Данилина Т.И., Смирнова К.И. и др. Процессы Микро и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

190

Рис. 9.5. Зависимость проводимости

и количества сме-

щенных атомов

/ NN

от дозы облучения

1 - экспериментальная зависимость

от дозы облучения;

2,3 - количество смещенных атомов

/ NN

при одно- и

двухкратном перекрытии ОР соответственно.

С ростом дозы облучения до значений Q=2×10

см

-2

проводи-

мость

GaAsn

уменьшается, достигая минимального значения

min

=10

-8

Ом

-1

×см

-1

(см.рис.9.5, кривая 1). Анализ показывает, что при

Q 2×10

см

-2

проводимость изменяется по экспоненциальному зако-

ну

(

)

,exp

ОР

(9.26)

где -

ОР

S площадь основания ОР в цилиндрическом приближении.

Зависимость (9.26) характеризует изменение проводимости

GaAsn

в результате захвата основных носителей заряда (электро-

нов) на уровни дефектов в ОР. В результате этого уровень Ферми, оп-



см

191

ределяющий концентрацию электронов в зоне проводимости, смеща-

ется к середине запрещенной зоны. При дозе облучения

Q 2×10

см

-2

уровень Ферми закрепляется вблизи середины запрещенной зоны.

В этом случае все свободные электроны удалены из зоны проводимо-

сти и закреплены на уровнях дефектов в запрещенной зоне арсенида

галлия.

При дозах облучения

Q 2×10

см

-2

проводимость арсенида гал-

лия (см.рис.9.5, кривая 1) возрастает, достигая насыщения вблизи зна-

чения

Ом

-1

×см

-1

при дозе облучения

Q 8×10

см

-2

. С ростом

дозы облучения на этом участке вводимые радиационные дефекты

оказываются незаполненными электронами, т.к. они уже удалены из

зоны проводимости. В этом случае возрастает вероятность туннелиро-

вания электронов на свободные уровни дефектов за счет перекрытия

волновых функций локализованных электронов. Этот вид проводимо-

сти получил название прыжкового и возрастает по экспоненциальному

закону при уменьшении среднего расстояния между дефектами

R .

Учитывая, что

(

)

3/1-

NR , минимальное значение

будет со-

ответствовать дозе, при которой все атомы полупроводника смещены

из узлов решетки. При этом прыжковая проводимость достигнет наи-

большего значения. Из этого следует, что доза, при которой обеспечи-

вается максимальное значение прыжковой проводимости, соответству-

ет дозе аморфизации полупроводника ( =

Q 8×10

см

-2

). На рис.9.5 в

координатах

QNN

/ приведены кривые, описывающие накопле-

ние аморфной фазы при одно- (кривая 2) и двухкратном (кривая 3)

перекрытии ОР. Видно, что образование аморфной фазы при имплан-

тации кислорода в арсенид галлия связано с одно-, двухкратным пере-

крытием ОР.

Приведенное здесь сопоставление кинетики накопления радиаци-

онных нарушений и экспериментальные результаты по зависимости

прыжковой проводимости от дозы имплантации правомерны настоль-

ко, насколько проводимость связана с дефектами.

Создание изолирующих областей и термическая

стабильность радиационных нарушений

Образование радиационных дефектов при имплантации вначале

оценивалось как нежелательная проблема, которую необходимо устра-

нить, чтобы добиться желаемого эффекта легирования. Позднее при-

192

шли к пониманию, что радиационные нарушения могут быть полезны

с точки зрения применения этой технологии для изоляции приборов

как дискретных, так и в составе интегральных схем.

Облучение арсенида галлия ионами кислорода, как было показано

на рис.9.5, позволяет получить изолирующие слои с сопротивлением

порядка 10

Ом×см. Аналогичные результаты получены для ионов бо-

ра, азота, гелия, протонов.

