Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии

• Название: Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
• Анкор: Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике.pdf
• Дата: 31.03.2018
• Размер: 22.56 Mb.
• Имя файла: Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике.pdf
• Тип: Учебное пособие; #17433
• страница: 18 из 21

Технология выращивания эпитаксиальных пленок
Для реализации метода химического осаждения из газовой фазы используются реакторы с непрерывной подачей рабочей смеси через него (метод открытой трубы) (рис.10.4) [2].
Рис. 10.4. Схема установки с вертикальным реактором и индукционным нагревом для эпитаксиального наращивания пленки. 1 - реактор; 2 - держатель пластин;
3 - индуктор.

211
В представленной на рисунке установке для выделения кремния и легирующей примеси (бора) используется реакция восстановления,
причем источники кремния
(
)
4
SiCl
и примеси
(
)
3
BBr
- жидкие. Уст- ройство газораспределения (на схеме не показано) обеспечивает пода- чу газов, необходимых для выполнения полного цикла обработки: во- дорода, выполняющего роль реагента, а также газа-носителя для транс- портировки паров
4
SiCl
и
3
BBr
; азота, применяемого для продувки системы; хлористого водорода для травления пластин; углекислого га- за для получения пленки
2
SiO
на поверхности эпитаксиальной плен- ки. Каждый из газов подается из баллона по отдельной магистрали, со- держащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр,
ротаметр (для измерения расхода газа) и клапан с электромагнитным управлением.
Основные реагенты в поток газа-носителя подаются в основном барботажным методом и испарением с поверхности. При барботирова- нии (см.рис.10.4) газ-носитель пропускают через жидкость для насы- щения ее парами. В источниках испарительного типа газ проходит над поверхностью жидкости и захватывает ее пары. Источники размещены в термостатах, позволяющих поддерживать температуру с точностью
±1
о
С. Поскольку расход водорода значителен, во избежание выброса испаряемой жидкости по магистрали в сторону камеры реактора в ис- точник подают лишь 2-5 % всего количества водорода, а на выходе из источника (в общей магистрали) концентрированная смесь разбавляет- ся основным потоком.
Реакторы могут быть вертикальными и горизонтальными. В вер- тикальных реакторах, имеющих осевую симметрию конструкции, лег- че получить симметрию температурного и газодинамического полей,
что при многоместной обработке обеспечивает воспроизводимость ре- зультатов.
Температура, необходимая для гетерогенной реакции, создается непосредственно на поверхности пирамидального держателя пластин,
в то время как стенки реактора остаются относительно холодными.
Это достигается за счет индукционного или резистивного нагрева дер- жателя и водяного охлаждения стенок реактора. Через медную трубку индуктора также пропускают воду. Пирамиду-пластинодержатель, вы- полняют из высокочистых сортов графита, покрытого (во избежание загрязнения реактора) карбидом кремния. Для создания идентичных условий осаждения грани пирамиды имеют наклон 5-7
о
. Предусматри- вается также возможность вращения пирамиды. Контроль температу- ры пластин осуществляется фотопирометром, установленным вне ре-

212
актора. Реактор представляет собой кварцевую трубу, на выходе кото- рой отходы реакции собираются специальным устройством (скруббе- ром), где сжигаются в водородном пламени.
Поскольку подготовленная к эпитаксии поверхность пластины в период хранения и транспортировки способна адсорбировать атмо- сферные газы, в том числе кислород и влагу с образованием тонких пленок окисла, цикл обработки должен предусматривать удаление по- верхностного слоя в реакторе непосредственно перед наращиванием. С
этой целью поверхность обрабатывают водородом при высокой темпе- ратуре (при этом происходит восстановление кремния из окисла), а за- тем хлористым водородом для стравливания нарушенного слоя. Со- держание
HCl
в
2
H
составляет 1-2 об.%, при этом достигается ско- рость травления

