Восстановление тетрахлорида кремния водородом

Процесс осаждения поликристаллических пленок с использованием тетрахлорида кремния заключается в том, что через реактор пропускают поток водорода с примесью тетрахлорида кремния. При температуре выше 873 К тетрахлорид кремния восстанавливается на поверхности диэлектрической или монокристаллической подложки. Образующийся кремний осаждается на подложке в виде поликристаллической пленки, а другие продукты реакции уносятся потоком газа. Реакция протекает по следующему уравнению:

(1.1)

Увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к травлению поверхности кремния, что уменьшает скорость роста поликристаллических пленок кремния.

Реакция травления описывается уравнением

(1.2)

Кинетика процесса осаждения поликристаллических пленок кремния в системе SiCl₄+H₂ сложна и количественная связь между исходной концентрацией SiCl₄ и общим количеством выделившегося кремния, а также других продуктов реакции пока не установлена. По мере повышения температуры смеси сначала происходит частичное восстановление SiCl₄ до SiHCl₃:

(1.3)

При дальнейшем повышении температуры, когда SiHCl₃ приходит в контакт с нагретой подложкой, может произойти восстановление SiHCl₃ до Si:

(1.4)

Альтернативная технология получения плёнок поликремния - это восстановление силана.С одной стороны данная технология сложна,т.к. для получении плёнок используется высокое давление, но с другой стороны - материал получается высокой чистоты, а при хлоридной технологии может быть загрязнение материала примесями.

Воспроизводимость результатов при осаждении поликристаллических пленок кремния зависит от постоянства концентрации тетрахлорида кремния в газовом потоке. В связи с этим способ насыщения потока тетрахлоридом кремния весьма существенен.

На рисунке 1.1 приведена зависимость скорости осаждения поликристаллических пленок кремния от концентрации SiCl₄ и SiH₄ в парогазовой смеси.

Знак штрих относится к процессам, проведенным в электрическом поле. Температура процесса 1400 (1,2), 1500 (3), 1323 (4), 1273 (5), 1072 (6-8) и 873 К (9-12), (7, 10 -легированные бором; 8, 11 - фосфором; 12 - мышьяком). В реакционных камерах вертикального типа диаметром 160 мм при скорости газового потока 12 л/мин и концентрации тетрахлорида кремния 8-10 мол % расчет захвата тетрахлорида кремния газом-носителем проводят по давлению пара SiCl₄. При таких концентрациях тетрахлорида кремния наблюдается высокаявоспроизводимость результатов.

В реальных условиях осаждения в реакторе иногда возникают конвекционные потоки и в отдельных его частях застойные зоны. Правильно выбранные конструкции реакционной камеры и способ ввода газовой смеси позволяют свести к минимуму эти явления. Единого мнения об однородности осаждаемых слоев в горизонтальных и вертикальных реакторах до сих пор не выработано. Ясно, что разноречивость данных о степени однородности осаждаемых слоев обусловлена прежде всего конструктивными особенностями реакторов и неодинаковыми параметрами процесса. В горизонтальных реакторах толщина поликристаллических пленок кремния изменяется вдоль пьедестала по ходу газа-носителя вследствие уменьшения концентрации SiCl₄. Увеличение скорости общего газового потока до 30 - 40 л/мин позволяет добиться минимального разброса по толщине (± 5 % по всей длине пьедестала). При малой скорости общего газового потока (10 л/мин) равномерность по толщине обеспечивается выбором оптимальной зоны по длине пьедестала. Однако это снижает производительность процесса. В вертикальных реакторах с целью обеспечения хорошей равномерности по толщине и удельному сопротивлению используется вращение пьедестала. Газовый поток в этом случае направляют перпендикулярно подложке. В камерах колпачного типа используется система противопотока.

В горизонтальных и вертикальных реакторах применяется индукционный нагрев подложек. В качестве датчика тепловой энергии используют графитовые, стеклографитовые и молибденовые пьедесталы. С целью исключения диффузии примесей в осаждаемые слои поликристаллического кремния из пьедестала последний покрывается нитридом и карбидом кремния. Однородность пленок по толщине требует одинаковой температуры по всей длине пьедестала. Разброс температуры оказывает сильное влияние на скорость роста пленок. В температурном интервале 923 - 1173 К скорость осаждения поликристаллических слоев кремния в зависимости от типа реакционной камеры, требуемой толщины слоев и типа используемых газов колеблется в диапазоне 0,06 -0,5 мкм/мин. При индукционном и резистивном нагревах в области осаждения возникает перепад температуры до 323 К. Минимальная разность температур между центром и краем пьедестала (293,1 К) наблюдалась при расположении индуктора в средней части пьедестала.

Увеличение скорости общего газового потока приводит к выравниванию температуры по длине пьедестала. Для вертикальных реакторов минимальный разброс по температуре вдоль пьедестала достигается за счет предварительного подогрева газа-носителя до температуры 673 К. При этом подогрев газа существенно увеличивает скорость осаждения и позволяет получить качественные поликристаллические пленки кремния при температуре 1023 - 1073 К вместо 1273 - 1373 К. Снижение температуры ниже 1023 К приводит к образованию дефектных по сплошности поликристаллических слоев со значительным разбросом размера зерна. Увеличение скорости осаждения поликристаллических слоев кремния при подогреве газа-носителя объясняется тем, что с увеличением кинетической энергии и среднего пробега молекул газа происходит увеличение эффективного объема газовой фазы, принимающей участие в реакции осаждения кремния на поверхности. Это свидетельствует о том, что доставка реагентов в зону реакции и отвод продуктов реакции интенсифицируются.