Разработка основ технологии получения эпитаксиальных слоев кремния в системе SiH4-H2 на подложках цилиндрической формы

Больше полувека назад была предложена планарная технология изготовления полупроводниковых приборов, открывшая возможность совершенствования технологии получения дискретных приборов с переходом к интегральным схемам. В настоящее время диаметр кремниевых пластин составляет ~300 мм, дальнейшее увеличение связано с технологическими трудностями получения монокристаллических слитков кремния с однородным распределением свойств. Переход на кристаллы большего диаметра требует высоких технологий и является дорогостоящим направлением.

Вместе с тем проводится поиск альтернативных решений с переходом от планарной технологии к приборам непланарной конфигурации. Так, например, компанией «Share» США разработаны и изготовлены полупроводниковые приборы на сферической поверхности диаметром ~ 1 мм III. Разработаны соответствующие методы газофазных процессов и трехмерной фотолитографии. К преимуществам новой технологии компания относит отсутствие необходимости получения больших монокристаллов, их резки, создания рабочих помещений особого класса чистоты и обеспечивает значительное сокращение (1 день вместо 100) длительности изготовления приборов и расхода кремния (в 12 раз) — возможность создания непрерывного, полностью автоматизированного производства.

В работах /2−4/ приведены расчетные данные параметрического преимущества силовых полупроводниковых выпрямительных диодов и диодов Шоттки на основе цилиндрической (трубчатой) подложки по сравнению с приборами, выпускаемыми в промышленных масштабах по существующей технологии /5−9/.

В связи с выше изложенным, нецланарная технология изгоговления полупроводниковых приборов и интегральных схем, с возможностью перехода к нанотехнологиям, представляется перспективной областью развития.

Процесс эпитаксиального наращивания с получением структурно совершенных слоев с заданными электрофизическими параметрами и допустимым их отклонением является широко используемым процессом при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Обзор отечественных и зарубежных литературных данных не дал четкого представления о возможности эпитаксиального наращивания на подложки непланарной конфигурации с получением структурно совершенных слоев.

В работе /10/ приведены результаты исследования автоэпитаксиально-го роста GaAs методом газофазной эпитаксии на сферической поверхности. При различных парамеграх процесса обнаружился избирательный рост эпитаксиального слоя по различным кристаллографическим направлениям. Автору не удалось получить равномерной по толщине эпитаксиальной структуры. Данных об эпитаксии кремния на непланарных подложках обнаружено не было.

В связи с выше изложенным, возможность получения эпитаксиальных слоев кремния с равномерным по толщине эпитаксиальным слоем на подложках непланарной конфигурации вызывает ряд сомнений, поскольку монокристаллы кремния также характеризуются существенной анизотропией скорости роста по различным кристаллографическим направлениям.

Целью настоящей работы является изучение возможности получения равномерных по толщине автоэпитаксиальных слоев кремния на подложках цилиндрической формы и выбор параметров процесса, обеспечивающих получение структурно совершенных эпитаксиальных слоев с контролируемыми электрофизическими параметрами.

Постановка задач:

— анализ существующих методов и технологий получения планарных эпитаксиальных структур с позиций влияния технологических параметров и особенностей конструкции оборудования на характеристики эпитаксиальных слоев;

— математическое моделирование тепловых процессов и явлений мас-сопереноса при эпитаксиальном росте кремния в макрои микрокинетическом режимах;

— разработка методики получения непланарных эпитаксиальных структур с заданными характеристиками и оборудования для ее реализации;

— разработка методик контроля качества непланарных эпитаксиальных слоев;

— исследование влияния параметров процесса эпитаксиального наращивания на свойства непланарных эпитаксиальных структурпроверка адекватности моделирования сравнением результатов проведенных расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна работы:

1. Впервые получены монокристаллические автоэнитаксиальные слои кремния на подложках цилиндрической формы, соответствующие основным требованиям, предъявляемым к планарным эпитаксиальным слоям для изготовления приборных структур (диодов Шоттки).

2. Разработана 2-х мерная осесимметричная модель осаждения автоэпи-таксиальных слоев кремния в системе SiH4 — Н2, учитывающая микрокинетику процесса на подложке, термодинамику и макрокинетику.

3. Проведен анализ тепловых и скоростных полей реактора нового типа для осаждения кремния на цилиндрических подложках, определены оптимальные параметры процесса, обеспечивающие воспроизводимые условия роста, характеризующиеся установившимся ламинарным течением ПГС, постоянным составом парогазовой смеси и температурой в рабочей зоне реакционной камеры.