0,5 мкм/мин.
Собственно наращивание начинается с момента подачи в реактор смеси
2
H
и
4
SiCl
, а также смеси
2
H
и
3
BBr
. Скорость роста плен- ки лежит в пределах от десятых долей до нескольких микрометров в минуту. Степень легирования (концентрация примеси растущей плен- ки) зависит от соотношения
3
BBr
и
4
SiCl
в парогазовой смеси.
Полностью цикл работы установки эпитаксиального наращивания состоит из следующих этапов:
1) загрузка пластин и герметизация реактора;
2) продувка реактора азотом, затем водородом для вытеснения атмо- сферного воздуха;
3) нагрев и выдержка в атмосфере водорода (восстановление оки- слов);
4) газовое травление с помощью
HCl
на глубину 1-2 мкм (удаление нарушенного и загрязненного слоя). По окончании - продувка во- дородом;
5) снижение температуры до рабочего значения, подача смеси
2
H
,
4
SiCl
и
3
BBr
(наращивание слоя). По окончании - продувка водо- родом;
6) подача смеси
2 4
2
,
,
H
SiCl
CO
и осаждение окисной пленки
2
SiO
(гидролиз тетрахлорида кремния). Продувка водородом;
7) охлаждение в потоке водорода (плавное снижение мощности ВЧ- генератора);
8) продувка азотом, разгерметизация, выгрузка.
Важнейшими параметрами эпитаксиального процесса являются температура подложек, концентрация реагентов и скорость потока га-

213
за. В диапазоне температур 800-1350
о
С точность поддержания и заме- ра температуры составляет
±5
о
. Скорость потока газа в реакторе эпи- таксиального наращивания должна быть достаточно высокой с тем,
чтобы по ходу движения газа не происходило значительного обедне- ния газовой смеси и снижения скорости осаждения. Оптимальная ско- рость потока при реакции восстановления
4
SiCl
10-50 см/с, а при ре- акции разложения
4
SiH
30-50 см/с. Для обеспечения условий протека- ния реакции на подложке, а не в объеме реактора концентрация
4
SiCl
в потоке газа-носителя не должна превышать 0,5-1 %, а концентрация силана поддерживается равной 0,05-0,1 %. При этих условиях обеспе- чивается скорость роста эпитаксиальной пленки от 0,2 до 2 мкм/мин.
Внедрение автоматической системы управления установками эпитак- сиального наращивания обеспечивает выход годных эпитаксиальных структур по толщине и удельному сопротивлению с технологическим разбросом
±5 %.
Контроль эпитаксиальных слоев
Основными параметрами, определяющими пригодность эпитак- сиальных слоев для изготовления интегральных схем, являются тип проводимости, удельное сопротивление, толщина, распределение при- месей и плотность дефектов.
Для определения толщины эпитаксиальных слоев применяют ши- роко известные методы косого и сферического шлифов, а также метод интерференции инфракрасных лучей (ИК-лучей).
Метод интерференции ИК-лучей основан на их отражении от по- верхности эпитаксиального слоя и подложки. Отражение инфракрас- ных лучей в диапазоне длин волн 10-30 мкм происходит не только от поверхности эпитаксиального слоя, но и от границы раздела слой-под- ложка вследствие различия оптических констант (показателей прелом- ления) слоя и подложки, содержащих различную концентрацию при- месей. По картине интерференции отраженных лучей судят о толщине эпитаксиального слоя. Хорошие данные получаются, если сопротивле- ние эпитаксиального слоя выше 0,1 Ом
×см, а сопротивление подложки ниже 0,02 Ом
×см. С увеличением концентрации примеси в слое возрас- тает поглощение ИК-лучей, с уменьшением концентрации примеси в подложке растет пропускание ею ИК-лучей, что ведет к уменьшению отражения на границе.

