Эпитаксия кремния

В технологии кремниевых полупроводниковых приборов и ИМС используются два метода эпитаксии – хлоридный и гидридный.

В хлоридном методе используется реакция восстановления хлоридов кремния водородом,

SiCl₄ + 2H₂ «Si + 4HCl;

SiHCl₃ + H₂ «Si + 3HCl;

SiH₂Cl₂ «SiCl₂ + H₂;

SiCl₂ + H₂ «Si + 2HCl.

Зависимость скорости эпитаксиального роста от температуры имеет аррениусовский характер для всех приведённых реакций (рис. 4.5, кривые 1–3). Оптимальная температура процесса 1150…1250 °С, которая выбирается в области В с меньшей энергией активации, чем в области A (E_B < E_A). В области B лимитирующей стадией является диффузионная доставка реагентов и отвод продуктов (диффузионный контроль), тогда как в области A лимитирующей стадией является скорость поверхностных химических реакций (кинетический контроль). Скорость эпитаксиального роста с увеличением молярной концентрации исходного реагента хлорида кремния сначала линейно растёт, затем после достижения максимума падает, и, наконец, при больших концентрациях хлорида кремния рост эпитаксиального слоя сменяется его травлением (рис. 4.6). Травление осуществляется продуктом реакции – газообразным хлористым водородом при больших его концентрациях.

В гидридном методе используется реакция разложения гидрида кремния на поверхности нагретой подложки

SiН₄ «Si + 2H₂.

Зависимость скорости эпитаксиального роста от температуры также имеет аррениусовский характер (рис. 4.5, кривая 4). Оптимальная температура процесса ниже, чем у хлоридного, и составляет 1050...1150 °С. Зависимость скорости эпитаксиального роста от молярной концентрации исходного реагента гидрида кремния имеет линейный характер.

В обоих методах при высоких скоростях эпитаксии наблюдается поли-кристаллический рост (см. 4.6), а также имеет место зависимость скорости эпитаксиального роста от ориентации поверхности кремниевой подложки: U (110): U (100): U (111) = = 1.3: 1: 0.6. Ориентационная зависимость эпитаксиального роста обуславливает снос рельефа подложки L в процессе эпитаксиального роста (рис. 4.7), который необходимо учитывать при проведении после-дующих операций фотолитографии.

Хлоридный метод характеризуется меньшей плотностью эпитаксиальных дефектов упаковки в эпитаксиальных слоях. Гидридный метод с менее высокой температурой процесса эпитаксии приводит к меньшему уширению концентрационного перехода «эпитаксиальный слой–подложка».

4.3. Легирование эпитаксиальных слоёв

Легирование эпитаксиальных слоёв осуществляется в процессе их выращивания путем добавления к исходным реагентам реагента, содержащего легирующую примесь. В случае эпитаксии из газовой фазы легирующий реагент также должен быть газообразным. Для получения атомов легирующей примеси на поверхности эпитаксиального слоя, также как и для получения атомов основного вещества, используются реакции восстановления галогенидов и пиролиза гидридов легирующих элементов, например:

2PCl₃ + 3H₂ «2P + 6HCl;

2AsH₃ «2As + 3H₂.

Различают два основных метода легирования эпитаксиальных слоёв при выращивании из газовой фазы: жидкостный и газовый.

В жидкостном методе исходные основной и легирующий реагенты находятся в жидком состоянии. Для получения их пара применяется система барботирования, при которой газ-носитель (обычно H₂ или Ar) пропускается через барботер с жидкостью, в котором насыщается парами реагента. Обычно в барботер заливается смесь основного и легирующего жидких реагентов, так что на выходе из барботера газ-носитель содержит пары того и другого реагентов. В этом случае концентрация примеси в эпитаксиальном слое пропорциональна относительному давлению пара легирующего реагента

,

где P_m, P_d и P_g – давление пара основного и легирующего реагентов и газа-носителя. Для реакторов открытого типа суммарное давление в системе P_m + + P_d + P_g равно атмосферному, поэтому концентрация примеси в эпитаксиальном слое пропорциональна только степени разбавления легирующего реагента в барботере. Последняя практически не меняется в процессе эпитаксии, поэтому не меняется и уровень легирования, т. е. жидкостный метод может использоваться только для однородного легирования эпитаксиальных слоёв.

В газовом методе исходные основной и легирующий реагенты находятся в газообразном состоянии, обычно в баллонах, разбавленные инертным газом. Из газовых баллонов через систему вентилей и ротаметров основной и легирующий газообразные реагенты вместе с газом-разбавителем поступают в эпитаксиальный реактор. В этом случае концентрация примеси в эпитаксиальном слое пропорциональна относительному расходу газообраз-ного легирующего реагента

,

где R_m, R_d и R_r – расходы газов основного и легирующего реагентов и газа-разбавителя. Таким образом, изменяя расход газа легирующего реагента, можно управлять уровнем легирования в процессе эпитаксии, т. е. газовый метод может использова-ться для неоднородного легирования эпитаксиальных слоёв.

При высоких концентрациях примеси наблюдается отклонение от пропорциональности в зависимости уровня легирования от расхода (или давления) легирующего реагента (рис. 4.8). Этот эффект объясняется влиянием высокой концентрации примеси в эпитаксиальном слое на скорость роста эпитаксиального слоя.

Дата добавления: 2017-02-01