеет различие ТКЛР (aSj =
= 2,5 • 10"6 l/°C,«SiOj = 0,4 10"6 1/° С).
Если пленки наносились на обе стороны пластин, то в них
и в пластинах будут иметь место напряжения растяжения или
сжатия. При нанесении пленки на одну сторону пластины воз-
никают также изгибающие напряжения, которые приводят к
деформации пластин (рис. 12). Обычно для кремниевых плас-
тин с односторонней пленкой окисленная сторона выпуклая,
в самой пленке оксида возникают напряжения сжатия (со
стороны кремния), а в приповерхностном слое кремния —
напряжения растяжения.
Такой эффект объясняется тем, что ТКЛР оксида кремния
примерно на порядок меньше, чем кремния, т. е. при остыва-
нии пленка оксида не сможет занять такую же площадь, как
поверхность кремниевой пластины и будет стараться растянуть
ее. Кремний, в свою очередь, будет пытаться сжать пленку до
тех размеров, которые после остывания займет он сам. В ре-
зультате пластина изгибается.
Для нитрида кремния и поликремния разница ТКЛР с
кремнием невелика, и изгиб происходит из-за несоответствия
кристаллических структур пленки и кремния на границе раз-
дела. Поверхность с пленкой Si3N4 обычно вогнутая, а с плен-
кой поликремния может быть как выпуклой, так и вогнутой.
По радиусу кривизны или стреле прогиба можно количест-
венно оценить возникшие в диэлектрической пленке напряже-
ния по формуле
апл= £Л2/[6(1-д)рйпл]; 0M=WF/[3(1-д)^2/гпл] ,
где Е и р — модуль упругости и коэффициент Пуассона матери-
ала пластины; h, d, р, F — соответственно толщина, диаметр,
радиус кривизны и стрела прогиба пластины; йпл — толщина
пленки.
В приповерхностном слое полупроводникового материала
при этом возникают напряжения
a = 4a h th ,
пп пл пл' ’
Рис. 12. Изгиб пластин под
действием сжимающих на-
пряжений в пленках SiO2
(с) и растягивающих в
пленках Si3N4 (б)
38
что примерно на два порядка меньше, так как толщины пленок
составляют микроны, а пластин — сотни микрон.
Измеряют радиус кривизны рентгеновским или лазерным
методом по углу отражения пучка. Для определения стрелы
прогиба используют профилограммы изогнутой поверхности
пластин.
Снизить механические напряжения в пленках можно, умень-
шая температуры их нанесения, согласуя ТКЛР пленок и крем-
ния (изменением структуры, зернистости) и используя дву-
сторонние пленки, которые уравновешивают напряжения на
обеих сторонах пластины и не вызывают ее изгиба.
Остаточные напряжения могут привести к растрескиванию
и отслоению пленок, увеличению их пористости, а также дефек-
тообразованию в приповерхностном слое полупроводникового
материала при проведении последующих высокотемпературных
операций. Особенно опасны напряжения в местах ’’обрыва”
пленок (окна после литографии), где они возрастают в 5 — 10
раз (эффект концентрации напряжений).
§ 24. КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ И КОЭФФИЦИЕНТА
ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛЕНОК
Контролируемыми технологическими параметрами диэлек-
трических и поликремниевых пленок являются толщина, коэф-
фициент преломления и дефектность. При выполнении исследо-
вательских работ измеряют также плотность, диэлектрическую
постоянную, электрическую прочность, удельное сопротивление,
температурный коэффициент линейного расширения, оценивают
адгезию, химический состав и структуру пленок. Толщину
диэлектрических пленок измеряют цветовым, интерференци-
онным и эллипсометрическим методами.
Цветовой метод используют для зкспресс-конт-
роля толщины пленок SiO2 и Si3N4 соответственно до 1,5 и
0,33 мкм. Он основан на окрашивании пленок разных толщин
в разные цвета за счет интерференции в них одной из составляю-
щих белого цвета, длина волны которой кратна толщине пленки
(табл. 12).
Из таблицы видно, что через некоторый диапазон толщин
(например, для SiO2 — 0,16 — 0,24 мкм, для Si3N4 — 0,12 —
0,14 мкм) цвета повторяются. Порядковый номер каждого
диапазона соответствует порядку отражения. Если номинал
толщины пленки неизвестен, то ее травят ”на клин” и опреде-
ляют порядок отражения по числу повторений цвета первой
полосы, начиная от чистого кремния. Опытный оператор по
цветовой шкале может определить толщину пленки с точностью
до 100 - 200 А. 39
Рис. 13. Интерференционные картины при контроле
толщины диэлектрических пленок:
1 - от поверхности пластины, покрытой пленкой;
2 - от чистой поверхности пластины; 3 ~ от поверх-
ности пленки
Интерференционный метод определения
толщины диэлектрических пленок основан на интерференции
лучей, отраженных от поверхности пластины и пленки. Эти
измерения могут быть проведены с разрушением и без разру-
шения пленки. В первом случае часть пленки стравливают и
получают ступеньку. В поле зрения микроинтерферометра
МИИ-4 наблюдают интерференционную картину (рис. 13, а).
Если целостность пленки не нарушать, то интерференцион-
ная картина будет другой (рис. 13, б). Когда система интер-
ференционных полос от пучка, отраженного поверхностью
пленки, имеет слабуюо интенсивность, напыляют на ступеньку
тонкий (200 — 300 А) слой алюминия, который усиливает
интенсивность картины и, кроме того, делает пленку непро-
зрачной.
Таблица 12. Цвета пленок SiOj и S13N4 в зависимости от их толщины
SiOj
Порядок интерфе- Толщина, Цвет
ренции МКМ
0,05 Бежевый
0,07 Коричневый
I 0,10 Темно-фиолетовый
0,12 Голубой
0,15 Светло-го лу бо й
0,17 Цвет кремния
40
Продолжение табл. 12
SiOj
Порядок интерфе- ренции Толщина, мкм Цвет
0,20 Светло-золотистый
0,22 Золотистый
I 0,25 Оранжевый
0,27 Красно-фиолетовый
0,30 Фиолетово-голубой
0,31 Голубой
0,32 Зелено-голубой
0,34 Светло-зеленый
0,35 Зеленый
II 0,36 Желто-зеленый
0,37 Зелено-желтый
0,39 Желтый
0,41 Светло-оранжевый
0,42 Розовый
0,44 Фиолетово-красный
0,46 Красно-фиолетовый
0,47 Фиолетовый
0,48 Голубовато-фиолетовый
0,49 Голубой
0,50 Голубовато-зеленый
III 0,52 Зеленый
0,54 Желто-зеленый
0,56 Зелено-желтый
0,58 Светло-оранжевый
0,60 Розовый
0,63 Фиолетово-красный
0,68 Голубой
0,72 Голубовато-зеленый
0,77 Желтоватый
IV 0,80 Оранжевый
0,82 Желтовато-розовый
0,85 Светло-красно-фиолетовый
V 0,86 Фиолетовый
0,87 Голубовато-фиолетовый
41
Продолжение табл. 12
S1O2
Порядок интерфе- ренции Толщина, Цвет мкм
V 0,89 Голубой 0,92 Голубовато-зеленый 0,95 Желто-зеленый 0,97 Желтый 0,99 Оранжевый 1,00 Розовый 1,02 Фиолетово-красный 1,05 Красно-фиолетовый
VI 1,06 Фиолетовый 1,07 Голубовато-фиолетовый 1,10 Зеленый 1,11 Желто-зеленый 1,18 Фиолетовый 1,19 Красно-фиолетовый 1,21 Фиолетово-красный
VII 1,25 Оранжевый 1,28 Желтоватый 1,32 Светло-зелено-голубой 1,40 Оранжевый 1,45 Фиолетовый
VIII 1,46 Голубовато-фиолетовый 1,50 Голубой 1,54 Желто-зеленый
S13N4
Порядок интерфе- ренции Толщина, Цвет мкм
I 0-0,02 Кремния 0,02-0,04 Коричневый 0,04-0,055 Золотисто-коричневый 0,055-0,073 Красный
42
Продолжение табл. 12
SijN4
Порядок интерфе- ренции, Толщина, мкм Цвет
0,073-0,077 Темно-голубой
0,077-0,093 Голубой
0,093-0,1 Бледно-голубой
0,1-0,12 Кремния
II 0,12-0,13 Светло-желтый
0,13-0,15 Желтый
0,15-0,18 Оранжево-красный
0,18-0,19 Красный
0,19-0,21 Темно-красный
0,21 -0,23 Голубой
III 0,23-0,25 Голубовато-зеленый
0,25-0,28 Светло-зеленый
0,28-0,3 Оранжево-желтый
0,3-0,33 Красный
Расчет толщины d пленки производят по одной из формул:
d = 0,27 --- 4- ;
п - 1 г
d = 0,27 — 1. •
п I ’
d = 0,27 N2 j- ,
где N2 — расстояние между одинаковыми по цвету интерферен-
ционными полосами от поверхности чистой пластины и от нее
же после прохождения луча через пленку; N2 — расстояние
между одинаковыми полосами от поверхности пленки и чистой
пластины на ступеньке; п — показатель преломления материала
пленки; i — расстояние между соседними полосами.
Погрешность интерференционного метода связана с субъек-
тивной ошибкой оператора при измерении по шкале микро-
окуляра расстояний Ni, N2 и z и составляет ~ 10 %. При малых
толщинах пленок она может достигать 50 %.
Для более точного определения толщины диэлектрических
и поликремниевых пленок используют интерференционный
метод, основанный на спектральной зависимости коэффициента
отражения от поверхности раздела ’’пленка — пластина” в види-
43
мой области диапазона длин волн (0,33 —0,8 мкм). Положение
минимальных и максимальных значений коэффициента отра-
жения зависит от показателей преломления и поглощения, а
также от толщины пленки.
Обычно строят номограммы зависимости минимальных и
максимальных расчетных значений коэффициентов отражения
от толщины различных пленок. Затем с помощью спектро-
фотометра на специальном бланке записывают интерференцион-
ный спектр отражения контролируемого образца и путем нало-
жения и совмещения экстремальных точек бланка и номограм-
мы определяют толщину пленки. Случайная погрешность из-
мерения при этом методе составляет ~2 %.
Эллипсометрический метод измерения тол-
щины диэлектрических и поликремниевых пленок основан
на отражении линейно поляризованного лазерного луча от
покрытой пленкой поверхности полупроводниковой пластины.
После отражения получается эллиптически поляризованная
волна. Измерив эллипсометрические параметры поляризации
(Ди ф), определяют по номограммам толщину d пленки и
коэффициент преломления п.
Номограммы представляют собой семейство линий, по-
строенных в координатах Д и ф для слоев одинаковой толщи-
ны. Методом эллипсометрии можно выполнять контроль много-
слойных структур, например Si3N4 — SiO2 — Si, Si* — SiO2 — Si
и др. Для этого нужно знать показатели преломления всех
слоев и пластины.
Для определения толщины пленок с невысокой точностью
можно использовать метод сферического шлифа
и профилографический метод. Оба они разру-
шающие. В последнем формируют ступеньку, стравливая учас-
ток пленки, и записывают ее профиль на профилографе.
Погрешность измерения толщины пленок методом сфери-
ческого шлифа составляет 20 % при d < 0,1 мкм и 5 % при
0,4 мкм, а профилографом 5 — 15 %.
§ 25. КОНТРОЛЬ ДЕФЕКТОВ ПЛЕНОК
Дефекты в диэлектрических пленках могут иметь атомные
размеры (ионы примесей, кислородные вакансии и др.) —
микродефекты и представлять собой нарушения более круп-
ного масштаба (поры, каналы, кристаллические включения) —
макродефекты.
Микродефекты могут приводить к изменению диэлектри-
ческих свойств пленок, макродефекты — к ухудшению их мас-
кирующей, изолирующей и пассивирующей способностей. Че-
44
рез поры и каналы пленки могут проникать в поверхность полу-
проводникового материала примеси (при диффузии и из окру-
жающей среды), происходить замыкание слоев металлизации.
Дефектность диэлектрических пленок определяют методом
электролиза воды над поверхностью пленки или с помощью
жидких кристаллов.
Метод электролиза воды позволяет оце-
нить плотность пор (микроотверстий) по числу пузырьков газа,
наблюдаемых под микроскопом над поверхностью пленки
SiO2 или Si3 N4, деф/см2:
W = ЪпЦкБ),
где Хп — суммарное число пузырьков на контролируемой пло-
щади во всех полях зрения; к — число полей зрения; S — пло-
щадь поля зрения. Катодом при этом является сама пластина,
погруженная в деионизованную воду, а анодом — графитовый
зонд. Вода, проникая в микроотверстия диэлектрика, сопри-
касается с поверхностью кремниевой пластины и разлагается с
образованием пузырьков водорода.
Метод жидких кристаллов основан на том,
что при помещении таких кристаллов в электрическое поле
обнаруживают оптические эффекты: ориентационнный и ди-
намического рассеяния. Визуально оба эффекта проявляются
в виде высвечивания тех областей жидкого кристалла, нанесен-
ного на поверхность контролируемой пленки, которые сопри-
касаются с ее дефектными местами.
Жидкие кристаллы представляют собой сложные органи-
ческие вещества с определенной ориентацией молекул. При
приложении электрического поля ориентация в дефектных
местах нарушается и жидкий кристалл светится. Точки свече-
ния наблюдают и подсчитывают под микроскопом, а плотность
пор определяют так же, как при электролизе воды.