214
Разность хода лучей d
, отраженных от эпитаксиального слоя и подложки, определяется толщиной слоя
h
, показателем его преломле- ния
n
и углом преломления j
j d
cos
2nh
=
Наблюдая интерференционную картину и измеряя разность хода лучей, вычисляют толщину пленки. Неоднородность слоя по толщине приводит к ухудшению контрастности интерференционной картины.
Плотность дефектов эпитаксиальных слоев определяется выявле- нием их с помощью специальных химических травителей. Так как де- фекты упаковки зарождаются преимущественно на границе подложка - эпитаксиальный слой и образуют правильные тетраэдры, то высота этих тетраэдров равна толщине эпитаксиального слоя. При ориентации подложки по плоскости (111) основанием тетраэдров является равно- сторонний треугольник. Плотность дефектов определяется простым подсчетом их на единице поверхности слоя.
Удельное сопротивление эпитаксиальных слоев, если они образу- ют с подложкой
n
p
- переходы, измеряется широко известными че- тырехзондовым или двухзондовым методами. Для контроля эпитакси- альных слоев, образующих с подложкой контакты типа
+
- n
n
и
+
- p
p
, применяют трехзондовый метод.
Измерение распределения концентрации примеси в эпитаксиаль- ных слоях проводят путем последовательного удаления тонких слоев и определения проводимости с помощью четырехзондового метода для слоев противоположного с подложкой типа проводимости или метода вольт-фарадной характеристики для слоев одного с подложкой типа проводимости.
11. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПЛЕНОК
11.1. Диэлектрические слои для полупроводниковых ИМС
Диэлектрические пленки широко используются в технологии ин- тегральных микросхем для различных целей:
- маскирование при диффузии и ионном легировании, окислении и травлении;
- изоляция приборов в схеме, контактов и межсоединений;
- в качестве подзатворного диэлектрика в МДП ИС;
- пассивация поверхности интегральных структур.

215
Для получения диэлектрических слоев диоксида кремния
2
SiO
,
наиболее широко применяемого в полупроводниковых ИМС, исполь- зуют методы:
- термического окисления;
- пиролитического осаждения;
- плазменного и электролитического анодирования;
- ионного распыления.
Второй диэлектрик, используемый в полупроводниковой техно- логии, нитрид кремния
4 3
N
Si
получают пиролитическим осаждением и ионным распылением. Так как наиболее широкое применение нашел диоксид кремния, полученный термическим окислением, рассмотрим физико-химические основы этого метода.
11.2. Термическое окисление кремния
Механизм роста окисла и кинетика окисления
Особенности роста пленки и кинетики окисления кремния опре- деляются структурой и свойствами пленки
2
SiO
. Окисел обладает открытой пространственно-полимерной структурой с прочными свя- зями
º
-
-
º
Si
Si 0
. Это один из лучших диэлектриков с шириной запрещенной зоны более 8 эВ. Рост окисла происходит в атмосфере сухого кислорода или паров воды согласно реакциям
2 2
SiO
O
Si
®
+
2 2
2 2
2
H
SiO
O
H
Si
+
®
+
При этом происходит перераспределение валентных электронов между кремнием и кислородом и образуется ковалентная связь между атомами. Рост окисла сопровождается перемещением границы двух фаз
2
SiO
Si
- в глубь полупроводника. Однако происходящее при этом расширение объема приводит к тому, что внешняя поверхность
2
SiO
не совпадает с первоначальной поверхностью кремния (рис.11.1).
Если учесть значение плотности и молекулярной массы
Si
и
2
SiO
, то рост пленки
2
SiO
толщиной
x
происходит за счет кремния толщиной 0,44
x
, т.е. можно считать, что толщина окисла примерно в два раза больше толщины поглощаемого им кремния.

216
Рис. 11.1. Рост оксида кремния.
Слой окисла толщиной 2-8 нм образуется на поверхности крем- ния уже при комнатной температуре, но малая толщина окисла и низ- кое качество не позволяют его использовать в технологии ИС. Высо- кокачественный окисел может быть получен лишь при термическом окислении кремния при температуре 700-1200
о
С. Принятая в настоя- щее время модель окисления основана на диффузии окисляющих час- тиц через растущий окисел и их взаимодействии с кремнием на грани- це двух фаз
-
Si
2
SiO
Модель окисления
Кинетика процесса окисления описывается моделью Дила и Гро- ува [14]. Она применима для температурного диапазона 700-1300
о
С,
парциальных давлений
2
O
(0,2-1,0)
×10 5
Па (возможно, и для более вы- соких значений) и толщины окисных пленок 0,03-2 мкм в атмосфере,
состоящей из кислорода и (или) паров воды. Процесс окисления со- стоит из двух этапов - массопереноса окислителя в растущем окисле и протекания химической реакции кремния с окислителем.
Рис. 11.2. Модель термического окисления кремния.

