Здавалка
Главная | Обратная связь

При пиролизе силана



Возможность проведения эпитаксии при низкой температуре ограничена кинетикой процесса, т.е. низкой скоростью эпитаксии. Однако более низкая энергия связи Si–Н атомов по сравнению с Si–Cl должна снизить порог проведения реакции, т.е. ее энергию активации.

На рис. 5 приведена температурная зависимость скорости роста пленок при пиролизе моносилана в интервале температур 950–1260°С. На графике четко выделяются два участка:

1) от 1260 до 1100°С скорость роста при заданном давлении SiH4 не зависит от температуры;

2) от 1100 до 950°С скорость роста убывает при снижении температуры по экспоненциальному закону с энергией активации 150 кДж/моль.

Скорость роста зависит также от парциального давления моносилана в газовой смеси. При температуре ниже 1100°С, т.е. на участке кинетического ограничения процесса v = k1p1,3. В области более высокой температуры при р < 200 Па скорость роста изменяется экспоненциально, а при p > 200 Па начинает преобладать пиролиз в газовой фазе, что приводит к получению мелкодисперсного порошка аморфного кремния и ухудшает морфологию эпитаксиальной пленки.

Оптимальным условиям процесса эпитаксии соответствует температуре 1050–1100°С и содержание моносилана в газовой смеси 0,04 об.%. Скорость роста при этих условиях составляет 0,8–1,2 мк/мин.

Рис. 5. Зависимость скорости роста эпитаксиальных пленок кремния

от температуры при пиролизе силана

 

Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических подложках

Эпитаксиальные слои кремния могут быть выращены на некоторых ориентирующих диэлектрических подложках, которые должны обладать следующими свойствами:

- иметь близкие к полупроводнику значения коэффициентов термического расширения;

- быть химически стойкими к травителям, применяемым для обработки полупроводника.

Для получения эпитаксиальных слоев Si наиболее часто используется в качестве подложки сапфир, иногда кварц, окись бериллия.

В табл. 1 представлены основные характеристики кристаллов диэлектриков, используемых в качестве подложек при гетероэпитаксии кремния

Таблица 1

Основные характеристики диэлектриков,

используемых при гетероэпитаксии кремния

Материал Симметрия Периоды решетки, А Температурный коэффициент расширения (ТКР) a×10–6, град–1
а с
Кремний Кубическая (типа алмаза) 5,43 4,5(400–600)
Кварц Гексагональная 4,90 5,39 8–13,4–(0–80)
Сапфир То же 4,75 12,95 9,5(20–1200)
Окись бериллия —"— 2,698 4,38 9,0(20–1200)

 

Различия как в постоянных решетки, так и в ТКР у кремния с этими кристаллами велики. Это приводит к образованию дислокаций несоответствия, растрескиванию и отслаиванию пленок кремния при охлаждении, особенно при значительной их толщине.

Наиболее перспективным в настоящее время представляется использование сапфира в качестве подложки для гетероэпитаксии кремния благодаря его структурному совершенству и экономической доступности.

Сапфир кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии и значительно отличается от кремния по параметрам кристаллической решетки и коэффициентам термического расширения, однако обладает значительным химическим сродством к последнему. Особенностью лейкосапфира, отличающего его от других изоляторов, является относительно высокая теплопроводность и хорошие диэлектрические свойства.

В процессе гетероэпитаксии кремний первоначально заменяет атомы алюминия в сапфире, вступая в связь с кислородом, а затем уже происходит автоэпитаксия. Несоответствие параметров кристаллической решетки кремния (а = 5,43 А̊) и сапфира (а = 4,75 А̊, с = 1,295 А̊) составляет 12%, не говоря уже о том, что они относятся к различным сингониям. Деформация несоответствия частично скомпенсирована возникновением высокой плотности дислокаций (106 – 107 см–1) на границе раздела a–Al2O3–Si.

В процессе эпитаксии возможно загрязнение растущей пленки алюминием и кислородом. в результате протекания реакций

Al2O3 (s) + 2H2 (g) ó Al2O (g)­ + 2H2O (g),

Al2O3(s) + 2Si (g) ó Al2O (g)­ + 2Si (g).

Продукты реакции существуют в паровой фазе и из нее попадают в эпитаксиальную пленку.

Хлоридный метод менее пригоден для гетероэпитаксии, т.к. при высоких температурах процесса агрессивные продукты реакции интенсивно взаимодействуют с сапфировой подложкой, в частности, по схеме

1/2Al2O3 + 3HCl ó AlCl3(g)­ + 3/2 H2O.