Известно, что профиль повреждения располагается ближе к по-

верхности полупроводника, чем профиль внедренной примеси, и в

первом приближении описывается нормальным законом. Для того,

чтобы получить однородные по толщине полуизолирующие слои, не-

обходимо выполнить последовательность нескольких имплантаций с

различными энергиями. Для получения глубоких слоев целесообразно

имплантировать легкие частицы (электроны, протоны, гелий, бор, азот,

кислород).

Термическая стабильность радиационных нарушений может быть

вначале рассмотрена применительно к бомбардировке электронами

или нейтронами. Поскольку стабильность повреждений, вызванных

бомбардировкой ионами, полностью не изучена, отжиг материалов,

облученных электронами или нейтронами, был исследован многими

авторами. Было обнаружено, что нарушения, созданные в

GaAs

, от-

жигаются в две стадии: одна при 150-200

С, другая при 200-300

С,

хотя первая стадия часто неотделима от второй. Электронные наруше-

ния обычно проявляют полное восстановление при температурах выше

300

С для умеренных доз (

Q 10

см

-2

) и выше 600

С для более ин-

тенсивных потоков электронов. В противоположность этому более

сложные дефекты, вызванные облучением нейтронами, показывают

только 10 % восстановление до температур отжига 300

С. Однако при

450

С и при 600-700

С имеются дополнительные стадии отжига. Изу-

чение нарушений, вызванных имплантацией ионов в целом, выявило

подобные стадии отжига для нарушений, образованных нейтронами,

причем эти стадии наблюдаются при 150-320

С, 380-550

С и 600-

700

С. В то же время при отжиге слоев

GaAs

, облученных легкими

ионами, например, кислородом, дозами более 2×10

см

-2

при отжиге в

диапазоне температур до 320

С наблюдается увеличение сопротивле-

ния изолирующего слоя (отрицательный отжиг). Качественно меха-

низм увеличения сопротивления можно объяснить тем, что в процессе

отжига дефектов, локализованных внутри запрещенной зоны, увели-

чивается длина прыжка

и прыжковая проводимость уменьшается

(сопротивление увеличивается). Как показывают эксперименты, это

193

увеличение сопротивления может возрастать до двух порядков при

облучении ионами кислорода с дозами 2×10

< Q <8×10

см

-2

, прибли-

жаясь к значению 10

-10

Ом×см. Таким образом, если требуется соз-

дание изолирующих термостабильных областей в приборах и инте-

гральных схемах, легкие ионы (гелий, неон, кислород, бор) имеют

преимущество перед электронами, так как первые стабильны до более

высоких температур.

9.6. Области применения ионного легирования

Основные направления применения ионного легирования в про-

изводстве ИМС рассмотрены в [5]: введение легирующих примесей,

получение различных профилей, синтез материалов и др. Одна из уни-

кальных возможностей метода ионной имплантации состоит в легиро-

вании атомами отдачи, которое позволяет создавать сверхтонкие силь-

но легированные слои, необходимые для многих типов полупроводни-

ковых приборов СВЧ-диапазона.

Одно из первых практических применений технологии ионной

имплантации связано с МДП-транзисторами. Структура МДП-

транзистора показана на рис. 9.6. Техмаршрут изготовления МДП-

транзисторов с применением ионной имплантации следующий.

Области истока и стока получены диффузией. После окисления и

фотолитографии вскрывают окно для выращивания подзатворного

диэлектрика. Затем проводят фотолитографию и вскрывают окна под

контакты к областям истока и стока. Напылив слой алюминия и вы-

полнив фотолитографию, создают электроды стока, истока и затвор.

Следующим этапом является создание самосогласованного затво-

ра путем имплантации фосфора. Затвор играет роль маски, которая

обеспечивает его самосовмещение, необходимое для точного примы-

кания области затвора к контактам истока и стока. В результате само-

совмещения снижается паразитная емкость между затвором и стоком,

что улучшает характеристики транзистора.

Ионная имплантация на операции самосовмещения осуществля-

ется через тонкий слой подзатворного диэлектрика, например, SiO

Поэтому для построения профиля распределения внедренной примеси

следует воспользоваться методикой, изложенной в [6].