217
На рис.11.2 показана модель термического окисления, описывае- мая тремя потоками окислителя:
1) массоперенос окислителя через внешнюю границу растущего окис- ла
2
SiO
из газовой фазы (поток
1
F
)
(
)
0
*
1
C
C
h
F
-
=
,
(11.1)
где
-
h
коэффициент переноса окисляющих частиц через внешнюю границу окисла;
*
C
и
-
0
C
концентрации окисляющих частиц вне окисла и вблизи поверхности внутри окисла в любой момент времени окисления
t
;
2) диффузия окисляющих частиц через окисел к границе
Si
SiO
-
2
(поток
2
F
)
x
C
C
D
F
i
-
=
0 2
,
(11.2)
где
-
D
коэффициент диффузии окисляющих частиц;
-
i
C
концентрация окислителя на границе
Si
SiO
-
2
;
3) химическая реакция взаимодействия окислителя с кремнием (поток
3
F
)
i
C
k
F
×
=
3
,
(11.3)
где
-
k
константа скорости поверхностной химической реакции окис- ления кремния.
В условиях установившегося равновесия имеет место равенство потоков
(
)
3 2
1
F
F
F
=
=
(
)
i
i
kC
x
C
C
D
C
C
h
=
-
=
-
0 0
*
,
(11.4)
из которого можно определить значения концентрации окисляющих частиц
i
C
и
0
C
1
*
+
+
=
D
kx
h
k
C
C
i
;
(11.5)

218
D
kd
h
k
D
kd
C
C
+
+
÷
ø
ö
ç
è
æ +
=
1 1
*
0
(11.6)
Анализ уравнений (11.5) и (11.6) показывает, что возможны два предельных случая, когда коэффициент диффузии либо слишком мал,
либо очень велик. Когда коэффициент диффузии мал,
0
®
i
C
, а
*
0
C
C
®
. В этом случае говорят, что реакция идет при диффузион- ном контроле, т.е. лимитирующей является диффузионная стадия про- текания реакции. Вследствие малого
D
поток окислителя через окисел мал по сравнению с потоком, соответствующим реакции на границе
2
SiO
Si
-
. Следовательно, скорость реакции зависит от доставки окислителя к границе раздела фаз, а не от скорости его взаимодействия с кремнием на этой границе.
Во втором предельном случае, когда коэффициент диффузии ве- лик,
h
k
C
C
C
i
+
=
=
1
*
0
. Можно сказать, что реакция идет при кинети- ческом контроле, т.е. лимитирующей стадией является кинетическая стадия протекания самой реакции. Большое количество окислителя достигает границы раздела
Si
SiO
-
2
, и скорость окисления контро- лируется константой скорости реакции
k
и концентрацией
0
C
C
i
=
Для расчета скорости окисления необходимо определить число молекул окислителя
N
, входящих в единичный объем окисного слоя.
В термически выращенном окисле содержится 2,2
×10 22
молекул/см
3
, а для создания одной молекулы
2
SiO
требуется одна молекула кисло- рода или две молекулы воды. Следовательно, при выращивании плен- ки в сухом кислороде
N
должно быть равно 2,2
×10 22
, а при выращива- нии в парах воды - вдвое больше. Тогда поток
3 2
1
F
F
F
F
=
=
=
можно представить как произведение числа молекул окислителя
N
на скорость роста пленки
dt
dx

