Структура пленок поликремния
Исследование структуры пленок кремния электронографическим методом показало, что в интервале температур 973 - 1273 К кристаллическая структура пленок соответствует поликристаллическому кремнию с параметрами элементарной ячейки 5,43 ± 0,05 нм. Причем размер зерна почти линейно возрастает с увеличением температуры осаждения. Существенное отклонение от этой зависимости обнаружено для пленок, полученных при 873 – 973К. При этом получается аномально большой размер зерна, что подтверждается данными электронно-микроскопических и электронографических исследований. С использованием трансмиссионной электронной микроскопии и электронной дифракции была обнаружена «иглоподобная» структура этих пленок. Размеры игл составляли 0,1 – 0,5 мкм для пленок, осажденных при 923 К, и несколько меньше для пленок, осажденных при 873 К. Причина этой аномалии не ясна. Предполагается, что это связано с процессами рекристаллизации аморфных пленок.
Анализ начальной стадии роста показывает, что зерна имеют форму, близкую к куполообразной. При температуре 1173 К зерна срастаются и пленка становится сплошной. Необходимо отметить, что даже при низких температурах осаждения как для силановых, так и для хлоридных процессов имеется разброс размера зерна по площади осаждаемой пленки. Это можно объяснить наличием активных и пассивных центров на поверхности подложки, приводящих к местному различию в энергии активации процесса зарождения, которая лежит в пределах 1 ± 0,2 эВ.
Отличительной особенностью нелегированных пленок толщиной 0,6 и 2,3 мкм является отсутствие для тонких пленок в температурном интервале 923 - 1223К преимущественной кристаллографической ориентации (100). Равные количества кристаллографических ориентаций (110) и (111) для пленок толщиной 0,6 мкм достигаются при температуре осаждения 1123 К. Для пленок толщиной 2,3 мкм равенство кристаллографических ориентации (110) и (100) достигается при температуре 1223 и 1348 К и существенно отличается от количества кристаллографической ориентации (111). Повышение температуры осаждения с 973 до 1373 К как при осаждении тонких (0,6 мкм), так и толстых (2,3 мкм) пленок поликристаллического кремния приводит к увеличению преимущественной кристаллографической ориентации (111).
Размер зерен пленок кремния, осажденных в хлоридном процессе, в более сильной степени изменяется с температурой процесса осаждения (рис.4, кривая 1). В области высоких температур (1423 - 1523 К) наблюдается увеличение размера зерна до 4 - 5 мкм, однако поликристаллические пленки при этом неравномерны по сплошности, содержат островковые образования размером от 4 до 10 мкм. Снижение температуры до 1323 К приводит к уменьшению размера зерен и сплошности формируемых слоев. Дальнейшее 2 снижение температуры до 1123 К приводит к островковому осаждению, и размер зерен не превышает 0,5 мкм. Увеличение размера зерен с повышением температуры объясняется вкладом процесса травления кремния четыреххлористым кремнием, за счет которого на поверхности формируемого поликристаллического кремния образуются дефектные области, представляющие собой активные центры в виде ступенек.
Рис. 2.1 – Зависимость размера зерен поликристаллических пленок кремния от температуры осаждения (1,5 – 9), толщины пленки (2), общей скорости газового потока (3) и концентрации SiCl4 (4); неактивируемые процессы (1-4), активируемые внешним электрическим полем (5), ультразвуковыми колебаниями (6), УФ-излучением (7), СВЧ-излучением (8), электронным потоком (9).
Исследование размера зерен и степени текстурирования легированных бором поликристаллических пленок кремния, осажденных при различных температурах в силановом процессе, свидетельствует о сильном влиянии температурного фактора. Как показали рентгеновские исследования, пленки, осажденные при низких температурах (873 - 973 К), имеют аморфное строение. При температуре 1073 К формируются поликристаллические слои кремния, и при дальнейшем увеличении температуры до 1173 – 1273 К поликристаллический характер пленок сохраняется.
В поликристаллических пленках кремния, осажденных в силановом процессе при температуре 1073 К на неориентированные подложки, в исследуемом диапазоне толщин (0,6 - 5 мкм) и отношениях В/Si в газовой фазе (0,7 - 2,2) 10-3 преобладающее значение имеет кристаллографическая ориентация (110).
Для легированных бором пленок поликристаллического кремния количество зерен с ориентацией (111) и (311) монотонно возрастает, начиная с температуры 1000 К. С повышением температуры выше 1073 К уменьшается количество зерен с преимущественной кристаллографической ориентацией (110) и происходит выравнивание его с количеством зерен с ориентацией (111).
