Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение

Высшего профессионального образования

Воронежский государственный технический университет

(ФГБОУ ВПО "ВГТУ", ВГТУ)

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

Отчет по практике

по дисциплине: "Перспективные технологические процессы для производства больших ИС микро- и наносистем"

тема: "Оборудование для процессов диффузионных, быстрого термического отжига и газофазных"

Разработал студент гр. ЭНЭ м - 141 Скиданов А.А.

Руководитель проф. Зенин В.В.

Воронеж 2015

Содержание

• 1. Оборудование и методы осаждения вещества
• 1.1 Осаждение вещества из газовой фазы
• 1.1.1 Газофазная эпитаксия
• 1.1.2 Получение поликристаллического кремния
• 1.1.3 Получение оксида и нитрида кремния

1. Оборудование и методы осаждения вещества

1.1 Осаждение вещества из газовой фазы

1.1.1 Газофазная эпитаксия

Термин эпитаксия (стройся как я) означает ориентированное наращивание слоёв вещества с воспроизведением кристаллической структуры подложки. Эпитаксию применяют в процессах наращивания тонких монокристаллических слоёв на монокристаллических подложках. Образующийся слой закономерно продолжает кристаллическую решётку подложки, если наращиваемый слой и подложка имеют одинаковый химический состав. Такой процесс называется гомоэпитаксией или автоэпитаксией. Если эпитаксиальный слой и подложка состоят из разных материалов, постоянные решётки которых не совпадают, то такой процесс называют гетероэпитаксией. При этом на границе раздела из-за рассогласования решёток возникают дефекты. Поэтому тонкие эпитаксиальные слои трудно получить с хорошей монокристалличностью.

Процесс осаждения эпитаксиальных слоёв, из газовой фазы называют газофазной эпитаксией. Рассмотрим процесс эпитаксии из парогазовой смеси на примере выращивания кремния. Процесс проводится в реакторе из кварцевого стекла, коррозионно-стойкой стали, хромоникелевых сплавов. Реакторы установок делятся на два типа: горизонтальный и вертикальный. Для выращивания кремния используются четыре кремнийсодержащих реагента: тетрахлорид кремния SiCl₄, трихлорсилан SiHCl₃, дихлорсилан SiH₂Cl₂ и силан SiH₄. Наиболее широко используется тетрахлорид кремния SiCl₄. Суммарная реакция состоит в восстановлении кремния из SiCl₄ водородом при температуре выше 1100°С: SiCl_{4 газ} +2H₂>Si_тв+4HCl_газ.

Заданный тип проводимости наращиваемой плёнки получается путём введения в парогазовый поток контролируемое количество легирующих примесей.

SiHCl₃ и SiH₂Cl₂ являются промежуточными продуктами реакции. Их используют в качестве сырья, т.к. они устойчивы в жидкой фазе при нормальной температуре. Вышеприведённые реакции обратимы и при определённых условиях (при определённой температуре процесса) на подложку наращивается Si, а в других условиях (при более высокой температуре) скорость наращивания становится отрицательной и происходит травление кремниевой подложки.

Наращивание при термическом разложении силана происходит при температуре 900-1100°С в результате реакции: SiH₄ >Si+2H₂

Рисунок 1 - Зависимость скорости эпитаксиального наращивания слоя кремния от температуры при использовании различных реакционных газов.

Зависимость скорости наращивания от температуры приведена на рисунке 1. На участке А скорость наращивания определяется реакцией в газовой фазе, на участке В - процессами диффузии к поверхности подложки. На практике проводится эпитаксия при нормальном давлении газа. В качестве рабочей области выбирается участок В, не очень критичный к точному поддержанию температуры. Как видно из рисунка, участок В лежит у силана в диапазоне меньших температур, чем для хлористых соединений. Практически наращивание при использовании силана производится при температуре1000°С.

Конструкция камер для газофазного наращивания представлена на рисунке 2.