При формировании СБИС на биполярных транзисторах базу и

эмиттер формируют с помощью ионной имплантации. Для получения

резкого p-n перехода эмиттер легируют ионами мышьяка, а базу —

ионами бора. Коллектор получают или в эпитаксиальном слое или за

счет диффузии соответствующей примеси.

194

В качестве резисторов для СБИС используются легированные

слои с высокой однородностью поверхностного сопротивления. Полу-

чить поверхностно однородный слой с малой концентрацией примесей

методом диффузии довольно трудно. Речь идет о величине сопротив-

ления выше 200 Ом/. Если, например, необходимо получить сопро-

тивление 20 кОм в виде слоя с сопротивлением 200 Ом/, то потребу-

ется площадь кристалла порядка 10

-2

мм

, что гораздо больше, чем

площадь, занимаемая диодами и транзисторами. Если же использовать

ионное легирование, то можно довольно легко получить высокоомные

слои. В результате легирования кремния ионами фосфора Р

получают

сопротивление в n-слое, а ионами бора В

— сопротивление в p-слое.

Легирование производится через пленку SiO

толщиной порядка

0,1 мкм. После легирования производится отжиг пластин в атмосфере

азота. Изменением дозы облучения и температуры отжига управляют

поверхностным сопротивлением резистивного слоя от 10 Ом/ до 100

кОм/. Эта технология изготовления резисторов совместима с техноло-

гией изготовления биполярных транзисторов. Формирование резисто-

ров часто производят одновременно с формированием базовой облас-

ти. Конфигурация задается с помощью фотолитографии. На месте уда-

ленного слоя SiO

выращивают новый окисел толщиной 0,1 мкм, через

который внедряют ионы бора. Далее получают контакты к легирован-

ной области. Распределение концентрации примеси в легированной

области рассчитывается без отжига по уравнению (9.13), а с отжигом

— по уравнению (9.24) в [6].

Рис. 9.6. Структура МДП-транзистора: 1, 2 — области истока и стока;

3 — подзатворный диэлектрик; 4, 5 — электроды; 6 — затвор

195

Преимущества ионной имплантации проявляются в возможности

создания очень мелких p-n переходов для СБИС. Требования форми-

рования n

слоев для СБИС, залегающих на небольшой глубине, мож-

но удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации мышьяка.

Ионы мышьяка имеют малый проецированный пробег, например, при

энергии 50 кэВ он составляет 0,03 мкм. Внедрение тяжелых ионов

приводит к образованию аморфного слоя, так что для получения леги-

рованных слоев без заметной диффузии примесных атомов использу-

ют низкотемпературный отжиг при температурах ниже

900 С.

Решение проблемы с имплантацией бора на небольшую глубину

облегчается использованием ионизированных молекул фторида бора

. Диссоциация молекулы BF

при первом ядерном столкновении

приводит к образованию низкоэнергетических ионов бора

=×

При первичной энергии ионов

E 50 кэВ ионы бора будут иметь

энергию 11,2 кэВ и соответственно проецированный пробег 0,03 мкм.

Для создания сверхтонких сильнолегированных слоев используют

уникальную возможность легирования атомами отдачи. На поверх-

ность кремния наносят тонкий слой легирующего материала, напри-

мер, алюминия. Этот слой бомбардируют пучком ионов алюминия или

кремния. Толщина слоя алюминия не должна превышать величину

RR D+ Атомы отдачи алюминия (смещенные атомы) перемеща-

ются из пленки в кремний, где образуется слой с максимальной кон-

центрацией атомов у границы Si-Al и спадающий до глубины 0,005–

0,1 мкм. При оптимальном подборе толщины пленки, типа и энергии

легирующих ионов можно получить выход первичных атомов отдачи

до 10 на один внедренный ион. Для получения сильнолегированного

слоя с концентрацией 5×20

см

-3

и толщиной 10

-6

см (1 мкм) требуется

доза облучения 5×10

×10

-6

/10 = 5×10

см

-2

. На практике дозу выбирают

несколько больше расчетной.

10. ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ ХИМИЧЕСКИМ

ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Эпитаксия при производстве полупроводниковых приборов и

ИМС - это ориентированное наращивание на монокристаллической

196

подложке монокристаллической пленки определенного типа проводи-

мости. Этот технологический прием получил широкое применение как

для изготовления дискретных приборов, так и биполярных и МДП

ИМС. При использовании его в эпитаксиально-планарных структурах

тонкий эпитаксиальный слой (2-10 мкм) содержит элементы ИМС, а

подложка толщиной порядка 200 мкм играет конструкционную роль.

В отличие от диффузионного или ионного легирования полупро-

водника, при которых

переход образуется в результате пере-

компенсации влияния исходной примеси и образования области с бо-

лее высокой концентрацией примеси, эпитаксия дает возможность по-

лучать слои с широким диапазоном удельных сопротивлений, не зави-

сящих от сопротивления подложки. Из трех известных методов эпи-

таксии (молекулярно-лучевая эпитаксия, кристаллизация из жидкой

фазы, химическое осаждение из газовой фазы) при получении эпитак-

сиальных пленок кремния наиболее подходящим является последний

метод. Для обеспечения совершенства структуры эпитаксиальных пле-

нок метод химического осаждения из газовой фазы позволяет иметь

высокую подвижность осаждаемых атомов на подложке. Это обеспе-

чивается высокой температурой подложки, протеканием химической

реакции на подложке с выделением одиночных атомов полупроводни-

ка и удалением примесей и структурных несовершенств подложки ее

газовым травлением перед началом эпитаксии. Наращивание эпитакси-

альных слоев кремния осуществляется в результате водородного вос-

становления тетрахлорида кремния или термического разложения си-

лана. Наиболее распространена реакция

HClSiHSiCl 42

+®+ , (10.1)

которая при температуре 1000

С протекает с удовлетворительной ско-

ростью. Для получения легированных слоев

или

типа в паро-

газовую смесь вводят легирующие добавки. При этом используют ре-

акции

HClPHPCl 6232

+®+

HClBHBCl 6232

+®+ . (10.2)

Протекание гетерогенных химических реакций (10.1) и (10.2) на под-

ложке обусловлено следующими сложными явлениями: 1) насыщение

газа - носителя реагирующими компонентами

(

)

334

,, BClPClSiCl ,

смешение его с водородом в необходимых пропорциях и перенос их к

197

поверхности подложки; 2) адсорбция реагентов на подложках; 3) соб-

ственно химическая реакция на поверхности; 4) поверхностная диффу-

зия осажденных атомов; 5) десорбция продуктов реакции; 6) удаление

их с потоком газа-носителя и непрореагировавшими остатками газовой

смеси. Каталические свойства поверхности полупроводникового кри-

сталла - подложки благоприятствуют осаждению пленки в первую оче-

редь на этой поверхности, а не на стенках реактора, особенно если

стенки поддерживаются в ненагретом состоянии. Общая скорость про-

цесса осаждения определяется одной или несколькими наиболее мед-

ленно идущими стадиями. При протекании гетерогенных процессов

можно выделить две области: кинетическую и диффузионную. В кине-

тической области лимитирующими являются вторая-пятая стадии,

идущие на поверхности. Скорость осаждения в этом случае сильно за-

висит от температуры. В диффузионной области лимитирующими яв-

ляются первая и шестая стадии, определяемые процессами массопере-

носа реагентов в газовой фазе. Поэтому скорость осаждения в этой об-

ласти сильно зависит от скорости потока газа, коэффициентов диффу-

зии, геометрических размеров реактора и почти не зависит от темпера-

туры.

При выборе условий эпитаксиального наращивания необходимо

иметь расчетные соотношения, связывающие скорость осаждения с за-

даваемыми или выбираемыми параметрами реактора и процесса. К

числу таких параметров относятся геометрическая форма реактора,

скорость потока газовой смеси в реакторе, концентрация используе-

мых реагентов и температура подложек.

