Общие сведения об эпитаксии

Эпитаксия - это процесс наращивания на поверхности подложки слоя вещества, который повторяет структуру подложки и называется эпитаксиальным слоем.

Автоэпитаксия - это процесс наращивания эпитаксиального слоя, повторяющего структуру и химический состав подложки (Si на Si; Ge на Ge).

Эпитаксиальный слой

Подложка

Гетероэпитаксия- это процесс наращивания эпитаксиального слоя, повторяющего структуру подложки, но отличающегося от вещества подложки по химическому составу (Si на Ge; Ge на Si; Si на GaAs).

Эпитаксиальный слой

Подложка

Эпитаксиальные слои, в отличие от кремниевой пластины из слитка (выращенного из расплава) не содержат кислорода и углерода, которые являются центрами образования различных дефектов.

В ИМС эпитаксиальные слои служат в качестве высокоомных областей транзисторов - приборов, являющихся наиболее важной частью ИМС. Толщина эпитаксиального слоя составляет 3-25 мкм - в зависимости от назначения ИМС.

Эпитаксиальные слои можно наращивать в вакууме, из парогазовой и жидкой фазы. Большинство процессов эпитаксии - осаждение из парогазовой фазы.

Хлоридный метод эпитаксии.

Хлоридный метод основан на восстановлении тетрахлорида кремния SiCl₄ водородом при взаимодействии SiCl₄ c чистым водородом:

Данная химическая реакция обратима, поэтому необходимо строго выдерживать параметры процесса (температуру, соотношение ( H₂ : SiCl₄ ) реагентов), иначе будет наблюдаться обратный процесс - начнет травиться кремний.

Схема установки эпитаксиального осаждения.

Процесс эпитаксиального осаждения включает этапы:

1. загрузка пластин в реакционную камеру;

2. продувка камеры азотом для вытеснения воздуха;

3. продувка камеры водородом;

4. нагрев пластин до температуры 1200°С,

5. осаждение эпитаксиального слоя, для чего начинают пропускать водород через
жидкий SiCl₄. Водород захватывает пары SiCl₄ и переносит их в реакционную камеру,
где идет реакция восстановления кремния.

В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси для получения определенного типа проводимости (n- или p-) и определенного удельного сопротивления эпитаксиального слоя. Легирование эпитаксиальных слоев происходит одновременно с их ростом путем введения в газовую смесь соединений, содержащих легирующие элементы.

Если необходимо получить эпитаксиальный слой n-типа проводимости, используют легирующие вещества, содержащие фосфор (РС1₃, РН₃ и др.).

Если необходимо получить эпитаксиальный слой p-типа проводимости, используют легирующие вещества, содержащие бор(В₂Н₆, BBr₃ и др.).

Эпитаксия выполняется на установках типа УНЭС, Изотрон, управляемых в основном ЭВМ.

Основной недостаток хлоридного метода - высокая температура процесса, приводящая к проникновению примесей из пластины в растущий эпитаксиальный слой.

Силановый метод эпитаксии.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции термического разложения силана:

Совершенные эпитаксиальные слои получаются при температурах 1000° -1050°С, что на 200° - 150°С ниже, чем в хлоридном методе. Это уменьшает нежелательное проникновение примеси из пластины в эпитаксиальный слой, что позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов.

Скорость роста слоев выше, чем в хлоридном методе.

К недостаткам метода относятся самовоспламеняемость и взрывоопасность силана, поэтому на практике применяют силан в смеси с водородом. При содержании силана менее 5 % смесь не самовоспламеняется.

После проведения процесса эпитаксии контролируюттолщину, удельное сопротивление, плотность структурных дефектов эпитаксиального слоя.

Тема: Окисление

Урок

Термическое окисление.

Процесс окисления, стимулируемый нагревом до высоких температур, принято называть термическим окислением.

Метод термического окисления применяют для получения:

1. маскирующих пленок на кремнии;

2. изоляции элементов ИМС;

3. пленок подзатворного окисла для МОП - транзисторов.

Кремний обладает большим сродством к кислороду, поэтому уже при комнатной температуре поверхность кремния покрыта пленкой SiO₂ толщиной 10 – 50 Å. Для увеличения толщины этой пленки необходима термическая стимуляция окисления.

Процесс получения термического окисла можно разбить на четыре этапа:

1. доставка окислителя к подложкам и адсорбция частиц окислителя поверхностью;

2. диффузия окислителя сквозь пленку SiO₂ к поверхности кремния;

3. химическое взаимодействие окислителя с кремнием с образованием SiO₂;

4. удаление продуктов реакций.

В качестве окислителя применяют сухой или влажный кислород.

При использовании сухого кислорода на поверхности кремния идет реакция:

При использовании влажного кислорода идет еще дополнительная реакция:

В сухом кислороде пленка растет медленно (0,01 - 0,09 мкм/час), но имеет качественную структуру.

Во влажном кислороде пленка растет быстрее (0,2 - 1,2 мкм/час), но имеет пористую структуру, плохие свойства границы раздела между Si и SiO₂.

Чем выше температура процесса, тем выше скорость роста пленки SiO₂.