Реакционный газ

Рисунок 2 - Конструкция реакционных камер для газофазной эпитаксии:

а - установка с высокочастотным нагревом горизонтального типа,

б - установка с высокочастотным нагревом вертикального типа,

в - установка с ИК нагревом.

Хлоридный процесс эпитаксии кремния заключается в следующем: монокристаллические кремниевые пластины загружаются в тигель (лодочку) и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь SiCl₄. Поверхность пластин в тигле нагревают до 1200°С током высокой частоты. При такой температуре на пластине происходит реакция:

SiCl₄ +2H₂>Si+4HCl в результате которой на поверхности осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Процесс, проходящий в потоке газа, называется газотранспортной реакцией. Основной газ Н₂, переносящий примесь в зону реакции, называется газом носителем. Скорость роста плёнки пропорциональна давлению реакционного газа. Все вещества, поступающие в реактор, являются газами, поэтому и название - эпитаксия из газовой фазы или химическое осаждение из газовой фазы. Формирование слоёв эпитаксии осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т.е., когда число Рейнольдса: R_e=Dvp/з=100 меньше критического значения R_{e max}=2000, D - диаметр трубы реактора, р - плотность газа, з - коэффициент вязкости пара. Число Рейнольдса - безразмерный параметр, описывающий характер течения газа в реакторе. Для массового производства используется вертикальная камера с ИК нагревом.

Поскольку эпитаксиальный слой очень чувствителен к загрязнению на лицевой поверхности подложки, эта поверхность перед проведением эпитаксии подтравливается на глубину несколько мкм в парах HCl. Если используется SiCl₄: H₂, то в количестве молярного отношения больше 0.27, скорость наращивания становится отрицательной и начинается травление подложки.

Введение примеси в эпитаксиальный слой проводится добавлением в реакционный газ AsH₂ - арсина и фосфина - PH₃, если надо получить материал n-типа и для получения р - проводимости в реакционный газ вводится диборан - B₂H₆. Реакционный газ содержит большое количество водорода, поэтому эти водородные соединения разлагаются медленно. Главным образом их разложение происходит на лицевой стороне подложки. Атомы примеси проникают в подложку, замещая кремний в узлах решётки, и при этом образуются доноры или акцепторы. Количество примеси, вводимое при эпитаксии, зависит от скорости эпитаксиального наращивания. При меньшей скорости вводится больше примеси, а при очень быстром наращивании эпитаксиального слоя процессы адсорбции и десорбции на подложке взаимно уравновешиваются и концентрация примеси в подложке не повышается. Изменить удельное сопротивление эпитаксиального слоя можно в пределах от 0.01 до 1.5 Ом·см, за счёт изменения содержания легирующих газообразных добавок в реакционной камере. Для получения монокристаллического слоя необходимо сильно нагреть подложку так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решётку до того, как они будут накрыты следующим слоём осаждающихся атомов. Это происходит при температуре процесса от 900°С до 1200°С. Обычно скорость роста несколько мкм в мин. Отметим достоинства метода эпитаксиального наращивания.

1. Процесс проводят при температуре, меньшей температуры выращивания слитка монокристалла.

2. Концентрация примеси, их распределение варьируются в широком диапазоне.

3. Возможно получение эпитаксиального слоя с противоположным подложке типом проводимости.

4. Получаемый эпитаксиальный слой содержит меньше дефектов, связанных с примесью кислорода и углерода по сравнению с подложкой.

5. Имеется возможность нанесения однородного по толщине тонкого эпитаксиального слоя на подложку большой площади.

6. Эпитаксиальный слой может быть локально нанесён на определённом участке поверхности подложки. Всё это позволяет формировать ИС разнообразных конструкций и топологий. Очень эффективно сочетание эпитаксии с термической диффузией примеси в подложку и ионной имплантацией. Эпитаксиальное наращивание эффективно применяется для создания скрытого коллекторного слоя, который необходим для обеспечения электрической прочности коллекторного перехода и снижения сопротивления в структуре биполярных ИС.