Практическая ценность работы:

I. Впервые разработана методика получения однородных эпитаксиальных слоев кремния на цилиндрических подложках и создана новая конструкция реактора для ее реализации методом парофазной эпитаксии химическим осаждением в системе S1H4 — Н2 (Ноу-хау № iUi-2i9−2UUb ОИС, 100−219−2005 депозитарий МГИСиС).

2. Предложен способ и разработана оснастка для проведения процесса полирования цилиндрической поверхности при подготовке к эпитаксиальному наращиванию с достижением наноразмерной шероховатости поверхности.

J. диадам учгилик ни пилучсниш лшшксиальныл слись кремния на цилиндрических подложках.

4. Разработаны методики контроля основных параметров получаемых не-нланарныл зпишксшшьных структур^шлщины зпш аксиальных слисв, удельного сопротивления и структурного совершенства).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. ьыоор метода парофазной эпитаксии кремния химическим осаждением в системе SiH4 — Н2, как максимально отвечающего требованиям, предъявляемым к непланарным эпитаксиальным структурам — получение тонкил Л1И1 аксиальных ujiucb^{вдоннии} 1 илщпмы при мшшмшацш раиичей температуры процесса — и его математическая модель, учитывающая микрокинетику процесса на подложке, термодинамику и макрокинетику.

2. Разработанная на основе математической модели конструкция реактора нового типа для проведения процесса ПФЭХО в системе SiH4 — Н2, иисспсчивающан висприизвидимыс усливия исаждсния.

3. Способ предэпитаксиальной обработки подложки с достижением наноразмерной шероховатости ~ 0,5. 1,5 нмдля цилиндрических подложек, когда ось ооразцов совиадаег с направлением 1шероховатость поверхности не зависит от кристаллографического направления.

4. Методика получения эпитаксиальных структур на подложках цилинд-рическои формы и оптимальные параметры процесса осаждения, характеризующиеся установившимся ламинарным течением ПГС, постоянным составов и температурой в рабочей зоне реакционной камеры и обеспечивающие получение равномерного структурно совершенного эпитаксиального слоя кремния на цилиндрической поверхности заданной толщины и удельного сопротивления.

Апробация работы.

Материалы работы докладывались на 3-й Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний — 2003» (Москва, 26−30 мая 2003 г.).

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в 8 научных работах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Впервые получены монокристаллические автоэпитаксиальные слои кремния на подложках цилиндрической формы, по основным параметрам соответствующие требованиям, предъявляемым к планарным эпитакси-альным структурам для изготовления диодов Шоттки.

2. Разработана 2-х мерная осесимметричная модель осаждения автоэпи-таксиальных слоев кремния в системе SiII4 — Н2, учитывающая микрокинетику процесса на подложке, термодинамику и макрокинетику. Численными расчетами показано, что основным ростообразующим компонентом в системе SiHt — Н2 является моносилан. Произведен расчет зависимости скорости роста эпитаксиальных слоев от температуры для случаев лимитирования процесса массопереносом и кинетикой поверхностных реакцийопределена температура переходной области. Экспериментальные данные свидетельствуют об адекватности разработанной модели.

3. Произведен анализ тепловых и скоростных полей для конструкции реактора нового типа, определены оптимальные параметры процесса, обеспечивающие воспроизводимые условия осаждения (диффузионный режим) и характеризующиеся установившимся ламинарным течением ПГС, постоянным составом ПГС и температурой в рабочей зоне реакционной камеры: температура рабочей поверхности 1300. 1350 К, общее давление 1 атм., исходная концентрация SiHt в водороде 0,1.0,2 об.% при скорости движения ПГС 10.20 см/с (Re < 20).

4. Разработана новая конструкция реактора проведения процесса паро-фазной эпитаксии химическим осаждением в системе SfflU — Н2 на подложках цилиндрической формы (Ноу-хау № 101−219−2005 ОИС депозитарий МГИСиС).

5. Предложен и реализован способ обработки цилиндрической поверхности, в процессе подготовки к эпитаксиальному наращиванию с достижением наноразмерной шероховатости поверхности (~0,5.1,5 нм) и разработана оснастка для проведения полирования.

6. Разработана методика получения автоэпитаксиальных слоев кремния на цилиндрических подложках методом парофазной эпитаксии химическим осаждением в системе SiH4 — Н2.

7. Разработаны методики измерения толщины, удельного электрического сопротивления и структурного совершенства цилиндрических эпитаксиальных слоев.