Главная | Обратная связь

Хлоридный метод эпитаксии кремния

ЭПИТАКСИЯ

Введение

Эпитаксия (от греческого «эпи» (epu) – «на» и «таксис» (taxus) – формы прошедшего времени от глагола «тайкен» (taueu) – располагать в порядке) заключается в осаждении атомарного полупроводника на монокристаллическую подложку из того же (гомоэпитаксия) или другого (гетероэпитаксия) материала с близкой кристаллической структурой и высокой степенью химического сродсва, осуществляемого таким образом, чтобы растущая пленка достраивала кристаллическую структуру подложки.

Химические реакции, происходящие в газовой фазе над кристаллом-подложкой или на поверхности кристалла, а затем эпитаксиальной пленки, должны обеспечить выделение моноатомов вещества, т.к. в случае осаждения конгломератов свойства пленки ухудшаются. Процесс эпитаксии, т.е. образование монокристалла из одноатомного пара, происходит самопроизвольно, т.к. свободная энергия системы кристалл-пар при этом уменьшается и выделяется энергия, равная энергии атомизации:

Si(g) = Si(S) + 452,2 кДж/моль.

В зависимости от используемых реагентов и типа основной химической реакции выделения моноатомов различают следующие методы получения эпитаксиальных структур:

1. Восстановление хлоридов (хлоридный).

2. Диспропорционирование двухвалентных до четырехвалентных соединений;

3. Термическое разложение соединений (гидридный);

Наибольшее применение получили хлоридный и гидридный методы.

Хлоридный метод эпитаксии кремния

Хлоридный метод имеет большое значение в технологии микроэлектроники, поскольку позволяет получать автоэпитаксиальные слои (АЭС) кремния с параметрами, полностью удовлетворяющими требованиям современной микроэлектроники. Широкое применение этого метода с доступностью получения в промышленных масштабах высокочистого тетрахлорида кремния и водорода, изученностью процесса восстановления кремния из терахлорида, сравнительно низкими затратами, относительной безопасностью процесса и возможностью управления его основными параметрами.

Процесс осуществляется в системе проточного типа (рис. 1), рост АЭС на парогазовой смеси (SiCl₄ + H₂) происходит на поверхности кремниевой подложки, разогретой до температуры выше 1373 К.

Парогазовая смесь получается насыщением водорода парами тетрахлорида кремния при пропускании водорода через испаритель.

Большое значение для получения высококачественных АЭС кремния имеет содержание примесей в исходных материалах. Используемый тетрахлорид кремния должен иметь суммарное содержание примесей менее 10^–6 % (по массе), содержание влаги в водороде соответствует «точке росы» (не выше 208К).

Рис. 1. Вертикальная реакционная камера: 1 – окно для фотопирометра; 2, 7 – уплотняющие фланцы; 3 – кварцевый реактор; 4 – индуктор; 5 – пьедестал в виде трехъярусной пирамиды; 6 – подложка

 

Качество АЭС кремния и экономичность процесса в целом определяется правильным выбором технологических условий – температуры, состава исходных компонентов, подаваемых в реактор, их количества. Физико-химические исследования дают возможность правильно установить оптимальные условия проведения процесса.

Для этого рассчитывается величина уменьшения свободной энергии системы DG для изотермического изменения состояния, которое согласно уравнению DG = DH – TDS, определяется изменением энтальпии DН и энтропии DS.

Результирующее уравнение реакции восстановления может быть записано в следующем виде:

SiCl₄ + 2H₂ Û Si(s) + 4HCl. (1)

Т.к. вероятность столкновения трех частиц в газовой фазе маловероятно, то механизм взаимодействия тетрохлорида с водородом можно представить состоящим из следующих основных стадий:

SiCl₄ (g) + H₂ ó SiHCl₃(g) + HCl (2)

SiHCl₃ (g) ó SiHCl₂ (g) + HCl (3)

SiHCl₂ (g) ó ½ Si (s) + ½ SiHCl₄ (g) (4)

SiHCl₂ (g) + H₂ ó Si (s) + 2HCl (5)

Первые две реакции происходят в газовой фазе, а третья и четвертая – на поверхности подложки, т.к. они возможны только при наличии третьего тела, способного поглотить энергию, выделяющуюся при эпитаксии.

Выход элементарного кремния, рассчитанный методами термодинамики максимален, когда мольное отношение H₂/SiCl₄ превосходит 10², а температура составляет порядка 1473 К.

Достаточно совершенный монокристаллический слой, не содержащий структурных дефектов, может быть выращен, если температура процесса составляет не менее 1150-1250°С.

Реакция (1) обратима. Если несущий газ содержит пары НС1, то может происходить не рост, а газовое травление кремния.

Скорость травления механически полированных пластин кремния линейно зависит от концентрации НС1 при содержании его более 2 об.% (рис. 3.11) и не зависит от степени легирования пластин и качества исходной обработки их поверхности.

Рис. 2. Зависимость скорости травления кремния от концентрации HCl при различных температурах

 

Если концентрация НС1 превышает значения, ограниченные кривой, то происходит селективное травление кремния, причем полированная поверхность покрывается ямками травления.

Травление пленки кремния осуществляется также треххлоридом кремния.

Реакция (5) обратима, т.е.

Si(s) + SiCl₄(g) Û 2SiCl₂

и травление эпитаксиальной пленки тетрахлоридом кремния происходит, когда концентация SiCl₄ в газовой фазе достаточно высока (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость скорости роста эпитаксиального слоя от концентрации SiCl4 (Т = 1170°С)

 

В начале с увеличением концентрации SiCl₄ скорость осаждения растет. Для температуры 1170°С при молярной концентрации SiCl₄, равной 0,1, скорость роста максимальна, затем она снижается, и при концентрации около 0,27–0,28 начинается травление. Поэтому для эпитаксиального выращивания следует использовать разбавленные смеси SiCl₄ и H₂.

Легирование эпитаксиальных слоев осуществляется контролируемым введением паров легколетучих соединений элементов III и IV групп периодической системы в парогазовую смесь (SiCl₄ + H₂). Способы легирования могут быть различными:

- введение лигатуры непосредственно в SiCl₄ (BCl₃, PCl₃ и др);

- использование системы двух испарителей – тетрахлорида кремния и легирующей добавки летучих хлоридов (BCl₃, PCl₃ AsCl₃ и др);

- использование гидридов легирующих элементов (B₂H₅, PH₃, AsH₃ и др_.).

Подложки, на поверхности которых идет процесс автоэпитаксии, нарезаются из монокристаллических слитков кремния, рабочая поверхность по чистоте соответствует 14-му классу обработки. Непосредственно перед процессом нанесения подложки подвергаются травлению в ПГС (HCl +H₂). Сначала производится предварительный прогрев в водороде для удаления следов окисла, а затем травление в парах обезвоженного хлористого водорода.