§ 26. КОНТРОЛЬ ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК
Плотность материала пленок можно определить по увели-
чению массы образца после их нанесения (толщина известна).
На практике чаще используют косвенные методы определения
плотности: по скорости травления или по коэффициенту прелом-
ления. Последний основан на том, что между плотностью и
коэффициентом преломления существует линейная зависимость:
р = А+Вп,
где р — плотность, г/см3; А и В — постоянные; п — коэффи-
циент преломления на длине волны X =0,5460 А.
45
Диэлектрическую проницаемость определяют по емкости
МДП-структуры. Электрическую прочность — по пробивному
напряжению при определенном токе.
Температурный коэффициент линейного расширения моно-
литных образцов определяют дилатометрическим методом по
приращению длины образца при изменении температуры в
заданном интервале. Для пленок ТКЛР можно найти и расчет-
ным путем — по прогибу пластины с односторонней пленкой
(при известных прочих упругих и физических константах мате-
риала пластины и пленки).
Адгезию пленок определяют методом царапания, отрыва
с помощью липких слоев, наносимых на испытуемую пленку
(например, слоя натурального латекса), резкого охлаждения
(например, до температуры жидкого азота —196° С).
Состав диэлектрических пленок определяют методом ин-
фракрасной спектрометрии (ИК-спектроскопия) по спектру
поглощения. Для SiO2 максимум поглощения соответствует
длине волны Л = 9,3 мкм, для Si3N4 Л = 11,6 + 12,1 мкм. При
наличии в пленках примесей кислорода, водорода, углерода
и других в спектре ИК-поглощения появляются дополнительные
максимумы, по интенсивности которых можно определить
относительное содержание этих примесей.
Структуру пленок исследуют электронно-микроскопичес-
ким или рентгеновским методами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие диэлектрические пленки используют для маскирования?
2. Какими методами наносят пленки Si3N4 на поверхность полу-
проводниковых пластин?
3. В чем преимущества и недостатки процесса термического окис-
ления?
4. Каков принцип работы оборудования для термического окис-
ления?
5. Какие разновидности термического окисления кремния вы знаете?
6. Какие исходные вещества используют при пиролитическом осаж-
дении?
7. Какую роль играет плазма в процессе ПХО?
8. Какие способы нанесения ППК вы знаете?
9. Каковы достоинства и недостатки ППК по сравнению с монокрис-
таллическим кремнием?
10. Каковы причины появления механических напряжений в диэ-
лектрических и поликремниевых пленках?
11. Какими методами измеряют толщину диэлектрических и поли-
кремниевых пленок?
46
12. Можно ли на термическом оборудовании получать диэлектрики
и ППК в едином процессе?
13. Чем вызвана предпочтительная ориентация в ППК?
14. Какими технологическими приемами можно снизить проводи-
мость ППК?
15. Какие факторы влияют на размер зерен ППК?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ В ПОВЕРХНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
§ 27. МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ
Для легирования поверхности полупроводниковых пластин
при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное леги-
рование. Диффузия является наиболее широко распространен-
ным методом легирования.
Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой
в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой темпе-
ратурой.
Атомы электрически активных примесей, проходя через
поверхность полупроводникового материала, диффундируют в
решетку кристалла и образуют области р- или л-типа электро-
проводности. Методом диффузии формируют активные, пас-
сивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локаль-
ную диффузию с применением защитных масок из диэлектри-
ческих пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси
во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей
маскирующих пленок. Возможны четыре механизма диффу-
зии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный.
В ак а н сионный механизм (рис. 14,а) обуслов-
лен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакан-
сий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и
межузельных атомов. При повышенной температуре атомы
в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равно-
весного положения. Время от времени они приобретают энер-
гию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и стано-
вятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Сосед-
ний атом, будь то атом примеси или собственный атом полу-
проводникового материала, может мигрировать на место этой
вакансии. Если мигрирующий атом является собственным,
то происходит самодиффузия, а если примесным - примес-
ная диффузия.
47
<9-^-0 О 0-0 О
a) s)
Рис. 14. Модели атомных механизмов диффузии в
полупроводниковых материалах:
а - вакансионный; б - межузельный; в - непрямо-
го перемещения по междоузлиям (эстафетный);
г - краудионный; I - атом примеси; 2 - собствен-
ный атом; 3 - вакансия
При межузельном механизме (рис. 14, б)
атом переходит из одного положения в другое, не попадая при
этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое
перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наи-
более вероятен для примесей, атомы которых имеют малые
размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоуз-
лиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы,
находящиеся в узлах.
На рис. 14, в показано движение межузельных атомов,
когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла
решетки и замещают его; вытесненный атом, в свою очередь,
становится межузельным. Такой механизм перемещения соб-
ственных или примесных атомов называют механизмом непря-
мого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным
механизмом. Если межузельный атом вытесняет атом, находя-
щийся в узле, смещая его на период решетки а (рис. 14, г),
то механизм диффузии называется краудионным.
Диффузия в кремний элементов. III и V групп периодичес-
кой системы происходит в основном по вакансионному меха-
48
низму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный ради-
ус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в крем-
нии) , их диффузия происходит по механизму прямого пере-
мещения атомов по междоузлиям.
§ 28. ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ
В качестве легирующих примесей используют элементы
III и V групп периодической системы. Для кремния — это бор
В — акцепторная примесь, создающая области p-типа электро-
проводности, фосфор Р, мышьяк As и сурьма Sb — донорные
примеси, создающие области и-типа. Акцепторные примеси
диффундируют быстрее, чем донорные из-за меньшего ионно-
го радиуса. Количество примеси, которое можно ввести в плас-
тину, не превышает ее предельной растворимости при данной
температуре в кремнии (табл. 13) .
Таблица 13. Максимальная растворимость примесей в кремнии
Примесь Максимальная раствори- Температура, ° С мость, ат/см“3
Алюминий Бор Фосфор СУрьма Мышьяк Золото Ю19-102а 1150 5-Ю20 1200 1,3-Ю21 1150 6-Ю19 1300 21021 1150 1012 1300
Важное значение имеет диффузия неконтролируемых приме-
сей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут
попадать в приповерхностный слой полупроводниковых плас-
тин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии
этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической
системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и
может привести к нежелательным изменениям свойств актив-
ных областей приборов. Это определяет жесткие требования
к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие
возможность попадания в рабочий объем диффузионного ре-
актора неконтролируемых примесей.
Источники легирующих примесей могут быть твердые,
жидкие и газообразные. Так, источниками бора служат: твер-
дые — В2О3 и Н3ВО3, жидкий ВВт3, газообразные — галоге-
ниды бора BCI3, BF3, BI3 и диборан В2 Н6.
Источниками фосфора являются: твердые — Р2О5, фос-
49
фаты аммония NH4H2P04 и (NH4)2HPO4, изредка элементар-
ный красный фосфор, жидкие — РОС13, РВг3 и РС13, газообраз-
ный — фосфин РН3.
В качестве источников мышьяка применяют: твердые —
порошок кремния, легированный мышьяком до предела раст-
воримости, оксид мышьяка As2 О3 и газообразный AsH3.
Для диффузии сурьмы используют твердые источники —
триоксид сурьмы Sb2 О3, газообразный SbH3 (стибин) .
Измельченные частицы твердых источников помещают
в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора.
Для подачи жидких источников в зону диффузии используют
специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реак-
тор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом-носите-
лем в заданных пропорциях. Основным недостатком при исполь-
зовании газообразных диффузантов является их токсичность,
в связи с чем необходимы специальные конструкции герметич-
ных реакторов. Однако при использовании газообразных диф-
фузантов легче дозировать количество вводимой примеси
и получать более высокую равномерность легирования.
Находят применение также поверхностные источники при-
меси — слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверх-
ность полупроводниковых пластин из жидких растворов —
эмулъситонов.
В последнее время в качестве источников примеси исполь-
зуют пластины из материалов, содержащих легирующую при-
месь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры,
что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету,
чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота
с кислородом. С течением времени поверхность источников
покрывается слоем оксида, препятствующего испарению при-
меси. Поэтому их периодически подвергают регенерации. Ис-
пользование пластин-источников позволяет получать высокую
равномерность легирования поверхности рабочих пластин.
При взаимодействии с поверхностью пластин источник
примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений,
осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь
высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверх-
ности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным,
токсичным, взрывоопасным.
§ 29. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ
ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО ИСТОЧНИКОВ
При формировании ИМС встречаются два случая диффузии:
из бесконечного и ограниченного источников. Под диффузией
50
ного
(постоянного) источника по
толщине пластины х:
Na - поверхностная концентрация
ценного источника по толщине
пластины х:
jV01, NQ2, jV03 - поверхностные
концентрации в момент времени
t2, t2, t2 соответственно; jV0 -
исходная поверхностная концен-
трация
из бесконечного (постоянного) источника понимают
такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее
из приповерхностного слоя полупроводникового материала,
восполняется равным количеством, поступающим извне. При
этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной,
но резко убывает по глубине р-и-перехода (рис. 15).
При использовании ограниченного источника
в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов
примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная
концентрация примеси со временем уменьшается (рис. 16).
Показанное на рисунке распределение 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.
1г
Рис. 17. Схема локальной диф-
фузии :
1 — маскирующий оксид; 2 -
диффузионная область; 3 — плас-
тина; - размер окна в оксиде;
/2 - размер полученной диффу-
зионной области; 6/ — уширение
диффузионной области за счет ис-
кривления фронта диффузии; xj —
глубина р-п-перехода
51
При локальной диффузии следует учитывать искривление
ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (рис. 17), кото-
рое увеличивает размеры диффузионной области на Д/ и влияет
на форму р-и-перехода. В структурах с малыми размерами
окон глубина р-и-переходов может быть завышена и неодно-
родна по пластине. Значения Д/ могут достигать 0,8 х..
§ 30. СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХ СТАДИЙНОЙ
ДИФФУЗИИ
При создании активных и изолирующих областей ИМС
часто используют двухстадийную диффузию (рис. 18). Для
этого вначале в поверхность полупроводникового материала
2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводят
определенное количество легирующей примеси из бесконечного
источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию
при небольшой глубине диффузионной области (’’загонка”
примеси) (рис. 18, tz, б) .
Первую стадию проводят при сравнительно невысоких
температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере.
На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла
4 (поверхностный источник), под которым формируется высо-
колегированный объемный источник 3 (рис. 18,6).
Вторую стадию — диффузионный отжиг, называемую ’’раз-
гонкой” (рис. 18, в), проводят предварительно удалив примес-
но-силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050 —
1230° С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспреде-
ляются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глуби-
на проникновения в полупроводниковый материал увеличи-
вается до заданной X]. Создается требуемая диффузионная об-
ласть 5. Температура и длительность второй стадии диффузии
определяются заданными параметрами р-и-перехода. Процесс
Рис. 18. Стадии ’’загонки” (а, б) и ’’разгонки” (в) примеси при
проведении двух стадийной диффузии:
1 - маскирующий оксид; 2 - пластина; 3 - объемный источник;
4 - примесно-силикатное стекло; 5 - диффузионная область
после разгонки; 6 - маскирующая пленка для последующей
литографии
52
ведут в окислительной
среде, одновременно
формируя маскирую-
щую пленку 6 для
последующей фотоли-
тографии.
Необходимость про-
ведения двухстадийной
диффузии при легиро-
вании бором связана с
тем, что требуется по-
лучать распределение
со сравнительно невы-
сокой поверхностной
концентрацией, а с по-
мощью одностадийной
диффузии это не всегда
удается. Для остальных
примесей двухстадий-
ная диффузия обеспе-
чивает заданные пара-
метры р-н-переходов и
возможность получе-
ния маскирующего ок-
сида. Двухстадийную
диффузию проводят
различными способами
(табл. 14).
Наиболее широко
в технологии производ-
ства ИМС используют способ диффузии в откры-
той трубе (рис. 19). Он является основным для первой
стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт.) загружают
в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сооб-
щающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с
газовой системой 1 подачи газа-носителя.
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 сопровожда-
ется реакциями
12 3 4 5 6
Рис. 19. Схема процесса диффузии в откры-
той трубе из газообразного или жидкого
(а), твердого (б) и поверхностного (в)
источников:
1 - газовая система; 2 - источник приме-
си; 3 - кварцевая труба; 4 - кремниевые
пластины; 5 - нагреватель; 6 - выходное
отверстие
в трубе 2РН3 -> ЗН2 + 2Р
4Р + 5О2 -> 2Р2О5
53
на поверхности Si
2Р2О5 + 5 Si -> 5SiO2 +4Р
Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-
носителем и также образуют оксиды соответствующих элемен-
тов, например:
4РОС13 + ЗО2 ->ЗР2О5+6С12
Диффузия из газообразных и жидких источников проводит-
ся в однозонной диффузионной печи с резистивными нагрева-
телями 5 (рис. 19, tz, в) .
