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;