5.3. Автоэпитаксия кремния

Автоэпитаксиальные слои кремния нашли широкое приме­нение в различных изделиях интегральной электроники, вклю­чай интегральные микросхемы и различные дискретные полу­проводниковые приборы. Структуры данного типа формируют, как правило, осаждением кремния из газовой фазы в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца на расположенном внутри его пьедестале (подложкодержателе) (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема установки автоэпитаксиального наращивания крем­ния осаждением их газовой фазы: 1 - реактор; 2 - пьедестал; 3 - ВЧ-индуктор; 4 - питатели для жидких реагентов; 5 - запорные

Вентили

Для автоэпитаксиального наращивания кремния могут ис­пользоваться четыре кремнийсодержащих компонента: тетра-хлорид кремния (SiCl₄), трихлррсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄). Наиболее широкое применение в про­изводстве получил процесс автоэпитаксиального выращивания кремния восстановлением водородом тетрахлорида кремния (хло-ридный процесс). Основные реакции, протекающие в реакторе при реализации хлоридного процесса, описываются следующи­ми уравнениями:

SiCl₄ + H₂ ←→ SiHCl₃ + HCl, (5.1)

SiHCl₃ + H₂ ←→SiH₂Cl₂ + HCl, (5.2)

SiH₂Cl₂ ←→ SiCl₂ + H₂, (5.3)

SiHCl₃ ←→ SiCl₂ + HCl, (5.4)

SiCl₂ + H₂ ←→ Si + 2HCl. (5.5)

Все указанные реакции являются обратимыми, поэтому ско­рость роста сильно зависит от температуры (см. рис. 5.5). При высоких и низких температурах скорость роста становится от­рицательной, т.е. наблюдается процесс газового травления.

Рис. 5.5. Зависимость скорости автоэпитаксиального роста кремния от температуры при осаждении из газовой фазы

Зависимость скорости роста от температуры для различных кремнийсодержащих соединений представлена на рис. 13.6. В области А процесс характеризуется кинетическим контролем. Область В характеризует ситуацию, когда осаждение происхо­дит под диффузионным контролем. В данном режиме скорость роста линейно зависит от парциального давления кремнийсо-держащего соединения в газе-носителе, а незначительное увели­чение скорости роста с температурой обусловлено увеличением коэффициентов диффузии реагентов в газовой фазе.

Для легирования эпитаксиальных пленок кремния в газо­вую смесь намеренно вводят соединения легирующих элемен­тов. При жидкостном легировании в качестве таких соедине­ний выступают галогениды легирующих элементов (РСl₃, BBr₃, AsCl₃), добавление которых в парогазовую смесь осуществляют непосредственным смешиванием SiCl₄ с жидкими источниками галогенидов примесей (см. рис. 5.4). Другим способом легиро­вания эпитаксиальных пленок является газовое легирование, при котором в газовую смесь вводят гидриды легирующих эле-

ментов, такие как арсин (AsH₃), фосфин (РН₃) и диборан (В₂Н₆). Данные гидриды относительно устойчивы в среде водорода и могут хорошо храниться и дозироваться в виде разбавленных водородом газов. При легировании во время роста осаждаемой эпитаксиальной пленки на поверхности кремния происходят следующие процессы:

• адсорбция молекул гидрида примесного элемента на поверх­ности;

• диссоциация молекул гидрида;

• встраивание атомов примесных элементов в эпитаксиальный слой.

Уровень легирования эпитаксиальной пленки определяется:

• концентрацией легирующего элемента в газовой смеси;

• скоростью роста эпитаксиальной пленки;

• температурой процесса эпитаксии.

Типовая зависимость концентрации примеси в эпитаксиаль-ном слое от концентрации легирующего элемента представлена на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Зависимость концентрации бора и фосфора в эпитаксиаль-ном слое от концентрации диборана (В₂Н₆) и фосфина (РН₃) в газовой смеси соответственно

Как видно из рис. 5.7, при умеренном уровне легирования концентрация примеси в эпитаксиальном слое имеет линейную зависимость от концентрации лигатуры. В то же время в облас­ти малых концентраций примеси может наблюдаться нелиней­ная зависимость, обусловленная частичной компенсацией леги­рующей примеси фоновой примесью n-типа, всегда присутству­ющей в хлорсилановых источниках кремния. Кроме того, в силь­нолегированных эпитаксиальных слоях (> 10¹⁹ см⁸) концент­рация примеси также нелинейно зависит от концентрации лига­туры в газовой фазе. Это обусловлено отклонением от режима разбавленного раствора, а также другими эффектами, такими как кластеризация и преципитация легирующей примеси.

Зависимость концентрации примеси в эпитаксиальном слое от скорости его роста представлена на рис. 5.8. Как видно из рис. 5.8, при высоких скоростях роста концентрация примеси

линейно убывает с увеличением скорости роста. При низких скоростях роста между твердой и газообразной фазами уста­навливается равновесие, недостижимое при высоких скоростях роста.

Рис. 5.8. Влияние скорости роста на концентрацию легирующей примеси (As) в эпитаксиальном слое

Зависимость уровня легирования эпитаксиального слоя от температуры представлена на рис. 5.9. Уровень легирования примесью р-типа проводимости возрастает с увеличением темпе­ратуры, в то время как уровень легирования примесью п-типа проводимости снижается.

Кроме намеренно вводимой примеси в эпитаксиальный слой входят также неконтролируемые примеси из подложки. Дан­ный эффект называют автолегированием. Механизмы автолеги­рования представлены на рис. 5.10. Примеси могут внедряться в растущий слой как за счет твердотельной диффузии из объе­ма исходной подложки, так и за счет испарения и переноса через газовую фазу с поверхности исходной подложки, других подложек, подложкодержателя и других элементов реакцион­ной камеры.

Автолегирование проявляется в виде увеличения ширины переходной области между эпитаксиальным слоем и подлож­кой (см. рис. 5.11). Форма кривой распределения примеси в области А обусловлена вкладом твердотельной диффузии из объема подложки (см. рис 5.11). Профиль легирования в обла­сти В в основном определяется переносом примеси через газо­вую фазу. Первоначально количество испаряемой из подложки примеси превышает количество вводимой в реактор примеси, что приводит к образованию так называемого хвоста автолеги­рования. Со временем доля автолегирования уменьшается, и профиль распределения примеси становится плоским (рис. 5.11). Размер хвоста автолегирования зависит от вида легирующей примеси и таких параметров технологического процесса, как тем­пература и скорость роста. Автолегирование ограничивает ми­нимальную толщину эпитаксиальных слоев, которая может быть получена управляемым легированием.

Рис. 5.11. Обобщенный профиль легирования эпитаксиального слоя

Типовой цикл осаждения эпитаксиального слоя представ­лен на рис. 5.12. После загрузки пластин на подложкодержа-тель производят продувку реактора азотом для удаления возду-