Таблица 14. Способы проведения двухстадийной диффузии примесей
в поверхность полупроводниковых пластин
Способ диффузии Тип Особенности примеси
Диффузия в открытой трубе В, Р, Sb Легкая управляемость составом ПГС, ско- (твердый, ростью газового потока; атмосферное дав- жидкий,га- ление зообраз- ный источ- ники)
Ампульный As (твер- Большая трудоемкость и себестоимость (од- дый цсточ- норазовое использование ампулы); безопас- ник) ность диффузии мышьяка; вакуум 10-2 - 10~3 Па
Бокс-метод В, Р, Sb Широкие пределы регулирования концентра- (твердый ции примеси, отсутствие влияние газового по- источник) тока; атмосферное давление
При проведении диффузии из твердого источника в ряде
случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5
(рис. 19, б). При этом в низкотемпературной зоне помещают
источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с
пластинами 4. Газ-носитель, поступая из системы подачи 1,
вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через
отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носи-
тель захватывает атомы примеси и переносит их в зону располо-
жения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффун-
дируют в глубь кремниевых пластин.
В качестве поверхностного источника используют легиро-
ванные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов
54
(например, золота), слои легированного поликристаллическо-
го кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде.
Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управ-
лять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и
обеспечивает требуемый профиль распределения примесей.
Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к плас-
тине и по площади каждой пластины зависит от распределения
температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположе-
ния относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты
проведения процесса и др.
Диффузию в замкнутом объеме (ам-
пульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую
помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до
остаточного давления 10-2 — 10“3 Па или заполняют инертным
газом и запаивают (рис. 20). Перед использованием ампулу
тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре
1200° С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую
трубу 1 диффузионной печи с нагревателем 3.
При нагревании источника пары примеси осаждаются на
поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в
глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию
мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирова-
ния до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная ток-
сичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.
После проведения процесса ампулу разрушают (вскры-
вают) . То, что она имеет одноразовое использование, сильно
удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ при-
меняют преимущественно при диффузии мышьяка.
Диффузия в полугерметичном объеме
(бокс-метод) является промежуточным способом между диф-
фузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем
Рис. 20. Схема процесса диффу-
зии в замкнутом объеме;
1 - кварцевая труба; 2 - ампу-
ла; 3 — нагреватель; 4 - крем-
ниевые пластины; 5 - источник
примеси
Рис. 21. Схема процесса диффу-
зии бокс-методом ;
1 - кварцевая труба; 2 - ампула;
3 — нагреватель; 4 - кремние-
вые пластины; 5 - источник
примеси; 6 - выходное отвер-
стие; 7 - пришлифованная
крышка
55
случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в квар-
цевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают
пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей
небольшой зазор (рис. 21) . Ампулу помещают у выходного от-
верстия 6 кварцевой трубы 7 диффузионной печи с нагревателем
3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы
кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крыш-
кой и проводят диффузионный процесс.
По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод
менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет
в более широких пределах регулировать поверхностную кон-
центрацию примеси. Преимуществом перед ампульным спосо-
бом является возможность многократного применения квар-
цевой ампулы.
§ 31. ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ
ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ
При диффузии на поверхности пластин образуются мак-
ро- и микродефекты. К макродефектам относятся
эрозионные ямки, сильно легированные ’’трубки”, участки с
выделением второй фазы, термические ямки травления, нерав-
номерность диффузионного фронта по глубине, линии сколь-
жения.
Эрозионные ямки образуются при проведении диффузии
в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений
поверхности, связанных с испаренеием атомов химических сое-
динений, которые синтезируются на ней при некоторых услови-
ях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют
кислород.
Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности
может привести к появлению сильно легированных "трубок”,
имеющих высокую проводимость, и даже к проплавлению
диффузионного слоя. "Трубки” образуются также из-за ус-
коренной диффузии в областях структурных дефектов крем-
ния, например, по дислокациям.
При длительном нагреве с высокими температурами возни-
кают термические ямки травления из-за роста одних кристалло-
графических поверхностей за счет других.
Образование второй фазы происходит из-за выпадения
скоплений атомов металлов, таких, как медь, золото, железо
или их твердых растворов в полупроводниковом материале
и на дефектах типа дислокаций.
Скопление дислокаций в приповерхностном слое может
вызвать и неравномерность диффузионного фронта по глубине:
56
в местах нарушений кристаллической решетки уменьшается энергия
активации и возрастает коэффициент диффузии примесей, вслед-
ствие чего глубина диффузии оказывается больше, чем в ненарушен-
ных областях.
Линии скольжения при диффузии образуются по тем же причи-
нам, что и при окислении, и для уменьшения их генерации необходимо
использовать ’’мягкие” режимы нагрева и охлаждения пластин.
К микродефектам относят дислокации и дефекты упа-
ковки.
Рис. 22. Схема возникновения
механических напряжений
растяжения (верхний слой
образца) или сжатия (нижний
слой) при легировании крем-
дая различными примесями
Основной причиной возникновения дислокаций является внедре-
ние в решетку полупроводникового материала примесей, размеры
атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (табл. 15).
Это приводит к появлению механических напряжений растяжения
или сжатия (рис. 22). Если уровень напряжений превышает предел
текучести материала, то при высоких температурах произойдет ре-
лаксация (сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической
деформацией (искажением кристаллической решетки) и образова-
нием краевых и винтовых дислокаций (рис. 23). На границах диффу-
зионных областей при высоком уровне легирования возможно по-
явление внеконтурных дислокаций несоответствия.
Дефекты упаковки образуются из-за нарушения чередования
плоскостей кристаллической решетки при высокотемпературном
нагреве и взаимодействии полупроводникового материала с кисло-
родом. Дислокации и дефекты упаковки могут привести к ухудше-
нию параметров ИМС и их деградации.
Микродефекты и линии скольжения выявляют селективным трав-
Рис. 23. Краевая («) и винтовая (б) дислокации:
ДЕ — лишняя полуплоскость (эктраплоскость);
АБВГ — пластически деформированая часть решетки
Таблица 15. Размеры атомов полупроводниковых материалов
и легирующих примесей
Параметр Элемент
Si Ge В р Sb As
Размер атома, А 1,17 1,22 0,88 1,1 1,22 1,18
пением в соответствующих травителях в зависимости от кристал-
ло графической ориентации поверхности пластин (табл. 16) .
После травления и химической обработки пластины просматри-
вают под микроскопом при увеличении 200х и подсчитывают число
микродефектов в нескольких полях зрения. В поле зрения микро-
скопа дислокации и дефекты упаковки имеют вид, показанный
на рис. 24. Затем рассчитывают среднюю плотность дислокаций и
дефектов упаковки
п
ZN.
N = 1=1
Д(ДУ) ns
где N , N — плотность дислокаций и дефектов упаковки соот-
Д ДУ - 2 я т «
ветственно на 1 см ;N. — число дефектов в поле зрения микроскопа;
и — число просмотренных полей зрения; S - площадь поля зрения,
см2.
Таблица 16. Селективные травители для выявления структурных дефектов
на кремниевых пластинах
Пара- метр 1 Ориентация поверхности
(111) (100) (130)
Состав Сиртла Секко 1:4:4
трави- (50 г СгОз + (4,4 г К2Сг2О7 + 100 мл (100 мл Н2СгО4 +
теля + 100 мл Н2О + + 100 мл HF) Н2О + 100 мл НГ ) + 400 мл Н2О + 400 мл HF)
Заполнение линиями скольжения поверхности кремниевых плас-
тин оценивают по значению коэффициента заполнения К , равного
отношению площади заполненной линиями скольжения, ко
всей площади пластин F:
К — F IF
лпс зап' пл'
58
Рис. 24. Дислокации 1 и дефекты упаковки 2,
видимые в поле зрения микроскопа после
селективного травления
Площадь, заполненную линиями скольжения, определяют под
пучком осветителя с помощью шаблона-сетки по суммарному числу
ячеек этой сетки, в которые попадают линии скольжения. Площадь
одной ячейки 25 мм2 . Макро дефекты анализируют под микроскопом
без травления.
Поверхность после диффузии считается качественной, если плот-
ность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах 101 —
102 см"2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более
0,05, эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность
диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах 5 - 10 %
от средней толщины слоя.
Контроль диффузионных слоев проводят по следующим пара-
метрам: глубина залегания р-и--перехода х;-, удельное поверхностное
сопротивление Rs, поверхностная концентрация примеси и про-
филь распределения примеси.
Рис. 25. Схема измерения глуби-
ны залегания р-и-псрехода с по-
мощью сферического шлифа:
1 - сферическая лунка; 2 -
диффузионный слой; 3 ~ плас-
тана; 4 - хорда-касательная;
5 - окрашенный слой
Рис. 26. Схема для измерения
поверхностного сопротивления
чстырехэондовым методом
Наиболее распространенным методом контроля глубины
залегания р-п-перехода является метод окрашива-
ния (химического декорирования) сферического
шлифа. Сферический шлиф изготавляют с помощью вращаю-
щегося стального шара диаметром 35 — 100 мм, смазанного
алмазной пастой зернистостью < 1 мкм, к которому прижи-
мают рабочую сторону контролируемой пластины 3 (рис. 25).
Глубина сферической лунки 7 должна превышать глубину
р-и-перехода Xj. Границу р-и-перехода выявляют химическим
окрашиванием р-области 5 в концентрированной фтористово-
дородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окра-
шивания и-области используют водный раствор медного купо-
роса CuSO4 • 5Н2О с добавкой 0,1 % концентрированной HF.
Легированные диффузией области кремния p-типа после окра-
шивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а
области и-типа — покрыты осажденной медью.
На окрашенных шлифах под микроскопом измеряют дли-
ну I хорды 4, по которой определяют глубину залегания р-п-
перехода (толщину диффузионного слоя 2)
х. = I2 / (4D) ,
где D — диаметр шара. Погрешность метода ~ 10 % в диапазоне
глубин от 2 до 10 мкм.
Метод окрашивания сферического шлифа непригоден для
контроля глубины мелких (< 1 мкм) р-и-переходов из-за боль-
шой погрешности. В этом случае используют ф о то э л е к -
трический метод сканирования поверх-
ности цилиндрического шлифа сфокусиро-
ванным лазерным пучком (зондом) с регистрацией кривых
фототока (фотоответа) и интерференции. Используют установ-
ку ЛПМ-11 с длиной волны излучения X = 0,44 мкм, оптико-
механическим узлом, предметным столом и регистрирующим
прибором (самописцем) . Этим методом можно также контроли-
ровать ионно-легированные и эпитаксиальные р-п-переходы глу-
биной 0,2-10 мкм с погрешностью ~3 %.
Поверхностное сопротивление диффузионного слоя Rs
измеряют четырехзондовым методом (рис. 26).
Ток I пропускают между внешними 7 зондами и измеряют па-
дение напряжения U между внутренними 2 зондами. Затем
рассчитывают
Rs = (U/T)K ,
где К — коэффициент коррекции, зависящий от размеров а
образца и расстояния 5 между зондами. При большом отноше-
нии a/s этот коэффициент равен 4,53, т. е.
60
Rg = 4,53 U/I.
Воспроизводимость метода составляет ± 2 % при стабиль-
ных значениях давления на зонды и уровня тока.
Для определения поверхностной концентрации Ng леги-
рующей примеси необходимо знать характер распределения при-
меси в диффузионной области. Существуют графики (кривые
Ирвина), связывающие поверхностную концентрацию и среднее
удельное сопротивление р, рассчитанные для диффузионных
профилей. Среднее значение удельного сопротивления находят
по формуле
р =RsXj. ,
а затем по кривым Ирвина или таблицам определяют Ng.
Профиль распределения примеси определяют методами
дифференциальной проводимости с послойным стравливанием,
С-£/-методом (метод вольт-фарадных характеристик), методом
сопротивления растекания и др.
Дифференциальный метод — старейший,
достаточно информативный, но очень трудоемкий. Он состоит
в повторяющихся измерениях поверхностного сопротивления
четырехзондовым методом после удаления тонких поверхност-
ных слоев кремния анодным окислением и травлением полу-
ченного оксида в растворе HF.
При использовании C-U- метода определяют значение
емкости обратно смещенного р-и-перехода в зависимости от
приложенного напряжения.
Наиболее широко в настоящее время применяют метод
сопротивления растекания, при котором двумя
зондами измеряют сопротивление на косом шлифе и после об-
работки результатов получают профиль распределения Ng.
Для контроля уже поставленного технологического процес-
са достаточно измерять Xj н Rg, а также толщину слоя примес-
но-силикатного стекла, полученного после первой стадии диф-
фузии, и оксида — после второй стадии. Толщина этих слоев
и ее равномерность свидетельствуют о соответствии режимов
проведения диффузионного процесса заданным. Кроме того,
значения толщины должны быть известны для правильного
выбора времени травления при снятии стекла после первой
стадии диффузии и оксида после второй для последующей
фотолитографии, а также при проведении процесса ионного
легирования через оксид, образованный на второй стадии диф-
фузии.
§ 32. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ
ПРИ ДИФФУЗИИ
При изготовлении биполярных ИМС методом диффузии
обычно формируют скрытый слой, области изоляции, базу
и эмиттер, а при изготовлении МДП транзисторов — р-карма-
ны, области стока и истока. Как правило, диффузию выполняют
в две стадии через маску диэлектрика.
Перед диффузией пластины проходят операции фотоли-
тографии и химической обработки. После визуального конт-
роля их загружают в кварцевую кассету и устанавливают на
приемную площадку перед реактором диффузионной печи,
предварительно выведенной на заданный температурный режим.