На образование пленки SiO₂ расходуются атомы кремния, поэтому исходнаяповерхность подложки в процессе окисления движется вглубь пластины. Внешняя поверхность окисладвижется вверх за счет больших размеров молекул SiO₂ (по сравнению с атомами Si).

Схема процесса термического окисления кремния.

Этапы процесса:

1. продувка камеры азотом для вытеснения воздуха;

2. нагрев рабочей зоны до предварительной температуры;

3. медленная загрузка лодочки с пластинами в рабочую зону;

4. нагрев печи с заданной скоростью до рабочей температуры;

5. подача сухого или влажного кислорода (кислород проходит сквозь воду, захватывая пары воды);

6. выдержка пластин в течение заданного времени;

7. охлаждение печи и медленная выгрузка пластин.

Температура в рабочей зоне поддерживается с точностью 0,5°С.

Процесс проводят способом открытой трубы (при атмосферном давлении).

Время процесса определяется толщиной слоя SiO₂

Предварительный нагрев печи и медленная загрузка и выгрузка пластин уменьшают градиент температуры по радиусу пластин, т.е. уменьшают термические напряжения, приводящие к изгибу пластин.

Основные недостатки термического окисления:

1. высокая температура процесса, которая может привести к изгибу пластин; к
появлению дефектов; к перераспределению примесей, введенных в пластину на
предыдущих операциях;

2.невысокие скорости роста пленок.

Значительно уменьшить температуру или время процесса позволяет термическое окисление при повышенном давлении.Это объясняется увеличением концентрации окислителя и соответственным возрастанием скорости окисления кремния. Основной недостаток этого метода - сложность создания герметичных и прочных камер.

Урок

Осаждение пленок SiO₂.

Осаждение пленок SiO₂ отличается от термического окисления меньшими температурами подложек в процессе роста пленок и возможностью получать пленки не только на кремнии, но и на любых других подложках.

Пиролитическое осаждение SiO₂используют на заключительных стадиях изготовления ИМС, когда применение термического окисления может привести к изменениям параметров уже созданных областей ИМС.

При пиролитическом осаждении SiO₂ происходит термическое разложение сложных соединений кремния с выделением SiO₂. Наиболее часто используют тетраэтоксисилан Si(OC₂H₅)₄.

В зоне подложек идет реакция:

Окисел кремния осаждается на пластинах, остальные продукты реакции уносятся газовым потоком из трубы.

Этим методом можно получать однородные, хорошо воспроизводящие рельеф пленки, но нельзя получать пленки на структурах с металлизацией из-за высоких температур процесса.

Окисление моносилана идет при более низких температурах 300° - 400°С :

Низкие температуры позволяют применять процесс для получения пленок SiО₂ на алюминиевой металлизации. Чтобы получить более плоскую, сглаженную поверхность пленки на слое алюминия, имеющем ступеньки, SiО₂ в процессе осаждения легируют 8 - 9 % - ми оксида фосфора. Для этого в газовую смесь добавляют газ фосфин, который, взаимодействуя с кислородом, образует легирующий окисел:

В результате получают пленку фосфорно-силикатного стекла (ФСС): n SiO₂ x m P₂O₅.

Наличие фосфора в пленке SiO₂ повышает ее термомеханическую прочность, пластичность и снижает пористость.

Фосфорно-силикатные стекла:

1. могут служить источниками легирующих примесей;

2. имеют хорошие пассивирующие свойства, предохраняя поверхность пластин от
проникновения щелочных металлов ( Na, К );

3. отличаясь пластичностью, могут сглаживать углы ступенек металлизации.

После получения пленок SiO₂ контролируют толщину и пористость пленок, состояние границы раздела Si - SiO₂.

Тема Осаждение пленок Si₃N₄ и поликремния.

Урок

Осаждение пленок нитрида кремния.

Нитрид кремния Si₃N₄ используют:

1. для пассивации (защиты) поверхности ИМС (уже сформированных на
кремниевых подложках) от проникновения молекул воды и ионов натрия, которые
могут привести к коррозии металлизации ИМС или к нестабильности ее электрических
характеристик;

2. в качестве маски при локальном окислении кремния, что обусловлено низкой скоростью окисления самого нитрида кремния ( закрытые маскирующей пленкой Si₃N₄ слои не окисляются );

3. в качестве маски при локальном травлении пленок SiO₂.

Осаждение пленок нитрида кремния осуществляется в результате химических реакций:

а) между силаном и аммиаком при атмосферном давлении и температурах 700° - 900°С

б) между дихлорсиланом и аммиаком при пониженном давлении и температурах 700° - 800°C

При пониженном давлении пленки Si₃N₄ получаются более однородные. После осаждения Si₃N₄ контролируют толщину и пористость пленки.

Осаждение пленок поликремния.

Различия между пленками из монокристаллического и поликристаллического кремния связаны с тем, что монокристаллический кремний имеет строго упорядоченное, регулярно повторяющееся расположение атомов кремния в пространстве, а в поликристаллическом кремнии атомы группируются в зерна, свободно ориентированные в пространстве.

Поликристаллический кремний (поликремний) используется:

1. в качестве затвора в МОП- транзисторах;

2. для формирования высокоомных резисторов;