Исследования показывают, что размер зерен существенно зависит от толщины пленки (рис. 2.1). Изменение толщины от 0,3 до 2 мкм приводит к увеличению размера зерна примерно в два раза. Тонкие пленки поликристаллического кремния толщиной 0,3 - 0,5 мкм обладают гладким микрорельефом поверхности. С увеличением толщины пленок микрорельеф огрубляется и поверхность приобретает матовый оттенок. Следует отметить, что во всем исследуемом интервале толщин средний размер зерна значительно меньше толщины пленок поликристаллического кремния. На пленках толщиной 4 – 5 мкм, полученных при температуре 1073 К, размер зерна не превышает 0,3 мкм. Если нелегированные пленки характеризуются равномерной зернистостью с четко выраженными границами отдельных кристаллов, то введение легирующей примеси в реакционную смесь приводит к значительным изменениям в морфологии поверхности. Границы отдельных зерен четко не прослеживаются и появляется новый субмикрорельеф, обусловленный наличием в пределах некоторых зерен ступеней роста, а в целом наблюдается уменьшение размера зерна.
Рис. 2.2 – Зависимость размера зерен от толщины пленки поликристаллического кремния: Т = 873 (1), 1073 (2) и 1273 К (3), неактивируемые процессы (а), активируемые в электрическом поле (б), в СВЧ – поле (в), ультрафиолетовым излучением (г), электронным потоком (д) и ультразвуковыми колебаниями (е).
Размер зерен нелегированных пленок кремния толщиной 2 мкм, осажденных при температуре 1073 К и концентрации моносилана 0,125 об.%, составляет 0,3 - 0,35 мкм. Введение легирующей примеси в соотношении атомов B/Si = 2,2 10-3 при прочих равных условиях приводит к уменьшению размера зерна до 0,2 мкм. Изменение соотношения B/Si в газовой смеси от 0,17 
до 2,2 не оказывает заметного влияния на особенности морфологии поверхности и величину размера зерна.
По мере увеличения толщины пленки растет упорядочение структуры и увеличивается размер зерна (табл. 2.1).
Таблица 2.1 – Размер зерна в зависимости от температуры и толщины пленки.
| Тп,К | Толщина плёнки, мкм | |||
| 0,5 | ||||
| Размер зерен, мкм | ||||
| 0,05 | - | - | - | |
| 0,05 | - | 0,1 | - | |
| - | - | 0,3 | 0,6 | |
| - | - | 0,4 | 0,8 | |
| 0,15 | 0,25 | - | 1,2 | |
| 0,3 | 0,4 | - | 1,5 |
Увеличение толщины пленок, полученных в хлоридном процессе, до 8 - 12 мкм не изменяет размера зерен, и структура при этом обладает хорошей сплошностью. С увеличением толщины с 12 до 30 мкм наблюдается интенсивный рост размера зерен с 0,4 до 5 мкм соответственно (рис. 2.2, кривая 2). По-видимому, в начальный момент роста происходит спонтанное осаждение кремния, когда высокая плотность центров зарождения и избыток питающего материала из газовой фазы исключают возможность свободного развития отдельных кристаллов. При последующем наращивании начинают проявляться принципы геометрического отбора и преимущественное развитие получают кристаллы с кристаллографической ориентацией, способствующей более быстрому росту.
Размер зерна зависит от концентрации моносилана и тетрахлорида кремния. При изменении концентрации моносилана от1016 до 1018моль/ см2 плотность зародышей при температуре 1273 К возрастает на порядок, а величина зерна - в 50 раз.
Существенное влияние на структуру пленок оказывают степень легирования и природа легирующего компонента при получении пленок в силановом процессе. При заданной температуре осаждения на размере зерен сказывается лишь высокий уровень легирования бором, фосфором или мышьяком и в пленках при высокой скорости осаждения наблюдается преимущественная ориентация (111). Волокнистая структура сохраняется до концентрации мышьяка и фосфора 1019 см-3. При более высоком уровне легирования мышьяком и фосфором зерна приобретают сферическую форму.