В зависимости от вида используемого источника примеси
загружают порошок в контейнер, заливают жидкость в доза-
тор, или подключают балон с легирующим газом к газовой
системе диффузионной печи. Включают программатор с зара-
нее набранной программой, предусматривающей продувку ре-
актора инертным газом, включение автозагрузчика, нагревате-
лей, подачу реагентов, выдержку заданной температуры в тече-
ние определенного интервала времени, отключение подачи
газов, охлаждение печи и выгрузку пластин.
После проведения первой стадии диффузии и контроля
внешнего вида пластины перегружают из кассеты в тару и пере-
дают на участок химической обработки для снятия примесно-
силикатного стекла и химической очистки поверхности перед
второй стадией, предварительно проконтролировав толщину
стекла. После второй стадии контролируют глубину р-н-пере хо-
да, поверхностное сопротивление, толщину оксида, а также
при надобности плотность дислокаций, дефектов упаковки
и коэффициент заполнения линиями скольжения. Превышение
последнего над допустимым значением свидетельствует о нару-
шении ’’мягких” режимов нагрева или охлаждения пластин.
В этом случае иногда дополнительно контролируют прогибы
пластин. Большие размеры прогибов или седловидная форма
изогнутой поверхности подтверждают предположение о нару-
шении ’’мягких” температурных режимов.
Высокие значения плотности дислокаций и дефектов упа-
ковки могут получиться из-за низкого качества предыдущей
механической обработки рабочей стороны пластин, а также
наличия загрязнений. Отклонение глубины диффузии или по-
верхностного сопротивления от нормы говорит о неоптималь-
ных температурно-временном режиме процесса и расходе диф-
фузанта, а также о необходимости их корректировки.
При появлении эрозии на поверхности пластин необхо-
62
димо увеличить расход газа-носителя, проверить температуру
жидкого источника примеси и герметичность газовых систем,
в которые могут попадать воздух или влага.
Преимуществами диффузии перед ионным легированием
являются большие простота и совершенство процесса и обо-
рудования, высокая производительность и возможность авто-
матизации, более легкое управление параметрами. Однако
при диффузии необходимо использовать высокие температуры,
что приводит к повышенному дефектообразованию и изме-
нению характеристик ранее сформированных р-п-переходов.
Организация рабочего места
Организация рабочего места оператора диффузионных процессов
аналогична описанной в гл. 1 для операторов по формированию диэ-
лектрических и поликристаллических кремниевых пленок.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие механизмы диффузии вы знаете?
2. Какие вещества используют в качестве источников примеси при
легировании фосфором?
3. При какой температуре проводят вторую стадию диффузии и
* какую роль эта стадия играет?
4. Какие способы диффузии вы знаете?
5. Какие дефекты в поверхность полупроводниковых пластин вно-
сятся в процессе диффузии?
ь 6. Что такое коэффициент заполнения линиями скольжения?
Si 7. Как измеряют глубину залегания р-п-перехода?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ
§ 33. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЭПИТАКСИИ
Эпитаксия — зто процесс наращивания слоев полупроводникового
материала с упорядоченной кристаллической структурой на ориентиро-
ванной 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, крем-
ния на оксиде бериллия.
63
Термин ” эпитаксия ” образован из двух греческих слов
”эпи” - на, ’’таксис” - располагать в порядке. Впервые выра-
щивание 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.
Ав тоэпитаксия — процесс ориентированного нара-
щивания вещества, не отличающегося или незначительно отли-
чающегося по химическому составу от вещества пластины.
Она обеспечивает возможность формирования гомогенных
(однородных) р-н-переходов и иногда называется гомоэпитак-
сией.
Гетероэпитаксия — процесс ориентированного
наращивания вещества, отличающегося по химическому составу
от вещества пластины. На границе ’’эпитаксиальный слой —
пластина” образуется гетерогенный (неоднородный) р-и-пере-
ход. Гетероэпитаксия осуществима для элементов, не склонных
к химическому взаимодействию.
Хемоэпитаксия — процесс ориентированного нара-
щивания, при котором образование слоя происходит за счет
химического взаимодействия вещества пластины с наносимым
веществом. Полученный слой по химическому составу отлича-
ется как от вещества пластины, так и от наносимой фазы, но
закономерно продолжает кристаллическую структуру пластины.
При образовании таких слоев может быть сформирован гетеро-
переход или невыпрямляющий контакт.
Маркируют кремниевые эпитаксиальные структуры буквами: К -
кремний; Д - дырочный; Э - электронный тип электропроводности; Б,
Ф, С, М - легирующие элементы, соответственно бор, фосфор, сурьма,
мышьяк.
Однослойные эпитаксиальные структуры, изготовленные на крем-
ниевых пластинах /г-типа с эпитаксиальным слоем р- типа, маркируют
дробью с цифровым коэффициентом. Например:
76 8 КДБ ~ °’5
380 КЭС - 0,01 ’
где 76 - диаметр пластины, мм; 8 - толщина эпитаксиального слоя,
мкм; 380 - толщина пластины, мкм; 0,5 и 0,01 - удельное сопротивле-
ние эпитаксиального слоя и пластины соответственно, Ом . см.
Маркировка многослойных эпитаксиальных структур, изготов-
ленных в процессе автоэпитаксиального наращивания слоев разных
типов электропроводности аналогична маркировке однослойных струк-
тур, но содержит несколько уровней.
Эпитаксиальные структуры со скрытым слоем (ЭСС) (рис. 27,
64
Рис. 27. Схема эпитак-
сиальной структуры со
скрытым слоем:
1 - эпитаксиальная струк-
тура; 2 - скрытый слой;
3 - пластина
табл. 17), изготовленные, как правило, на кремниевых пластинах р-
типа с локальными участками п -типа, которые формируют на них диф-
фузией или ионным легированием мышьяком или сурьмой, марки-
руют так:
, 4 КЭФ 0,2/5 КЭМ 12
380/КДБ - 10 ’
где 76, 380 - диаметр и толщина пластины соответствеио в мм и мкм;
КЭФ, КЭМ , КДБ - тип электропроводности эпитаксиального, скрытого
слоя и пластины соответственно; 4, 5 - толщины эпитаксиального и
скрытого слоя, мкм.
Таблица! 7. Параметры эпитаксиальных и тонких
эпитаксиальных структур со скрытым слоем
Тип структур При- + месь п Легиру- ющая примесь Толщина, мкм Удельное сопро- тивление, Ом • см
Толстые Sb P 10 - 20 3—8 (слабо легированные)
Средней толщины Sb P 6-15 0,5 - 5 (умеренно легированные)
Уменьшенной толщины As P 6-13 0,1 - 2
Тонкие As, Sb P, As 2,5 -6 0,1 - 1,5
Сверхтонкие Sb P 0,5 - 2,5 0,1 - 1,0
Специальные ”Изо- планар” Sb B, P 1,0 - 2,5 0,1 - 1,0
§ 34. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ЭПИТАКСИИ
Механизм эпитаксиального роста кремния определяется
типом протекающей реакции, которая может быть либо гомо-
генной (протекающей в объеме), либо гетерогенной (проте-
кающей на поверхности).
65
Гомогенные реакции. Примером наиболее
простой гомогенной реакции может служить разложение моно-
силана. Реакция является необратимой (идет в сторону образо-
вания кремния и водорода) :
SiH4r-> Sil + 2H2t
Наиболее быстро эта реакция протекает при температуре 900 —
1000° С. В результате разложения образуются частицы кремния
размером 200 - 300 А, которые осаждаются на поверхности
пластины, приводя к дефектности ЭС. Следует отметить, что
образование частиц происходит только тогда, когда концентра-
ция моносилана превышает критическую.
Гетерогенные реакции протекают при осаж-
дении кремния из газовой фазы (рис. 28) с использованием
хлорсиланов (SiCl4, SiHCl3 и др.) при температуре 1050 —
1250° С. Для эпитаксиального осаждения из газовой фазы в
открытой проточной системе газ-носитель (водород), содержа-
щий реагирующие компоненты SiCl4,PH3, пропускают над
нагретой пластиной, лежащей на подложкодержателе. Реакция
SiCl4 + 2Н2 ^=± Sil + 4HC1I
обратимая и в зависимости от условий проведения может идти
как в сторону образования конечных продуктов Si и НС1, так
и в сторону образования исходного продукта SiCl4. На поверх-
ности пластины 8 кремния эти компоненты испытывают по-
следовательные превращения, в результате чего кристаллизуе-
мое вещество (Si) осаждается, продолжая решетку подложки
Si. Кроме осаждающегося Si образуются продукты реакции,
подлежащие удалению.
Процесс осаждения состоит из следующих основных эта-
пов: доставки реагирующих веществ в зону осаждения 1, пере-
Рис. 28. Последовательность
этапов эпитаксии из газовой
фазы .
1 — подача газа-носителя и
реагентов в реактор; 2 -
перенос реагентов к поверх-
ности; 3 - адсорбция реа-
гентов; 4 - поверхностная
диффузия, поверхностные ре-
акции; 5 - десорбция про-
дуктов реакции; 6 — перенос
продуктов реакции в основ-
ной поток; 7 - выведение
из реактора газа-носителя не-
прореагировавших компонен-
тов и продуктов реакции;
8 - пластина; 9 - эпитакси-
альный слой
66
носа реагирующих веществ к поверхности подложки 2, адсорб-
ции реагентов 3, поверхностных процессов в том числе, хими-
ческой реакции, поверхностной диффузии, встраивания атомов
в решетку 4, десорбции побочных продуктов реакций 5, пере-
носа побочных продуктов от пластины к основному газовому
потоку 6 и удаления продуктов реакции из зоны эпитаксиаль-
ного осаждения 7.
Эти стадии могут протекать последовательно одна за другой,
и если какая-нибудь из них идет медленнее остальных, то она
и определяет общую скорость процесса. Такую стадию называют
лимитирующей. Для нахождения лимитирующей стадии необ-
ходимо знать зависимость скорости роста пленки от температу-
ры, концентрации реагентов и скорости потока газа.
Миграция реагентов по поверхности
пластины. На поверхности полупроводниковой пластины
Si существует адсорбированный слой. При восстановлении
SiCU водородом образуются промежуточные соединения SiHCl3
и SiH2Cl2, которые располагаются в виде кластеров (скоп-
лений атомов). Кластеры мигрируют по поверхности пластины
и, соединяясь, образуют более крупные комплексы. Когда
кластеры превысят некоторый критический размер, они закреп-
ляются на поверхности пластины и выступают в роли зародышей
кристаллов. Зародыши разрастаются во все стороны, образуя
пирамидальные холмики за счет присоединения атомов, мигри-
рующих и адсорбированных на поверхности пластины в про-
межутках между ними. При повышении температуры процесса
увеличивается скорость миграции кластеров. При этом хол-
мики расширяются, их вершины становятся плоскими, и они
соединяются друг с другом, образуя на поверхности сплош-
ной слой, плотность пирамидальных холмиков уменьшается,
а скорость их роста увеличивается. В общем случае повышение
температуры ведет к росту более совершенного, бездефект-
ного слоя кремния.
Выращивание совершенных кристал-
лов. Для получения эпитаксиальных слоев с совершенной
кристаллической структурой необходимо, чтобы скорость
выделения твердого вещества на пластине не превышала ско-
рости встраивания его в ее кристаллическую решетку. Встраи-
вание происходит путем присоединения атомов к ступеням,
существующим на поверхности пластины за счет отклонения
плоскости разрезания пластин от кристаллографического на-
правления. Если это условие не выполняется, то образуется ше-
роховатая поверхность, появляются дефекты роста, осаждаются
поликристаллические осадки. Скорость осаждения может быть
увеличена при увеличении на поверхности пластины количества
67
ступеней, так как при этом возрастает скорость встраивания
кремния в кристаллическую решетку.
Кремниевые пластины после предварительной ориентации
слитка разрезают по строго определенному направлению. Наи-
более часто используются ориентации по направлениям < 111>,
< 110>, <100>. При разрезании слитка с отклонением от плос-
кости (111) количество ступеней увеличивается, что должно
способствовать повышению скорости роста. Например, при
восстановлении SiCL, в Н2 при температуре 1200° С критичес-
кие значения скоростей роста пленки, выше которых происхо-
дит образование пирамид роста, составляют:
Отклонения от плоскости (111), Скорость роста,
град мкм/мин
0 1,0
0,5 1,5
2 3-5
Было замечено, что при эпитаксии кремния путем необратимых
реакций (пиролиз SiH4 и SiH2Cl2) скорость осаждения не зави-
сит от ориентации пластины.
Анизотропия скорости роста. Толщина и
скорость роста эпитаксиальных пленок кремния сильно зависят
от ориентации пластины, т. е. наблюдается анизотропия процес-
са эпитаксии. Быстрее растут пленки на плоскостях с большей
поверхностной энергией. Например, если плоскость пластины
имеет ориентацию (111), то эпитаксиальная пленка, осажден-
ная на нее, будет иметь минимальную толщину по сравнению
с осажденными на плоскостях (100) и (110) за то же время.
Это связано с тем, что поверхности <111> расположены
близко. Поэтому каждый атом в одной плоскости связан с
тремя ближайшими соседними атомами в другой плоскости,
образуя как бы ’’двойной” слой. Четвертая связь направлена
нормально к плоскости такого слоя и служит для связи с ато-
мом в следующем ’’двойном” же слое. Иными словами, на ’’внут-
реннюю” связь в двойном слое приходится 3 /4 энергии крис-
таллической связи, или энергии сцепления, на "внешнюю” —
1/4. Поэтому поверхностная энергия грани (111) невелика.