Качество пленок в сильной степени зависит от подготовки поверхности подложки. Поэтому кристаллы сапфира сначала тщательно полируются, а затем травятся для удаления нарушенного слоя в следующих реактивах:

• фосфорной кислоте при Т = 400-500°С;

• фтористом свинце PbF2 при Т = 850°С;

• бораксе N2B4O7 при Т = 1000°С.

Однако даже такое травление не обеспечивает полностью гладкой поверхности: после Н3РO4 она волнистая (при этом трудно регулировать скорость травления); PbF2 оставляет на поверхности ямки; N2B4O7 дает наиболее совершенную поверхность, но этот реактив трудно удалить, поэтому пленки Si получаются очень дефектными. Перед осаждением кремния сапфир обрабатывают в водороде при Т ~ 1260°С в течение 2 час. (обработка поверхности при 1260°С дольше 2 час. сопровождается травлением сапфира). Кремний наращивается либо восстановлением тетрахлорида или трихлорсилана, либо пиролизом силана.

При восстановлении SiHCl3 скорость роста пленок в пределах 0,2–2,5 мкм/мин не оказывает влияния на их качество. С повышением температуры роста от 1000 до 1200°С монокристалл не образуется, получаются поликристаллические слои.

При пиролизе SiH4 монокристаллические слои образуются при температуре 1100-1130°С. Ниже 1080°С растет поликристаллический слой, а при 1000°С – черный аморфный слой. При температуре 1200°С и выше сплошные пленкине образуются, растут отдельные кристаллы, конденсат имеет грубую структуру.

Пленки, полученные пиролизом, более совершенны, чем при восстановлении хлоридов, что объясняется следующими причинами: при пиролизе силана скорость образования и плотность зародышей значительно выше; зародыши не имеют огранки, они мелкие и при срастании дают меньше дефектов, к тому же их срастание идет сразу после начала осаждения. Поэтому время образования сплошной пленки оказывается на порядок ниже, чем при использовании SiCl4.

Надо отметить, что плотность дислокаций в монокристаллических пленках кремния на сапфире велика (2×108 см–2). Это объясняется низким качеством кристаллов-подложек с высокой плотностью дислокаций (105–106 см–2) и деформацией пленок вследствие различия в значениях ТКР сапфира и кремния (на границе пленка–подложка возникают большие механические напряжения – до 1010 дин/см2).

При выращивании кремния на сапфире ориентация растущей пленки полупроводника зависит от ориентации подложки. Наиболее успешно можно получить пленки кремния при следующих ориентациях сапфировой подложки:

[110] Si | | [2201] Al2O3;

[100] Si | | [0001] Al2O3;

[111] Si | | [1230] Al2O3;

[111] Si [1100] Al2O3.

Для плоскости (111) кремния можно использовать и некоторые другие ориентации сапфира. Предполагается, что в плоскости сопряжения атомы кремния замещают атомы алюминия в кристалле сапфира. При этом ионы А1+ диффундируют в растущую пленку, и происходит автолегирование кремния алюминием. Для улучшения структуры пленок и снятия механических напряжений проводят отжиг в водороде при температуре 1300°С.

Легирование пленок из подложки особенно наглядно выявляется при отжиге пленок электронной проводимости (легированных фосфором), поскольку отжиг таких пленок сопровождается образованием на границе с подложкой прослойки с дырочной проводимостью.

Автолегирование приводит к уменьшению электросопротивления пленок. Происходит уменьшение удельного сопротивления примерно на порядок величины при возрастании температуры на 50°С. Одновременно наблюдаются малые (по сравнению с обычными) значения подвижности носителей заряда.

 

Перераспределение примесей при эпитаксии

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем необходимо получать эпитаксиальные слои с различной концентрацией примеси (от 1020 до 1015 см–3) и различными градиентами концентрации. При эпитаксиальном наращивании в принципе могут быть получены любые концентрационные профили при условии точной дозировки примеси в газовой фазе.

Однако достижению больших градиентов концентраций примеси в пленке могут препятствовать диффузия и автолегирование. Особенно существенны эти процессы в том случае, когда эпитаксиальные слои наращиваются на подложке противоположного типа проводимости или с высокой концентрацией легирующей примеси. В таком случае некоторое количество этой примеси переносится в растущий эпитаксиальный слой на начальных стадиях процесса, когда наряду с осаждением кремния на подложке возможно частичное испарение. Травление также приводит к испарению примеси и загрязнению ею окружающей среды. На последующих этапах эпитаксиального процесса эти загрязнения могут стать дополнительным источником примеси.

В свою очередь, примесь, легирующая эпитаксиальную пленку, может проникать в подложку. При эпитаксиальном наращивании, таким образом, имеет место обмен примесями между газообразной и твердой фазами, что приводит к перераспределению примесей в эпитаксиальном слое.

Если тип проводимости в пленке и подложке различен, вблизи границы пленка–подложка создается р-n-переход.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.