219 1
*
+
+
×
=
×
=
×
D
kx
h
k
C
k
C
k
dt
dx
N
i
(11.7)
Решим это дифференциальное уравнение, предположив, что оки- сел мог присутствовать на поверхности кремния вследствие предвари- тельных этапов окисления в ходе технологического процесса или его рост мог происходить под воздействием окружающей атмосферы. Это означает, что
0
x
x
=
при
0
=
t
. Решение уравнения (11.7) выглядит следующим образом
0 2
0 1
*
2 1
2 2
1 2
x
h
k
k
D
x
N
t
DC
x
h
k
k
D
x
÷
ø
ö
ç
è
æ +
+
+
=
÷
ø
ö
ç
è
æ +
+
. (11.8)
Обозначим:
A
h
k
k
D
÷
ø
ö
ç
è
æ +
1 2
;
B
N
DC =
1
*
2
;
B
x
A
x
0 2
0
×
+
=
t
,
тогда уравнение (11.8) примет вид:
(
)
0 2
=
+
-
+
t
t
B
Ax
x
(11.9)
Величина t
соответствует сдвигу по временной оси, который учиты- вает наличие первоначального окисла толщиной
0
x
Решение квадратного уравнения (11.9) для
x
как функция време- ни запишется
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
-
÷
ø
ö
ç
è
æ
+
+
=
1 4
/
1 2
2
/
1 2
B
A
t
A
x
t
(11.10)
Анализ уравнения (11.10) можно провести, задав два значения времени. Один из предельных случаев имеет место при большом вре- мени окисления, т.е. когда t
>>
t
Bt
x
=
2
(11.11)
Уравнение (11.11) представляет собой параболический закон, где
-
B
параболическая константа скорости окисления. Другой предель- ный случай имеет место при очень коротком времени окисления, т.е.
когда справедливо соотношение
(
)
B
A
t
4
/
2
<<
+
t
(
)
t
+
=
t
A
B
x
(11.12)

220
Уравнение (11.12) представляет собой линейный закон, где
-
A
B /
линейная константа скорости окисления, определяемая выра- жением
(
)
[
]
(
)
1
*
/
/
/
N
C
h
k
kh
A
B
×
+
=
(11.13)
Уравнения (11.11) и (11.12) соответствуют случаям протекания реакции окисления с диффузионным и кинетическим контролем.
Достаточно простая модель окисления Дила и Гроува обеспечи- вает хорошее совпадение теоретических результатов с эксперимен- тальными данными для окисления во влажном и сухом кислороде.
Эксперименты проводились при окислении в очищенном сухом кисло- роде (содержание паров воды меньше 5
×10
-4
%) и во влажном кислоро- де (парциальное давление паров воды 85
×10 3
Па). Учитывая основные уравнения, описывающие процесс роста окисла (11.11) и (11.12), Дил и Гроув получили значения констант
A
и
B
для процессов окисления в сухом и влажном кислороде, приведенные в табл.11.1 и 11.2 [14].
При окислении во влажном кислороде не наблюдается сдвига по вре- менной оси, т.е. при
0
=
t
толщина окисла
0 0
=
x
и, соответственно,
0
=
t
Таблица 11.1
Константы скорости окисления кремния в сухом кислороде
Температу- ра окисле- ния,
о
С
A
, мкм
Параболи- ческая кон- станта ско- рости окис- ления
B
,
мкм
2
/ч
Линейная константа скорости окисления
A
B /
,
мкм/ч t
,ч
1200 1110 1000 920 800 700 0,040 0,090 0,165 0,235 0,370
…
0,045 0,027 0,0117 0,0049 0,0011
…
1,12 0,30 0,071 0,0208 0,0030 0,00026 0,027 0,076 0,37 1,40 9,0 81,0

221
Таблица 11.2
Константы скорости окисления кремния во влажном кислороде
Температу- ра окисле- ния,
о
С
A
, мкм
Параболи- ческая кон- станта ско- рости окис- ления
B
,
мкм
2
/ч
Линейная константа скорости окисления
A
B /
,
мкм/ч t
,ч
1200 1100 1000 920 0,05 0,11 0,226 0,50 0,720 0,510 0,287 0,203 14,40 4,64 1,27 0,406 0
0 0
0
При окислении в сухом кислороде при
0
=
t
толщина окисла
0
x
при- мерно равна 0,025 мкм, поэтому при расчетах следует учитывать вели- чину t