Это затрудняет зародышеобразование и снижает скорость роста,
обеспечивая в то же время высокую стабильность поверхности
грани.
На скорость роста пленки и ее качество влияют дефекты
поверхностного слоя пластины. На поверхности кремниевых
пластин после механической обработки имеются загрязнения
в. виде органических веществ, ионов металлов, частиц абрази-
68
ва, металлов, пыли из атмосферы. Они могут стать источниками
образования дефектов. Поэтому непосредственно перед процес-
сом эпитаксии пластину тщательно обрабатывают комплексо-
образователями и концентрированными кислотами.
Очищенная таким образом поверхность пластины кремния
на воздухе очень быстро окисляется. Поэтому перед процессом
эпитаксии для удаления оксида необходимо термически обра-
ботать пластины в атмосфере водорода при температуре 1200 С
в течение 10 мин, при этом SiO2 восстанавливается до лету-
чего соединения SiO и переходит в газовую фазу.
В процессе наращивания пленки на пластину могут попа-
дать частицы углерода с подложкодержателя, которые вызовут
появление дефектов упаковки пленки. Чтобы этого не произош-
ло, подложкодержатель покрывают слоем карбида кремния
SiC толщиной 50 — 300 мкм. Слой SiC обычно осаждают из
газовой фазы.
§ 35. СПОСОБЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ
Кремний при автоэпитаксиальном росте легируют элемента-
ми 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, обла-
дающие разным сопротивлением (табл. 18) .
Таблица! 8. Зависимость сопротивления ЭС
от концентрации источников примеси
Легирующая примесь в источнике кремния N, см“3 р, Ом • см
Донорные: 1014 50
РС15 в SiCU 1015 5
101& 0,6
1017 0,08
AsCl3, в SiCl4 10ls 0,025
ИЛИ 1019 0,006
РН3 в Н2 Ю20 0,0008
Акцепторная ю15 13
В2Н6 в Н2 ю16 1,5
1017 0,25
101а 0,06
1019 0,01
Ю20 0,001
69
Жидкостное легирование. При непосредствен-
ном смешивании SiCLj с жидкими источниками примесей гало-
генидов (РС13, BBr3, AsCl3) давления паров SiCl4 и источника
должны быть близкими.
Обычно требуется небольшая концентрация примеси, поэ-
тому при использовании жидких источников их многократно
разбавляют, в результате чего получают растворы с относитель-
ным содержанием примеси от 10-9 до 10-2. Это обеспечивает
уровень легирования ЭС от 1014 до 1019 ат/см3 .
Для получения воспроизводимых результатов при легиро-
вании 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 транспор-
тирующего газа Н2, проходящего через испаритель.
В зависимости от температуры осаждения при легировании
в системе SiCl4 — РС15 и SiCL, — SbCl5 сопротивление получае-
мых слоев оказывается различным. При легировании сурьмой
зта 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 выращи-
вании однослойных структур. При выращивании многослойных
структур с разным типом электропроводности или с переменной
концентрацией примеси по толщине они непригодны. Это связа-
но с тем, что галогениды хорошо адсорбируются стенками газо-
проводов и реакторов, загрязняя установку и вызывая необ-
ходимость промывки газовой системы и реакторов перед вы-
ращиванием последующего слоя.
Газовое легирование. При легировании с исполь-
зованием газообразных примесных соединений гидридов фос-
фина (РН3), арсина (AsH3), диборана (В2Н6) их взаимодей-
ствие с поверхностью газопроводов и реактора существенно
уменьшается.
Уровень легирования зависит от температуры, уменьшаясь
с ее ростом, от коцентрации легирующих примесей в газе и
от его парциального давления. Дак, при 1200° С уровень леги-
рования кремниевой пленки фосфором из РН3 вплоть до кон-
центраций 1018 см-3 линейно возрастает с повышением концент-
рации РН3. При одном и том же значении парциального давления
легирующего газа более высокую концентрацию примеси в
растущем слое получают при легировании его бором (из ди-
борана) в сравнении с As (из арсина). Это связано с тем, что
арсин частично конденсируется на внутренних стенках реак-
70
ционной камеры из-за высокого парциального давления а
бор, существующий в виде газообразного соединения низшей
валентности ВН3, при высоких температурах на них не конден-
сируется.
Основным фактором, влияющим на уровень легирования
слоев кремния гидридами, является концентрация парогазовой
смеси и температура процесса. Поэтому доя дозировки леги-
рующих гидридов применяют расходомеры с точностью отсчета
не менее 1 % и воспроизводимостью отсчета, равно 0,2 % мак-
симального расхода.
Для регулирования в широком диапазоне концентрации ле-
гирующего гидрида используют системы двойного разбавления
водородом и контролируют сброс основной доли разбавляемого
газового потока расходомером.
Газоразрядное легирование. Газоразряд-
ный способ легирования наиболее безопасен для обслуживаю-
щего персонала, поэтому при проведении процесса рабочий мо-
жет находиться рядом с реакционной камерой. Легирующую
газовую смесь приготовляют в специальной газоразрядной ка-
мере, 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 тепло-
ту испарения.
Для получения эпитаксиальных слоев дырочного типа
электропроводности чаще всего используют электроды из бо-
рида лантана LaB6, электронного типа - 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 леги-
ровать кремниевую пластину в диапазоне контролируемых
концентраций: мышьяком 5 • 1O1S — 1 • 1018 см-3 и бором
3 • 1015 - 5 • 1017 см'3.
Для получения контролируемого легирования необходимо
управлять скоростью протекания газа через разрядную ка-
меру, расстоянием между электродами, мощностью, подводи-
мой к электродам, иметь нужный материал электродов
(табл. 19).
Самым гибким способом управления степенью легирования
в режиме тлеющего разряда является изменение разрядного
тока. На рис. 29 показана зависимость уровня легирования бо-
ром от тока газового разряда для электродов из ЬаВб, откуда
следует, что при изменении разрядного тока до 500 мкА уровень
71
Рис. 29. Зависи-
мость уровня Л'р
легирования бором
от тока газового
разряда /р пленки
толщиной L = 2 мм
Таблица! 9. Режимы легирования газоразрядным методом
Частота повторе- ния импульсов, Гц Параметры ЭС
Расстояние между электро- дами, мм Толщина плен- ки, мкм Удельное объем- ное сопротивле- 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
7 18,2 2,5
10 16,3 1,0
легирования достигает предельной концентрации. 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 коли-
чества легирующих атомов в объеме камеры. При очень больших
потоках водорода рост концентрации легирующих атомов за-
медляется, так как скорость образования легирующих соеди-
нений в зоне разряда ограничена. Повысить ее можно лишь
путем увеличения мощности разрядного генератора, приклады-
ваемой 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 раз-
72
ряда атомы являются его гидридами. При легировании мышья-
ком 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 легиро-
вания 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.
§ 36. АВТОЛЕГИРОВАНИЕ
Кроме контролируемых примесей в эпитаксиальный слой
попадают и неконтролируемые примеси из пластины. Этот
процесс называется автолегированием. Механизм автолегиро-
вания представлен на рис. 30. Неконтролируемые примеси
внедряются в растущий эпитаксиальный слой 1 за счет твердо-
тельной 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 плас-
тины автолегирование проявляется как увеличение ширины
переходной области d — между слоем и пластиной (рис. 31).
При эпитаксии кремния скорость роста пленки существенно
превосходит скорость диффузии атомов примеси, поэтому
Рис. 30. Схема автолегирования:
1 - эпитаксиальный слой; 2 -
металлургическая граница ЭС - плас-
тина; 3 - пластина; 4 - подложко-
держатель; 5 ~ скрытый слой; 6 -
твердотельная диффузия; 7, 8 -
перенос примеси через газовую фазу
с нерабочей и боковой (торцевой)
стороны пластины
трации примеси N на границе
перехода пластина - эпитак-
сиальная структура по глубине
х пластины :
0 - <7 - начало равномерного
участка примесного профиля в
ЭС; <7, - -- начало равно-
мерного участка примесного
профиля в пластине; U -
- переходный слой; 0 -
<7, - полная толщина ЭС
73
профиль легирования пленки в основном определяется пере-
носом примеси через газовую фазу. Примесь переходит в газо-
вую 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 2 — 3 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 нали-
чием пограничного слоя у поверхности пластины, влияющего
на условия испарения. Поток примеси в газовую фазу с нерабо-
чих поверхностей пропорционален концентрации в поверхност-
ном слое этих поверхностей. Часть потока осаждается на расту-
щей 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 умень-
шается пропорционально \/$сс (где ^сс _ площадь скрытого
слоя). Уменьшение автолегирования наблюдается при повы-
шении температуры эпитаксии вплоть до 1050 — 1100° С. В
хлоридном процессе (по сравнению с силановым) оно меньше,
что объясняется наличием дополнительного подтравливания
поверхности хлористым водородом, в результате чего умень-
шается количеством атомов примеси, захватываемых растущей
пленкой.
§ 37. ХЛОРИДНЫЙ МЕТОД ЭПИТАКСИИ
Хлоридный метод заключается в восстановлении водородом
кремния из SiCl4. Реакция восстановления является гетерогенной
SiCL, + 2Н2 Sil + 4НС11
При относительно низких температурах скорость осаждения
пленок описывается уравнением
v = А exp [-AE/(RT)] ,
где АЕ — энергия активации процесса; А и R — постоянные;
Т — температура процесса.
Хлоридный процесс эпитаксии проводят следующим обра-
74
зом. Пластины после предварительной аммиачно-перекисной
отмывки устанавливают на подложкодержатель. Проверяют
герметичность установки по скорости уменьшения избыточного
давления газа азота. Герметичность установки и реактора счи-
таются достаточными, если избыточное давление 0,2 10s Па
за 30 мин не уменьшается. После этого реакционную камеру
продувают азотом в течение 5 мин (с расходом газа 1,5 м3/ч).
Далее реактор продувают рабочим газом-носителем водородом
в течение 5 мин и нагревают подложкодержатель с пластинами
до рабочей температуры (1200 — 1250° С) .
Рабочую температуру контролируют оптическим пиромет-
ром через специальное смотровое окно в реакторе. После от-
жига пластин при рабочей температуре в течение 5—7 мин про-
изводится их газовое травление. Для этого к основному газу-
носителю добавляют газообразный хлористый водород (расход
хлористого водорода определяют по ротаметру или более точно
с использованием регулятора расхода газа). Газовое трав-
ление проводится 1—2 мин со скоростью травления 0,1 —
0,2 мкм/мин. После травления газовую магистраль с хлорис-
тым водородом закрывают. Во время газового травления испа-
ритель с SiCL, продувают водородом на байпасную линию для
установления требуемого рабочего расхода. Водород, проходя
через испаритель, насыщается его парами. Смесь SiCLj + Н2
после окончания газового травления добавляется к основному
потоку водорода путем открывания соответствующих газовых
кранов. После окончания выращивания эпитаксиальной струк-
туры линию подачи водорода в испаритель закрывают.
Увеличение концентрации SiCU выше некоторого крити-
ческого значения приводит к образованию газообразного НС1,
который травит поверхность пластины и осаждаемого слоя.
Увеличение скорости роста с увеличением температуры
связано с более интенсивным протеканием реакции восстанов-
ления. Повышение скорости газового потока при фиксирован-
ной температуре также приводит к увеличению скорости роста,
что связано с интенсификацией доставки и отвода продуктов
реакции.
Удельное сопротивление эпитаксиальной структуры зависит
от типа и количества примесей, введенных в газовую смесь в
процессе осаждения. В качестве источников легирующей приме-
си п- и р-типов используют фосфин (РН3) и диборан (В2Н6)
соответственно. Зависимость концентрации примеси в растущей
пленке от концентрации примеси в газовой фазе очень сложная.
Хлоридным методом получают эпитаксиальные структуры
с низкой дефектностью, т. с. малой плотностью дефектов
упаковки и дислокаций [порядка (2^-5) • 102 см-2] , что
75
связано с гетерогенным характером протекания реакции. Усло-
вия реакции можно подобрать таким образом, чтобы не проис-
ходило взаимодействия между реагентами и стенками реактора,
что обеспечивает чистоту процесса. Кроме того, SiCl4 легко
поддается очистке, нетоксичен и недорог, что позволяет предъяв-
лять пониженные требования к герметичности газовых магист-
ралей.
Недостатки хлоридного процесса - сравнительно высокий
диапазон рабочих температур (1200 — 1250° С) и, как след-
ствие, невозможность получения резких р-п-переходов из-за
’’диффузионного размытия” границы пленка — пластина во
время процесса эпитаксиального осаждения.
Если необходимо получать пленки с резким изменением
концентрации примесей на границе пластина — эпитаксиальный
слой, используют реакцию пиролиза силана.
§ 38. ГИДРИДНАЯ ЭПИТАКСИЯ
Гидридную эпитаксию проводят чаще всего при температу-
ре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая идет почти с
такой же скоростью, как и реакция восстановления SiCl4 при
температуре 1200° С:
SiH4 -> Sil + 2Н21
Скорость растущей пленки зависит от давления в реакторе.
В интервале температур 1100 — 1225° С скорость роста пленки
практически не зависит от температуры.