Исходной предпосылкой для анализа условий роста эпитаксиаль-

ных слоев является изучение термодинамики и кинетики химических

реакций. При проведении термодинамических расчетов определяется

изменение свободной энергии реакций

. По знаку и абсолютной

величине

судят о протекании реакции в прямом или обратном на-

правлении.

Изменение свободной энергии реакции (свободной энергии Гиб-

бса) определяется по уравнению

òò

-D-D+D=D

STdTCHG

298298

, (10.3)

где -D

G изменение свободной стандартной энергии (

Па

при температуре Т);

-D

298

H изменение стандартной энтальпии реакции (

Па,

Т=298 К);

198

-D

298

S изменение стандартной энтропии реакции (

Па,

Т=298 К);

-D

C изменение мольной теплоемкости реакции при постоянном

давлении.

При отсутствии надежных исходных значений

298

HD и

298

SD целесо-

образно использовать для приближенных вычислений

GD более про-

стое выражение, принимая 0=D

298298

STHG

D-D»D . (10.4)

Если давление в системе не изменяется и составляет 10

Па, значение

изменения свободной энергии определяется

ppT

KTKRTG lg57,4ln -=-=D , (10.5)

где -

K константа равновесия при постоянном давлении.

Константа равновесия определяется соотношением парциальных

давлений исходных веществ и продуктов реакции

() ()

...

××

, (10.6)

где -

, PP парциальные давления исходных материалов;

стехиометрические коэффициенты исходных материалов;

,,,

PP соответствующие параметры для продуктов реак-

ции.

Например, для реакции (10.1) можно записать

HSiCl

HClSi

= .

При изучении кинетики химических реакций анализ химических

процессов, протекающих в реакторе, позволил установить, что помимо

основных реакций разложения силана или восстановления тетрахлори-

да кремния, в реакторе протекает ряд промежуточных и конкурирую-

щих реакций. С помощью масс-спектрометрических и ИК-спектроско-

пических измерений установлено, что при реакции восстановления

тетрахлорида кремния в реакторе присутствуют 14 различных соеди-

нений [13]. На практике многими из них, парциальное давление кото-

рых меньше 0,1 Па, пренебрегают. Оставшиеся соединения участвуют

199

в реакциях, приведенных в табл.10.1. Для этих реакций рассчитаны

константы равновесия при разных температурах.

Таблица 10.1

Логарифмы констант равновесия

Klg для химических реакций

HClSi

[13]

Номер

ре

ак

ции

Реакция

Т, К

1450 1500 1523 1550 1600

SiCl

HCl

1,93

1,61

1,47

1,31

1,02

SiHC

HCl

0,71

0,47

0,37

0,25

0,04

SiH

= Si+2HCl

0,98

1,13

1,20

1,27

1,40

SiH

Cl = Si+HCl+H

3,12

3,19

3,22

3,25

3,30

SiCl

= Si+2HCl

0,35

0,38

0,39

0,41

0,43

SiH

= Si+2H

5,88

5,86

5,85

5,83

5,81

Все указанные реакции обратимые и, следовательно, при соответ-

ствующих условиях скорость роста может стать отрицательной, т.е.

начнется процесс травления. Это наблюдается при высоких и низких

температурах. При рабочем давлении в реакторе 10

Па и высоких тем-

пературах главными компонентами являются

,, SiHClSiClHCl

(рис.10.1). Снижение температуры приводит к увеличению отношения

ClSi /

, т.е. к уменьшению выхода

при осаждении.

Для оценки условий осаждения эпитаксиальной пленки использу-

ют фактор эффективности

(

)

(

)

( )

вх

равнвх

ClSi

ClSiClSi

// -

, (10.7)

где

(

)

вх

ClSi / отношение суммарных количеств атомов

газовой фазе на входе в реактор;

(

)

равн

ClSi / отношение этих же атомов, находящихся в газовой

фазе при равновесии с твердым кремнием.