эпитаксия поликристаллический кремний газофазный

1.1.2 Получение поликристаллического кремния

Один из методов получения поликристаллического кремния - газофазная эпитаксия. Формирование слоёв поликристаллического кремния производится путём термического разложения силана, происходящее при температуре 620-650°С при нормальном давлении при разбавлении силанаазотом или аргоном или при пониженном давлении до 133 Па при использовании 100% -го силана.

При необходимости проводится отжиг полученного слоя кремния при 900-1000°С. При температуре 600°С зёрна поликристаллического кремния имеют размер до 20 нм при ориентации (110), при температуре 570°С размер зёрен - 10 нм и образуется аморфная фаза. Однако, термообработка полученного слоя (отжиг при температуре 900-1000°С) формирует слой столбчатого кремния с размерами зёрен больше 80 нм и кристаллической ориентации (110). Отжиг при более высокой температуре приводит к преимущественной ориентации зёрен (100).

Конкретные условия процессов наращивания и отжиг определяются в зависимости от заданных свойств получаемого слоя поликристаллического кремния.

Поликристаллический кремний легируется методом ионной имплантации или диффузии, кроме тех случаев, когда он используется как высокоомный материал.

При легировании, проводимом одновременно с наращиванием слоя, удельное сопротивление поликристаллического кремния может быть <0.01Ом·см, если температура процесса больше 500°С при легировании бором, и при температуре больше 630°С при легировании фосфором.

1.1.3 Получение оксида и нитрида кремния

Наиболее распространённый метод получения оксида кремния - газофазная эпитаксия, при которой происходит газофазная химическая реакция силана и кислорода, протекающая при температуре 500°С.

Этот метод используется в технологии производства ИС даже при формировании алюминиевой разводки. В основном, применяют метод нанесения SiO₂ при нормальном давлении. Скорость наращивания SiO₂ возрастает при увеличении температуры, и энергия активации невелика. На скорость наращивания Si₂ большое влияние оказывает давление O₂, так как адсорбция молекул кислорода на поверхности подложки задерживает химическую реакцию. В слоях оксида кремния, выращенных при низкой температуре, содержится водород: (Si-OH, Si-H, H₂O).

Высококачественный окисный слой получается также путём эпитаксии в результате термического разложения тетраэтоксисилана (ТЭОС), Si (OC₂H₅) при низком давлении. Этот процесс протекает при высокой температуре (650-750°С). Поэтому его используют в основном для нанесения SiO₂ - слоя поверх кремния или поликремния с целью сглаживания ступенек и канавок на поверхности подложки. В таких слоях окисла водород почти не содержится.

Слои, легированные фосфином, (PН₃), (фосфоросиликатное стекло, ФСС) играют роль защитных слоёв. Они захватывают примеси металлов, которые проникают в структуру при технологическом процессе. ФСС легко наносится при низкой температуре и его используют в качестве пассивирующего слоя. Этот слой наносится поверх алюминиевой разводки.

Слои нитрида кремния (Si3N4), применяемые для защиты лицевой поверхности, формируются методом газофазной эпитаксии при низком давлении. Получаемый таким способом нитрид кремния является аморфным диэлектриком с показателем преломления n=2,01 и содержит несколько % H2.

Качество слоёв нитрида кремния контролируется по удельному сопротивлению (106 Ом*см), показателю преломления, скорости травления в плавиковой кислоте HF.

Cлои нитрида кремния применяются в современных ИС при локальном окислении в качестве маскирующих слоёв, в качестве изолирующих слоёв запоминающих конденсаторов, в качестве изолирующих слоёв затвора в МНОП - типа ЗУ с сохранением информации при отключении питания, в качестве изолирующих слоёв многослойной разводки.

Размещено на Allbest.ru