При температурах выше 1225° С начинается газофазное раз-
ложение силана, что приводит к уменьшению скорости осаж-
дения Si. Скорость осаждения пленки зависит также от концент-
рации силана в газовом потоке. При концентрациях силана
больших, чем 0,2 мае. %, и температурах выше 1100° С скорость
осаждения уменьшается из-за газофазного разложения SiH4.
Газофазное разложение силана помимо уменьшения количества
Si, осаждающегося на пластину, приводит к попаданию твердых
частиц продуктов газофазного пиролиза SiH4 в растущий слой.
Силановый процесс, который проводится при относительно
низкой температуре, позволяет легко регулировать концент-
рацию SiH4 в газовом потоке, выбирать диапазон скоростей,
слабо зависящий от температуры, что облегчает поддержание
рабочей температуры с точностью ± 10° С.
К недостаткам гидридной эпитаксии следует отнести пиро-
форность силана (возможность самовозгорания на воздухе и
взрыва). Это приводит к необходимости разбавлять силан ар-
гоном или водородом до безопасных концентраций в баллоне
76
(2,5 — 4 %). Кроме того, если произошло газофазное разложение
SiH4, то реактор, не имеющий водяного охлаждения, ’’зарастает”
и выращенные пленки имеют большую плотность дефектов.
При гидридном процессе требуется тщательно герметизировать
все элементы газовых магистралей и узлы реакционной камеры,
так как при взаимодействии SiH4 с воздухом образуется соеди-
нение, которое может забить магистрали. По сравнению с хло-
ридом силан — дорогостоящий продукт.
Пиролиз дихлорсилана. Гидридную эпитак-
сию можно осуществить реакцией пиролиза дихлорсилана
SiH2Cl2. Реакция начинается при температуре 600° С. Оптималь-
ные температуры для получения пленок 1080 — 1100° С. Ухуд-
шение качества слоев происходит при температуре ниже
1050° С.
Химические реакции с участием SiH2Cl2 занимают проме-
жуточное положение между реакциями с участием SiCl4 и SiH4.
Осаждение Si из SiH2 С12 может происходить в среде аргона
или азота по реакции
SiH2Cl2 -> Sil + 2НС1Т
причем водород не оказывает восстанавливающего действия.
Кроме основной реакции возможны побочные:
SiHCl3 + Ar -> Si + ЗНС1
SiCl2 + Ar -> Si + 2HC1
SiCl4 + Ar -> Si + 4HC1
Разложение SiH2Cl2 при избытках H2 уменьшает вероят-
ность протекания побочных реакций.
Как и при предыдущем процессе, на скорость роста эпитак-
сиальной пленки сильно влияет концентрация SiH2Cl2 в Н2
и температура процесса. В диапазоне 1100 — 1200° С, однако,
это влияние незначительно. Энергия активации процесса при
пиролизе дихлорсилана невелика, что свидетельствует о том,
что скорость осаждения определяется только массопереносом
реагентов в газовой фазе.
При пиролизе SiH2Cl2, протекающем при относительно
низких рабочих температурах (1080 — 1100° С), практически
отсутствует газофазное разложение, возможен подбор условий
осаждения, не зависящих от температурь!. К недостаткам отно-
сятся повышенное требование к герметичности газовых магист-
ралей и реакционной камере и в несколько раз большая стои-
мость SiH2 С12 по сравнению с SiCl4.
Основные технологические параметры процессов эпитакси-
ального осаждения пленок приведены в табл. 20. Выбор того
или иного кремнийсодержащего соединения для эпитаксии
77
Si зависит от возможностей оборудования и температурных
ограничений конкретного технологического маршрута.
Таблица 20. Основные характеристики технологических
процессов при эпитаксиальном осаждении Si
Источник кремния Диапазон скорости роста, мкм/мин Диапазон темпе- О ратуры, С Допусти- мый уро- вень кон- центрации окислите- ля х 1(Г\%
SiCU + Н2 0,4 - 1,5 1150 - 1250 5-10
SiHCl3 + Н2 0,4 - 2,0 1100 - 1200 5-10
SiH2Cl2 + н2 0,4 - 3,0 1050 - 1150 <5
SiH4 + Н2 0,2 -0,3 950 - 1050 <2
SiH4 + Н2 + Не 0,1 900 < 2
Эпитаксию из парогазовых смесей обычно проводят при
атмосферном давлении (105 Па). Понижение давления до (6,5 4-
т- 13) х 103 Па позволяет уменьшить эффекты бокового и
вертикального автолегирования.
§ 39. СЕЛЕКТИВНОЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ
КРЕМНИЯ
Селективное наращивание Si (рис. 32) для формирования
локальных областей скрытого слоя или локальных изолирован-
ных областей, в которых формируются активные приборы,
осуществляют при высоких температурах за счет взаимодей-
ствия оксидной маски с Н2 по реакции
SiO2 +Н2 -> SiOt + H2O
Образующееся летучее соединение — монооксид, кремния,
испаряясь с поверхности оксидной маски, препятствует образо-
ванию поликристаллического Si* (ППК) . При понижении тем-
пературы для подавления роста ППК в парогазовую смесь
добавляют газообразный НС1 или сложную смесь SiHCl3 +
+ SiH2Cl+ SiCl4 + Н2.
Характер осаждения локальных эпитаксиальных слоев
существенно отличается от эпитаксиального осаждения на пла-
78
парных поверхностях тем, что в окнах маскированного образ-
ца скорость осаждения выше за счет появления повышенных
градиентов концентрации SiC'U над немаскированными участ-
ками пластины. Недостаток процесса — сильная зависимость
скорости осаждения от температуры. Однако при селективной
эпитаксии при пониженном давлении эта зависимость ослабля-
ется, процесс становится технологичным и легко управляемым.
Селективной эпитаксией можно создавать изолированные
монокристаллические области, почти целиком лежащие на диэ-
лектрике (рис. 33) . Для этого на пластине 3 термическим окис-
лением формируют первый защитный слой SiO2 2, в котором
с помощью фотолитографии и травления создают отверстия
1 (рис. 33, а) . Далее проводят пиролитическое осаждение по
всей поверхности второго защитного слоя SiO2 4 (рис. 33,
б) . Фотолитографией и травлением в слое 4 создают отвер-
стия, симметричные отверстиям 1 слоя 2, но большие по раз-
меру. При этом образуются бортики из SiO2 в виде колец.
Затем селективной эпитаксией наращивают структуру 5
(рис. 33, в) и сошлифовывают ее (рис. 33, г). На поверхности
6 после шлифовки формируют диоды и транзисторы. л
Рис. 32. Оксидирование
(а), фотолитография (б)
и селективная эпитаксия
(в) кремниевой пластины:
1 - пластина со слоем
оксида; 2 - окна; 3 -
эпитаксиальный слой
Рис. 33. Схема выращивания эпи-
таксиальных структур ’’грибовид-
ной” формы:
1 - окна; 2 - первый защитный
слой SiO, ; 3 - кремниевая плас-
тина; 4 - второй защитный слой
SiO2; 5 - эпитаксиальные локаль-
ные структуры; 6 - поверхность
после шлифовки полученных струк-
тур
79
затравок:
1 - пластина; 2 - оксид; 3 - ППК; 4 - эпитаксиаль-
ный слой
Существует несколько способов эпитаксиального наращи-
вания в едином технологическом цикле монокристаллических
и изолирующих поли кристаллических областей. В одном из
них сначала скрайбируют пластину на нужных участках, затем
наращивают на них пленку Si.
В другом методе (рис. 34) создают зародышевые участки.
Для этого на маскированной оксидом 2 пластине 1 (рис. 34,
а) осаждают ППК 3 толщиной 0,1 мкм (рис. 34, б) . После обра-
ботки структуры в HF области ППК над SiO2 удаляются
(рис. 34, в). Далее наращивают эпитаксиальную пленку
4 (рис. 34, г). При этом над областями ’’затравки” ППК вырас-
тают поликристаллические 3, а над чистой поверхностью крем-
ния монокристаллические 4 области. Осаждением из газовой
фазы удается получать слоиотолщиной >1,0 мкм. Более тон-
кие пленки (100 — 10 000 А) получают молекулярно-лучевой
эпитаксией.
§ 40. МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ
Методы молекулярно-лучевой эпитаксии МЛЭ (табл. 21)
в вакууме различают по способу генерации пара и вещества.
Сравнительно просто получить. стационарный поток пара суб-
лимацией атомов и их комплексов с атомарно-чистой поверх-
ности кристаллического кремния, подогреваемого током до
температуры 1200 — 1390 С. Для этого обычно используют
кристаллы, ориентированные по направлению [111]. Приме-
няют также испарение из тиглей электронным лучом, причем
материал тигля может быть из того же вещества, что и испаря-
емый материал. В последнее время используют силан, который
напускают в обезгаженную сверхвысоковакуумную (10-8 Па)
камеру или подают на поверхность в виде пучков. Для ускоре-
80
Таблица 21. Основные характеристики методов эпитаксии из молекулярных и атомных пучков
Метод получения пара, среда, пластина Толщина ЭС,мкм Скорость роста, А/с Температу- ра, °C Структура пленки Подвиж- ность ОС- НОВНЫХ носителей заряда, см 2/В с Концентра- ция приме- си в ЭС, см-3 Плот- ность дисло- каций в ЭС, см-2 Время жиз- ни неосно- вных носи- телей заря- да, с
Сублимация, вакуум (0,4 4-1) • Ю5 Па, Si (110) 3-25 1,6 - 2,1 600-1000 Монокрис- талл - 10И-3-10и 103-104 -
Сублимация, вакуум 133 'Ю-6 Па, сапфир (1012) 3 -7 1 500-950 - 350 5 • 1015 -1016 - 10“9
Испарение электронным —4 лучом, вакуум 2,6-10 Па, сапфир (0001) 6,1 25 1100 - 250 1016 -З Ю16 - -
Пиролиз силана, ваку- ум 2,610"' Па, Si (111) 6,1 25 823 - 923 - 250 - -
ния разложения SiH4 на поверхности пластины при низких тем-
пературах используют ультрафиолетовую подсветку.
В любом из способов генерации пара важно получить бла-
гоприятное соотношение между потоком частиц, конденсирую-
щихся в виде пленки, и потоком атомов и молекул газов оста-
точной среды, соударяющихся с поверхностью роста.
Наилучшие результаты получены при эпитаксиальном росте
кремния на кремнии. При этом наиболее перспективным ока-
зался метод сублимации, так как он позволяет получать срав-
нительно большие скорости роста пленок при их хороших
качестве и электрофизических характеристиках.
Методы МЛЭ позволяют совместить наращивание пленки
с контролем во время роста структуры и чистоты ее поверх-
ности Оже-спектроскопией, а также состава газовой среды
масс-спектрометром. Однако такое совмещение — сложная
техническая задача.
Необходимо учитывать, что время покрытия пластин моно-
молекулярным слоем газа определяется концентрацией ос-
таточных молекул в вакуумной камере и составляет интервалы
от секунд до часов.
Средства откачки для установок МЛЭ должны обеспечивать:
получение безмасляного исходного сверхвысокого вакуума
Ю~8 — Ю~9 Па; поддержание его в процессе роста пленки не
выше 10~7 Па; откачку инертного газа, применяемого при
ионной чистке пластин в диапазоне давлений 102 — 10-5 Па.
Для создания и поддержания вакуума используют магнитораз-
рядные и сублимационные насосы совместно. Откачка до сверх-
высокого вакуума с обезгаживанием всей системы длится обыч-
но 20 — 48 ч. Обезгаживание выполняют при температуре 250 —
400° С в специальных нагревательных устройствах.
Следует отметить, что плотность дефектов упаковки и дис-
локаций в ЭС, полученных МЛЭ, почти на порядок выше, чем
при получении ЭС газофазным осаждением.
Сравнительные характеристики различных методов нара-
щивания эпитаксиальных слоев приведены в табл. 22.
§ 41. ГАЗОВОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПЕРЕД ЭПИТАКСИЕЙ
Газовое травление пластин Si представляет собой высо-
котемпературный процесс поверхностной обработки. Пластины
подвергают воздействию газового реагента, в результате чего
тонкий поверхностный слой, на котором имеются загрязнения
и нарушения от механической обработки структуры, удаляет-
ся (газовая полировка). При газовом травлении возможность
загрязнения пластины перед эпитаксиальным осаждением ми-
82
нимальна, поскольку пластины не извлекаются из реактора,
и пленка наращивается непосредственно после очистки.
Скорость удаления материала при газовом травлении опре-
деляют по убыли массы пластины с известной площадью трав-
ления, по уменьшению размера дефектов упаковки при травле-
нии пластин с предварительно осажденной ЭС или по ступеньке,
образующейся при травлении пластин, частично закрытых SiO2
или Si3 N4.
Скорость травления не зависит от типа электропроводности
и удельного сопротивления пластин. Вид поверхности, получен-
ный после газового травления, контролируют методами опти-
ческой и электронной микроскопии, а микрошероховатость
измеряют интерференционными методами. Газовое травление
обычно проводят на глубину 0,1 - 0,3 мкм. Показателем высо-
кого качества газовой полировки являются низкие плотности
дефектов упаковки после наращивания пленки, а также высо-
кие пробивные напряжения и низкие токи утечки эпитаксиаль-
ных диодов.