Проведенные исследования показывают, что размер зерна поликристаллических пленок кремния, полученных в системе SiCl4 + H2, существенно зависит от основных технологических факторов (рис. 2.2). Например, анализ экспериментальных данных показывает, что размер зерна с уменьшением скорости общего газового потока уменьшается (рис. 2.2 кривая 3) и при скорости 60 л/мин остается постоянным и равным 0,5 мкм. По-видимому, при скоростях газового потока 60 л/мин пересыщение превышает критическое значение. При таком условии образуются зародыши приблизительно одинакового размера и до определенного момента число их увеличивается без существенного увеличения размеров. С увеличением концентрации четыреххлористого кремния с 1,2*10-4 до 2,4*10-4гмоль/л (рис. 4 кривая 4) размер зерен поликристаллических слоев уменьшается с 2,5 до 0,7 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации до 3,3*10-4 гмоль/л размер зерен остается постоянным и только при концентрациях 
3,3*10-4гмоль/л опять возрастает. Следует отметить, что при малых концентрациях четыреххлористого кремния (1,2-1,8)*10-4гмоль/л однородность наблюдаются неравномерность размера зерен и формирование локальных островковых образований и блоков с размером зерен до 3 - 4 мкм. Очевидно, имеет место недостаток питающего вещества из газовой фазы. В этом случае зародыши с наиболее благоприятной ориентацией способствуют быстрому росту кристалла за счет обеднения соседних участков, что приводит к несплошному формированию и аномальному укрупнению зерна в пленке. С увеличением концентрации до(2,4-3,0)*10-4 гмоль/л однородность структуры улучшается ввиду преобладания скорости зарождения над скоростью роста. Дальнейшее увеличение концентрации тетрахлорида кремния приводит к увеличению размера зерна, что объясняется избытком питающего материала из газовой фазы, из-за которого происходит общая спонтанная кристаллизация кристаллов на всей поверхности подложки.
Структура и ориентация поликристаллического кремния зависят от типа подложки. Лучшие по качеству пленки получались на слое SiO2, полученном термическим окислением кремниевой пластины.
Установлено, что на кремниевых подложках с ориентацией (111) или с диэлектрическим покрытием 
пленки имеют преимущественную кристаллографическую ориентацию (110), а на сапфировых подложках - произвольную кристаллографическую ориентацию.
Мелкозернистые зеркально гладкие пленки с размером зерна 0,03 мкм могут быть получены на кремниевых подложках, покрытых нитридом кремния. Причем при использовании именно , а не 
можно получать поликристаллические пленки кремния, приближающиеся по зеркальности поверхности к эпитаксиальным слоям. Несколько хуже качество поверхности пленок, осажденных на сапфире, что связано с напряжениями на границе раздела пленка - подложка.
На структуру поликристаллических пленок кремния существенно влияют процессы рекристаллизации. Исследования рекристаллизации тонких (0,5 -10 мкм) поликристаллических пленок кремния, полученных в системе моносилан - арсин - гелий, показали, что рекристаллизация происходит не только в процессе термообработки, но и в процессах лазерного, ультрафиолетового, электронного и СВЧ-облучений их поверхности (табл. 3). Существенное влияние на процесс рекристаллизации оказывает среда, в которой проводится обработка поверхности поликристаллического материала.
Таблица 2.3 – Размер зерна при воздействии на пленку
| Воздействие | Среда | Длительность воздействия | Максимальный размер зерна,мкм | ||
 |  |  | |||
| Термообработка при Т=1523К | + | ||||
| + | 16ч | 0,8 | |||
| + | |||||
| Электронное облучение при мощности потока 5кэВ | + | ||||
| + | 5мин | 0,8 | |||
| + | 1,5 |
При температуре обработки 1523 К наиболее полно рекристаллизация поликристаллического кремния происходит в среде с дозированным содержанием кислорода, особенно влажного, и практически не происходит в среде гелия. Водород как среда также оказывает заметное влияние на процесс рекристаллизации. По-видимому, это связано с окислительно-восстановительными процессами, обусловленными водородом и содержащимся в водороде кислородом. Высокая степень рекристаллизации в присутствии кислорода объясняется тем, что ее движущей силой является уменьшение энергии границ зерен путем их укрупнения и уменьшения дефектов поликристаллической пленки в целом. Атомы кислорода, двигаясь по границам зерен, приводят к их окислению, увеличению удельной площади и увеличению скорости рекристаллизации. Напротив, гелий как инертный газ не оказывает такого воздействия.
Экспериментально установлено, что термообработка поликристаллических пленок кремния толщиной 10 мкм и размером зерна 0,5 мкм в течение 16 ч в кислороде, гелии и водороде приводит к увеличению размера зерна до 15; 0,3-3,0 и 5,0 мкм соответственно. Объем зерен, ориентированных по плоскостям (100), (110), (111) и (311), для кислородной среды составляет 0; 10; 85 и 5 %, гелиевой - 5; 65; 30 и 5 % и водородной - 5; 30; 65 и 0 % соответственно.
Необходимо отметить, что исходные поликристаллические пленки на 80 % состояли из зерен, ориентированных по плоскости (110). Таким образом, термообработка и обработка лучевой энергией приводят к уменьшению доли зерен, ориентированных по плоскости (110), и увеличению доли зерен, ориентированных по плоскости (111) (табл. 2.3).