Восстановление трихлорсилана водородом

Считают, что при восстановлении трихлорсилана водородом кинетика реакции проще, чем в тетрахлоридном и тетрабромидном процессах. Поликристаллические пленки кремния, полученные по методу восстановления трихлорсилана, по качеству не уступают тетрахлоридным. Необходимо отметить, что температура осаждения при восстановлении как тетрахлорида, так и трихлорсилана практически не отличается. Таким образом, проблема размытия концентрационных профилей в полупроводниковых структурах остается.

Наиболее вероятно протекание реакции по следующему уравнению:

(1.5)

При осаждении поликристаллических пленок кремния по реакции восстановления трихлорсилана используются установки с горизонтальным и вертикальным типом реакторов. Как в горизонтальных, так и вертикальных реакторах скорость осаждения поликристаллических пленок кремния на подложки Si₃N₄ и SiO-SiO₂- Si₃N₄ зависит от парциального давления трихлорсилана и температуры осаждения. При изменении парциального давления в диапазоне 10 - 30 мм рт. ст. и температуре 1273 К скорость осаждения изменяется с 0,8 до 1,5 мкм/мин. Энергия активации находится в пределах 0,98 -0,99 эВ. Отмечено, что низкое значение энергии активации указывает на гетерогенный характер реакции. Скорость осаждения в данном процессе пропорциональна корню квадратному из концентрации трихлорсилана и прямо пропорциональна скорости реакции. При увеличении температуры выше 1473 К скорость осаждения уменьшается.

Данный процесс трудно воспроизводим в реакционных камерах горизонтального типа. Объясняется это низкими скоростями общего газового потока (0,5 - 1,0 л/ч), что приводит к обеднению газовой смеси вдоль пьедестала.

Конструкция реактора

В практике производства поликристаллических пленок используется несколько конструкций реакторов (рис. 1.2).

Рис. 1.2 - Типы реакционных камер, используемых для наращивания поликристаллических полупроводниковых пленок: а - горизонтальная; б - колпакового типа; в - вертикального обычного; г - вертикального с внешним выводом; д - вертикального с внутренним выводом.

Преимуществом горизонтального реактора является более простая конструкция. В связи с тем, что диаметр горизонтального реактора значительно меньше, чем вертикального, парогазовая смесь проходит через реактор с более высокой линейной скоростью и процесс менее чувствителен к колебаниям скорости общего газового потока и изменениям температуры. Серьезный недостаток этого реактора - изменение скорости роста вдоль подставки с подложками. В горизонтальном реакторе при легировании подложки изменяется также ширина концентрационного перехода от 2 - 3 мкм на первой по отношению ко входу подложке до 4 - 5 мкм на последней. Наряду с этим для горизонтального реактора характерна неоднородность по толщине и размеру зерна в направлении, перпендикулярном оси реактора. Объясняется это влиянием стенок реактора на скорость общего газового потока. Это влияние заметнее у краев подложки, где стенки реактора расположены ближе к поверхности подложки. Для исключения указанных недостатков рекомендуется устанавливать подставки с подложками под углом 10 - 15° к оси реактора и использовать реактор прямоугольного сечения. В табл. 1 приведены данные об изменении скорости осаждения в зависимости от сечения реактора.

Таблица 1.1 - Параметры реакторов.

Тип реактора	V, см/с	Скорость роста в разных точках подложки, мкм/мин
Круглый, Dp=100 мм	7,3	0,33	0,52	0,55	0,51	0,44	0,43
9,3	0,41	0,55	0,76	0,77	0,55	0,33
11,5	0,40	0,63	0,81	0,8	0,6	0,36
Прямоугольный, 75х100 мм	8,9	0,46	0,63	0,62	0,63	0,66	0,44
11,3	0,51	0,73	0,7	0,71	0,71	0,46
17,0	0,43	0,59	0,69	0,71	0,62	0,36
Прямоугольный, 50х100 мм	11,2	0,56	0,65	0,64	0,64	0,66	0,57
18,6	0,57	0,66	0,66	0,66	0,68	0,62
23,5	0,62	0,76	0,76	0,76	0,70	0,65

Перечисленных недостатков лишен вертикальный реактор, в котором подложки расположены в 1 - 2 яруса на пьедестале, имеющем грани с наклоном в 5 - 10°. Однако недостатком вертикальных реакторов является более сложная система охлаждения. Линейная скорость газового потока в вертикальных реакторах ниже, чем в горизонтальных, из-за большего сечения. Процесс осаждения в вертикальных реакторах более восприимчив к изменению температуры и колебаниям газового тока. Воспроизводимостьпроцесса на оптимальных технологических режимах во многом определяется конструкцией реактора.

Установлено, что при одинаковых общих геометрических размерах реакционной камеры существенное влияние на процесс осаждения тонких пленок оказывает система разводки реакционной смеси в области камеры. На рисунке 1.2 г, д представлены конструкции вертикальных реакторов с различными конструктивными разводками основных компонентов. В первом случае используемые компоненты, например моносилан и арсин или моносилан и диборан, смешиваются в холодной зоне реакционной камеры, где воздействие тепловой энергии, излучаемой пьедесталом, не сказывается, а во втором случае - в зоне реакционной камеры над пьедесталом на расстоянии 50 - 75 мм, где температура газа-носителя достигает 673 - 775 К. При использовании реакционных камер с внешней разводкой (рис. 1.2 г) скоростьосаждения пленок, легированных мышьяком, не превышает 0,15 мкм/мин, а бором - 0,3 мкм/мин. Наблюдается значительный разброс по величине удельного сопротивления пленок до 30 - 50%. По-видимому, это объясняется потерей основных компонентов газовой смеси за счет осаждения на стенках и за счет образования промежуточных продуктов, которые либо уносятся с основным потоком, либо осаждаются на стенках камеры.

Замена внешней разводки внутренней (рис. 1.2 д) позволяет повысить скорость осаждения пленок поликристаллического кремния, легированных мышьяком, до 0,2 - 0,25 мкм/мин, а бором - до 0,5 мкм/мин с хорошей воспроизводимостью по удельному сопротивлению и толщине. Объясняется это более полным взаимодействием компонентов реакции в зоне пьедестала. Процесс разложения гидридов и осаждение на поверхности подложки происходят интенсивно за счет образования радикалов SiH₂ и AsH₂, которые благодаря свободной валентности обладают повышенной реакционной способностью, что обеспечивает полноту прохождения реакции и как результат повышает скорость осаждения.

Оптимальные соотношения для вертикального реактора, при которых разброс по толщине и размеру зерна в пленке минимален:

(1.6)

где l' - расстояние от места ввода газа до подложек; D_p - диаметр реактора; D_п — диаметр пьедестала с подложками; D₀ - диаметр трубки, через которую подается газовая смесь.

С целью создания турбулентности газового потока в процессе осаждения пленок и газового их травления пьедесталы с подложками приводятся во вращение с определенной угловой скоростью. Обычно скорость вращения выбирается опытным путем.

Конструкция реактора и скорость газового потока через его сечение являются определяющими в стабилизации скорости осаждения и в достижении равномерности осаждаемых слоев.