Наибольшее распространение получила газовая полировка
безводным хлористым водородом (табл. 22). Рабочий диапа-
Таблица 22. Сравнительные характеристики методов
наращивания эпитаксиальных слоев
Вид эпитаксии Метод эпи- таксии Область применения Особенности эпитаксии
Хлоридный ИМС на бипо- лярных и МДП-транзис- торах Низкая дефектность ЭС, бо- лее технологичный исход- ный продукт (SiCl4), высо- кие температуры процесса и дефектообразование, раз- мытие границы ЭС - плас- тина
Тотальная Гидри дный То же Низкая температура, худ- шая управляемость процес- сом, большая дефектность ЭС, зарастание реактора, пи- рофорность
Пиролиз ди- хлорсилана То же Низкие температуры, повы- шенные требования к гер-
метичности оборудования и
большая стоимость процесса
83
Продолжение табл. 22.
Вид эпитаксии Метод эпи- таксии Область применения Особенности эпитаксии
Селектив- ная Хлоридный при понижен- ном давлении То же Повышенная дефектность ЭС вблизи диэлектрической маски, зависимость разбро- са электрофизических пара- метров ЭС от давления в реакторе
Молекуляр- но-лучевая Испарение Si и легирующих примесей, гид- ридный Высокочас- тотные и оп- тоэлектрон- ные приборы Низкие температуры эпи- таксии, высокая точность управления уровнем легиро- вания, высокая дефектность
(по сравнению с осаждени-
ем из газовой фазы)
зон температур травления 1150 - 1250° С. При увеличении
концентрации НС1 или при снижении температуры происходитиз-
бирательное травление и поверхность покрывается ямками
травления.
Рис. 35. Допустимая концентра-
ция НС1 в Н2 для газовой поли-
ровки кремния при различных
температурах
Пределы концентраций и
температур, при которых про-
исходит полирующее травление
для каждой конкретной кон-
струкции эпитаксиального ре-
актора, находятся эксперимен-
тально построением зависимос-
ти N(T) (рис. 35). На рисунке
область 1 соответствует изби-
рательному травлению (образо-
вание ямок травления), об-
ласть 2 — полирующему трав-
лению. Следовательно, предэпи-
таксиальное травление ведут
в области 2.
В смесях Н2 — НВг, Н2 —
- Br2, Н2 - HI полируют
при температурах и концентра-
циях примерно таких же, как
и в смеси Н2 — НС1. Основной недостаток способа — высокая
температура травления. Для ее снижения используют гексафто-
рид серы (SF6). При концентрации SF6 в Н2 0,1 % полирующее
травление наблюдается при температуре выше 1050 С.
84
§ 42. ОБОРУДОВАНИЕ И ОСНАСТКА ДЛЯ ЭПИТАКСИИ
Установку для проведения эпитаксии можно представить
в виде нескольких функциональных блоков (рис. 36). В зави-
симости от конструкции реактора бывают установки горизон-
тального и вертикального типов. В горизонтальных реакторах
используют плоские подложкодержатели, в вертикальных —
бочкообразные. Наиболее широко используются реакторы вер-
тикального типа.
По способу нагрева подложкодержателя установки под-
разделяют на индукционные и с радиационным нагревом. Ин-
дукционный нагрев осуществляют с помощью машинных гене-
раторов частотой 10 кГц или самовозбуждающимися ВЧ-гене-
раторами частотой 500 кГц. При этом выходная мощность
генераторов достигает 100 — 120 кВт. Такая мощность позво-
ляет нагревать подложкодержатель с тридцатью пластинами
диаметром 100 мм до температуры 1200 — 1280° С. Замечено,
что центр пластины 2 при индукционном нагреве подложкодер-
жателя 1 горячее, чем края (рис. 37). Градиент температуры
приводит к возникновению скользящих дислокаций, кото-
рые группируются в виде линий скольжения в определенных
направлениях и приводят к снижению выхода годных изделий.
Для уменьшения температурных градиентов используют
радиационный нагрев (ИК-нагрев) (рис. 38), при котором
энергия, необходимая для разогрева подложкодержателя 2,
помещенного в кварцевый реактор 1, создается набором квар-
цевых галогенных ламп 4 с отражателями 5. При радиационном
нагреве удается устранить также градиент температуры по тол-
щине пластины 3. Это позволяет существенно уменьшить коли-
Рис. 36. Структурно-функциональная
схема установки для
проведения эпитаксии
85
чество дефектов на поверхности пленки (линий скольжения).
Температуру в реакторе с радиационным нагревом измеря-
ют температурно-чувствительными элементами (фотодиодами,
термопарами), размещенными внутри подложкодержателей.
Точность измерения и поддержания рабочей температуры ± 3° С.
В реакторах 1 с ВЧ-нагревом (рис. 39) пластины нагревают-
ся ВЧ-индукторами 5, размещенными в кварцевом стакане
4, а при определении температуры используют оптический пи-
рометр, наведенный на пластину 3, установленную на подлож-
кодержателе 2. Так как температуру измеряют через кварце-
вый реактор или специальное кварцевое окно, то пирометр
показывает оптически эквивалентную температуру, которая
на 50 — 100° ниже фактической. Это нужно учитывать при
определении температуры процесса.
Двухреакторные установки с ВЧ-нагревом имеют простую
конструкцию реактора, в них используют водяное охлажение,
реактор можно изготовить из кварца и нержавеющей стали,
потребляемая в них мощность невелика по сравнению с ради-
ационным нагревом. Водяное охлаждение позволяет избежать
зарастания реактора при гидридной эпитаксии. На один под-
ложкодержатель можно загрузить до 32 пластин диаметром
100 мм. Двухреакторная конструкция позволяет максимально
сократить подготовительное время на загрузку и выгрузку
Рис. 37. Распределение температуры
по радиусу R пластины при индук-
ционном нагреве в эпитаксиальном
реакторе:
J - подложкодержатель; 2 -
пластина
Рис. 38. Конструкция кварце-
вого реактора вертикального ти-
па с ИК-нагревом и воздушным
охлаждением реактора:
1 - кварцевый реактор; 2 -
подложкодержатель; 3 - плас-
тина; 4 - галогенная лампа;
5 — отражатель
86
подложкодержателя и
промежуточные продувки
инертным газом. Основ-
ной недостаток - наличие
градиентов температуры
по радиусу и толщине
пластин, а также труд-
ность измерения и под-
держания рабочей темпе-
ратуры процесса.
В последнее время
созданы двухреакторная
установка эпитаксии и од-
нореакторная с воздуш-
ным охлаждением. В них
реактор сочетает достоин-
ства индукционного и ра-
диационного нагревов
(рис. 40). Это стало воз-
можным за счет покрытия
наружной поверхности
кварцевого реактора 2
тонким слоем металла 1
с высокой отражательной
способностью. Лучистый
поток, отражаясь от этой
поверхности, возвращает-
ся к подложкодержателю
Рис. 39- Конструкция реактора верти-
кального типа с ВЧ-нагревом и водяным
охлаждением:
1 — реактор из нержавеющей стали;
2 - подложкодержатель; 3 — пластина;
4 - кварцевый стакан; 5 - ВЧ-индук-
тор; 6 - пирометр
3, благодаря чему выравнивается
градиент температуры по радиусу и толщине рабочих пластин 4.
Установка имеет ВЧ-индуктор 6, размещенный в кварцевом
стакане 5, микропроцессорное управление расходами газов
и температурой.
Таблица 23. Зависимость скорости роста кремниевого слоя
и уровня его легирования от изменения на 10 %
параметров процесса эпитаксии
Параметр Изменение скорос- ти роста ЭС, % Изменение уровня ле- гирования ЭС, %
Температура подложки От 5,5 до 9,5 От 7,3 до 9,0
Концентрация S1CI4 10,1
Концентрация SiH4 10,0 —
Концентрация РН3 - 10,0
Общий расход газа От 0,1 до 3,1 От 1,5 до 0,1
Давление газа 3,5 —
87
К недостаткам этих установок следует отнести отсутствие
контроля температуры по всему подложкоДержателю и водя-
ного охлаждения. В таких реакторах нельзя проводить процес-
сы эпитаксии при пониженном давлении.
В табл. 23 представлено влияние технологических парамет-
ров процесса на изменение скорости процесса наращивания
ЭС и уровня их легирования. Поддержание требуемых пара-
метров возможно на установках с микропроцессорным управ-
лением ЭПИКВ АР 122, ЭПИКВАР 101 М, ЭПИКВ АР 121 М.
§ 43. УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ И ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Газовые потоки можно измерять ротаметрами или измери-
телями расхода газа. Ротаметрами определяют расход газа
Рис. 40. Конструкция кварцевого реак-
тора вертикального типа двухреактор-
ной и однореакторной установок с
воздушным охлаждением:
1 - отражающее покрытие; 2 - квар-
цевый реактор; 3 - подложкодержа-
тель; 4 - пластина; 5 — кварцевый
стакан; 6 - ВЧ-индуктор; 7 - металли-
ческий кожух воздушного охлаждения
визуально по положению
стального или сапфиро-
вого шарика в коничес-
кой стеклянной трубке,
что требует их тщательной
калибровки. Калибруют
ротаметры с учетом вяз-
кости газа, давления, тем-
пературы молекулярной
массы.
Измерители (регуля-
торы) расхода газа (РРГ)
обеспечивают большую
точность измерений. Прин-
цип их действия основан
на сравнении теплоемкос-
ти движущегося и непод-
вижного газа. С этой це-
лью используют терморе-
зисторы, сопротивление
которых изменяется с из-
менением температуры.
Разность сопротивлений
преобразуется измери-
тельным усилителем в вы-
ходной электрический сиг-
нал регулятора. В зави-
симости от значения за-
даваемого сигнала (0 — 5 В) выходной аналоговый сигнал
пропорционально изменяется от 0 до 10 В. Это позволяет ав-
томатически измерять и регулировать расход газа с погреш-
ностью ± 1,5 %.
88
Наиболее распространенным источником кремния при эпи-
таксии является SiCl4, который при нормальных условиях
находится в жидком состоянии. Газ-носитель Н2 проходит
через емкость с SiCl4, барботируется (пробулькивает) и насы-
щается его парами. Для точного поддержания соотношения
SiCl4 и Н2 в ПГС применяют регулятор расхода реагента (РРР).
В основу работы РРР положен принцип управления потоком
газа-носителя через испаритель с SiCl4 для поддержания задан-
ного уровня расхода реагента, уносимого газом-носителем
независимо от условий в испарителе (давление, температура,
уровень). Регулятор представляет собой систему автоматичес-
кого регулирования, в которой автоматически рассчитывается
расход SiCl4 (умножением расхода водорода на мольное отно-
шение SiCl4 : Н2), сравнивается полученное значение с задан-
ным, а затем исполнительным механизмом изменяется расход
Н2 до такого значения, при котором исчезает разность между
заданным и рассчитанным значением расхода SiCl4. Измерение
расхода, как и в РРГ, проводится терморезисторами. Погреш-
ность регулирования при использовании РРР — 2 % в диапазоне
расхода SiCL» от 1,5 до 15 г/мин.
Для надежного управления включением и выключением
подачи газов используют пневматические клапаны, предотвра-
щающие возможность взрыва от искры при наличии утечки
водорода.
Для удаления и утилизации продуктов реакции служит
скруббер (см. рис. 36) .
§ 44. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ
ПРИ ЭПИТАКСИИ
Перед проведением рабочего процесса эпитаксиального
наращивания выполняют следующие операции: протирают реак-
тор и его кварцевую оснастку батистом, смоченным спиртом;
проверяют манометром герметичность реактора при избыточ-
ном давлении 0,2 • 10s Па в течение 30 мин; исправность рабо-
ты систем блокировок; проводят контрольный отжиг чистой
кремниевой пластины в атмосфере водорода при температуре
рабочего процесса с последующим контролем качества ее по-
верхности (отсутствие матовости, сыпи, подтеков, рисок, све-
тящихся точек); оценивают готовность установки. Затем про-
водят пробный процесс на рабочей пластине со скрытым слоем
и оценивают параметры полученной ЭС по толщине, удельному
сопротивлению, плотности дислокаций и дефектов роста; анали-
зируют результаты пробного процесса и корректируют режимы
эпитаксии.
89
Рабочий процесс включает следующие стадии: загрузку
пластин на подложкодержатель; герметизацию реактора; про-
дувку его азотом в течение 5—7 мин; продувку водородом
в течение 3 — 5 мин; нагрев пластин и проведение процесса с
предварительным газовым травлением в НС1 (в зависимости
от скорости травления и роста эта стадия длится 10 — 30 мин);
охлаждение подложкодержателя в Н2 до температуры 40 —
50° С; продувку реактора N2; разгерметизацию реактора,
разгрузку подложкодержателя и передачу образца для конт-
роля параметров.
§ 45. ДЕФЕКТЫ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ
К дефектам ЭС относят дефекты упаковки, дислокации,
дефекты роста (трипирамиды, бугорки, ямки), линии скольже-
ния, участки механических напряжений и т.д.
Дефекты упаковки — области с нарушенным чередовани-
ем атомных слоев, па боковых границах которых имеется
рассогласование с остальной частью кристаллической структу-
ры слоя. Они образуются из-за наличия на поверхности пластины
различного рода загрязнений в виде инородных частиц, остат-
ков оксидных пленок, механических нарушений и других
и приводят к появлению в начальный период роста эпитаксиаль-
ного слоя нерегулярных атомов и их скоплений.
В связи с повышением уровня интеграции микросхем и
увеличением площади кристаллов требуется снижать плотность
всех видов дефектов в выращиваемых слоях (табл. 23). Из
таблицы видно, что из дефектов в ЭС наиболее ’’опасны” дефек-
ты упаковки и крупные бугорки.
Форма дефектов упаковки зависит от кристаллографичес-
кой ориентации пластины. Для плоскости (111) их выявляют
(рис. 41) после обработки в селективном травителе. Они имеют
Рис. 41. Фигуры травления на
дефектах упаковки в плоскости
(Ш)
Рис. 42. Дефект упаковки в
эпитаксиальном слое с ориен-
тацией (111):
1 - эпитаксиальный слой; 2 —
пластина
90
вид равносторонних треугольников 1, трапеций, незамкнутых
треугольников и более сложных фигур 2, образованных из-за
наложения более простых дефектов. После травления подсчи-
тывают плотность дефектов, приходящуюся на 1 см2. Как
правило, дефекты образуются на границе с пластиной и пред-
ставляют собой тетраэдры с основанием на поверхности ЭС
(рис. 42). Размер стороны основания тетраэдра I позволяет
судить о толщине ЭС, которая равна для (111). Нэс = ly/2/З =
= 0,816 / и для (100) Нэс = h/tjl = I- Отдельные дефек-
ты упаковки могут зарождаться в толще ЭС при захвате в
процессе роста атомов примеси и загрязнений. При определении
толщины ЭС по дефектам упаковки выбираются самые круп-
ные из них.
Таблица 23. Зависимость порогового напряжения unop и обратного тока / , диодов от типа и плотности дефектов ЭС оор
Тип дефекта Плотность дефектов, -2 СМ и В пор, >А обр’
Одномерные дефек-
ты упаковки 104 - 10s 0,5 - 1 10-5 - 10~3
Крупные бугорки 104 - 10s 0,5 - 1,5 10"5 - 5-Ю"4
Мелкие ямки ~106 3-5 10-9 - 10-8
Дислокации 104 - 10s 2-3 10“8 - 5-Ю"7
Дефекты упаковки 104 - 10s 2-3 10’8 - 10"6
Дефекты отсутсгву-
ЮТ - - 810'12 - 5-КГ11
Дислокации могут доставаться ЭС ”по наследству” от
пластины, возникать из-за кристаллографического несоответ-
ствия материалов и разной степени легирования пластины и ЭС,
а также из-за механических и термических напряжений. Разли-
чают краевые и винтовые дислокации.
Причиной появления линий скольжения являются пласти-
ческая деформация Si, вызванная высоким уровнем термичес-
ких напряжений или возникающая из-за разной излучательной
способности поверхностей пластины и подложкодержателя.
Дефекты роста появляются при наличии инородных частиц
на поверхности пластины, в областях ускоренного роста или
встречи быстро растущих зародышей, в областях с высокой
концентрацией примесей и т.д.
Трипирамиды (пирамиды роста) и бугорки могут привести
к повреждению фотошаблонов на последующей фотолитографии.
91
Во избежание образования дефектов следует проводить
тщательную химическую обработку подложек, обязательное
предэпитаксиальное травление НС1 или SF6> соблюдать вакуум-
ную гигиену и тепловые режимы процессов.
§ 46. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ
Обычно контролируют толщину, удельное сопротивление,
распределение концентрации примеси по толщине ЭС и плот-
ность дефектов.
Толщину ЭС определяют методом окрашивания сфери-
ческого шлифа или фотоэлектрическим сканированием цилинд-
рического шлифа. Эти методы контроля относятся к разру-
шающим и чаще всего выполняются на дополнительной конт-
рольной пластине, называемой спутником. Толщину ЭС на ра-
бочих пластинах контролируют неразрушающим бесконтакт-
ным методом ИК-интерференции (рис. 43). Метод основан
на явлении интерференции излучения Ц, отраженного от по-
верхности эпитаксиального слоя I, и 12 от границы ЭС — плас-
тина 2. Метод пригоден для ЭС, имеющих оптические констан-
ты, существенно отличающиеся от констант пластины (напри-
мер, высокоомный 20 — 30 Ом • см эпитаксиальный слой на
низкоомной 0,01 Ом • см пластине или ЭС над скрытым слоем).
Если длину волны падающего излучения 10 изменять, то в ре-
зультате наложения Ц и 12 будут наблюдаться максимумы и
минимумы интенсивности отраженного излучения, соответству-
ющие тем длинам волн, для которых разность фаз между лу-
чами Ц н12 равна целому числу полуволн.
При анализе полученной интерферограммы находят раз-
ность положений двух соседних экстремумов (максимума и
минимума), а затем рассчитывают
толщину Яэс эпитаксиального
слоя по формуле
Яэс = + 4>
Рис. 43. Схема отражения ИК-
излучения от эпитаксиальной
структуры с сильно легирован-
ной пластиной:
1 - эпитаксиальный слой;
2 - пластина
где п — показатель преломления
ЭС, vm — 1/Xm и vm + । —l[\m + । —
волновые числа; Хт + р Хт —
длины волн излучения для двух
соседних экстремумов.
Для контроля толщины ЭС
в структурах со скрытым слоем
изготовляют специальную тесто-
вую ячейку — пластину с боль-
шим участком скрытого слоя.
92
Точность измерения толщины ЭС методом ИК-интерфе-
ренции + 5 % в диапазоне измеряемых толщин от 3 до 50 мкм.
Для промышленного контроля используют автоматическую
установку, состоящую из спектрофотометра ИКС-29, приставки
отражения с оправкой, для контролируемой пластины, блока
управления и ЭВМ. Спектральный диапазон установки от 8
до 25 мкм, диаметр пятна сфокусированного пучка 5x5 мм,
угол падения пучка не более 10°.
Так как граница ЭС — пластина не является резкой, поня-
тие ’’толщина ЭС” является условным, и результаты ее измере-
ния различными методами могут быть различными. Толщина
ЭС, измеренная методом ИК-интерференции, соответствует
толщине d3 (см. рис. 30), т. е. включает всю переходную об-
ласть. Метод сферического шлифа дает толщину d2 меньшую,
чем d3.
Удельное сопротивление и распределение концентрации
примесей по толщине ЭС определяется так же, как для диф-
фузионных слоев. Удельное сопротивление находят после из-
мерения поверхностного сопротивления ps на приборе ИУС-3
по формуле, Ом • см
Ру = Рз^эс
Организация рабочего места
Рабочее место оператора эпитаксиальных процессов должно быть
расположено в пылезащитном скафандре с избыточным давлением очи-
щенного воздуха, подаваемого в него. На столе устанавливают микро-
скоп с увеличением до 200х, позволяющий просматривать пластины
в темном поле. Визуальную оценку качества поверхности пластин про-
изводят в пучке осветители ОИ-9М, падающем под углом к рабочей
поверхности. В скафандре должны находиться бюкс со спиртом и чашка
Петри с салфетками из безворсовой ткани для протирки пинцентов и квар-
цевой оснастки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем разница между поликристаллической и эпитаксиальной
структурой?
2. Какие способы легирования ЭС вы знаете?
3. Можно ли при создании ИМС обойтись без ЭС?
4. Каким образом можно уменьшить автолегирование?
5. Каковы достоинства и недостатки существующих способов фор-
мирования ЭС?
6. Зачем необходимо проводить предэпитаксиальное газовое трав-
ление?
7. Каковы достоинства и недостатки установок для проведения
эпитаксии?
93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель!
Изучив эту книгу, вы узнали об основных термических
операциях технологического процесса изготовления ИМС:
нанесении диэлектрических пленок и поликристаллического
кремния на поверхность полупроводниковых пластин, диффу-
зии примесей и эпитаксиальном наращивании. Теперь вы знае-
те, что для разных целей используют различные процессы форми-
рования диэлектриков: термическое окисление, пиролити-
ческое осаждение диоксида и нитрида кремния, плазмохимичес-
кое осаждение; разные способы диффузии: в открытой трубе,
в ампуле, бокс-метод; тотальную, локальную и молекулярно-
лучевую эпитаксию для получения сплошных и локальных мо-
нокристаллических пленок. Вы поняли, что к параметрам про-
цессов и полученным пленкам и слоям предъявляются специ-
фические требования, поэтому они требуют тонкого и сложного
контроля.
Настоящая книга должна помочь вам при изучении тех-
нологии изготовления полупроводниковых приборов и изде-
лий микроэлектроники.
В процессе своей дальнейшей работы вы будете встречаться
с новыми технологическими процессами, оборудованием, мето-
дами термической обработки. Поэтому вы должны системати-
чески углублять свои знания, следить за технической литерату-
рой, изучать новейшую технологию. Все это будет способство-
вать повышению вашей квалификации и мастерства, позволит
сознательно выполнять свою работу и вносить свой вкладе раз-
витие микроэлектроники.
В добрый путь!
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................... 3
Глава первая. Формирование диэлектрических и поликрис-
таллических кремниевых пленок на поверхности полупровод-
никовых пластин.......................................... 5
§ 1. Виды, назначение, свойства и методы формирования
диэлектрических и поликристаллических кремниевых
пленок ................................................... 5
§ 2. Термическое окисление кремния...................... 8
§3. Оборудование для термического окисления............ И
§ 4. Термическое окисление при повышенном давлении
и в галогеносодержащих средах................ 15
§ 5. Последовательность технологических переходов при
термическом окислении........................ 16
§ 6. Пиролитическое осаждение SiO2 .................... 17
§ 7. Оборудование для пиролитического осаждения SiO2 18
§ 8. Последовательность технологических переходов при
пиролитическом осаждении SiO2 .................... 19
§ 9. Плазмохимическое осаждение SiO2................... 19
§ 10. Оборудование для плазмохимического осаждения
SiO2.............................................. 20
§ 11. Последовательность технологических переходов при
плазмохимическом осаждении........................ 21
§12. Свойства пленок нитрида кремния................... 22
§13. Методы получения пленок нитрида кремния........... 23
§ 14. Структура поликристаллических пленок кремния ... 24
§ 15. Методы получения поликристаллическихпленок крем-
ния ..................................................... 26
§ 16. Влияние границ зерен на свойства поликристалличес-
кого кремния............................................. 30
§17. Легирование поликристаллического кремния........ 30
§ 18. Отжиг, рекристаллизация и окисление поликристал-
лического кремния........................................ 32
§ 19. Технология формирования поликристаллического
эмиттера.......................................... 33
§ 20. Технология создания пленки поликристаллического
кремния для изоляции.............................. 34
§ 21. Технология создания пленки поликристаллического
кремния для геттсрирования микродефектов........ 35
§22. Методы получения карбида кремния.................. 35
§ 23. Расчет и методы уменьшения механических напряже-
ний в диэлектрических и поликристаллических крем-
ниевых пленках.............'...................... 37
§ 24. Контроль толщины и коэффициента преломления пле-
нок ..................................................... 39
§25. Контроль дефектов пленок.......................... 44
§26. Контроль других параметров пленок................. 45
Глава вторая. Диффузия примесей в поверхность полупро-
водниковых пластин 47
§ 27. Механизм диффузии................................. 47
§ 28. Виды и источники легирующих примесей.............. 49
95
§ 29. Распределение примеси при диффузии из бесконечного
и ограниченного источника................................ 50
§ 30. Способы проведения двухстадийной диффузии........ 52
§ 31. Дефекты и контроль параметров диффузионных слоев 56
§ 32. Последовательность технологических переходов при
диффузии................................................. 62
Глава третья. Эпитаксиальное наращивание..................... 63
§ 33. Классификация процессов эпитаксии ................ 63
§ 34. Кинетика и механизм процесса эпитаксии............ 65
§ 35. Способы легирования эпитаксиальных слоев.......... 69
§ 36. Автолегирование................................... 73
§ 37. Хлоридный метод эпитаксии......................... 74
§ 38. Гидридная эпитаксия .............................. 76
§ 39. Селективное эпитаксиальное наращивание кремния . . 78
§ 40. Молекулярно-лучевая эпитаксия..................... 80
§41. Газовое травление перед эпитаксией................ 81
§ 42. Оборудование и оснастка для эпитаксии ............ 85
§ 43. Управление газовыми потоками и их измерение...... 88
§ 44. Последовательность технологических Переходов при
эпитаксии ............................................... 89
§45. Дефекты эпитаксиальных слоев..................... 90
§46. Контроль параметров эпитаксиальных слоев.......... 92
Заключение .................................................. 94
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 5
Светлана Николаевна Никифорова-Денисова,
Евгений Николаевич Любушкии
ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Редактор С В. Никитина. Мл. редакторы Л.А. Васильева, Т.В. Шега-
пова. Художник П.Б. Борисовский. Художественный редактор
В.Г. Пасичпик. Технический редактор Л.М. Матюшина. Корректор
Г.А. Чечеткина. Оператор Н.В. Хазраткулова
ИБ № 7868
Изд. № ЭГ-234. Сдано в набор 24.01.89. Подп. в печать 03.03.89.
Формат 84x108 /э2.Бум. кп.-журн.ГарнитураПресс-Роман.Печать высокая
Обьем 5,04 усл. псч. л. 5,25 усл. кр.-отт. 5,44 уч.-изд. л.
Тираж 30000 экз. Зак. № 554. Цена 15 коп.
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4 Неглинная ул.,
д. 29/14.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.