Исследование технологического процесса эпитаксиального выращивания кремниевых пленок. Технологические расчёты для процесса эпитаксии

№ 337

КОНСТРУИРОВАНИЕ И  ТЕХНОЛОГИЯ

МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Методические  указания к лабораторным работам № 3 и 4

НОВОСИБИРСК— 1990

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ
ПЛЕНОК

1. Цель работы.

        Целью настоящего цикла из двух лабораторных работ является приобретение навыков в проведении технологических расчетов, ис­следование и регулирование процесса эпитаксии с помощью модели­рования на ЭВМ. Используется модель хлоридного процесса при атмосферном давлении. Модель и основные расчетные соотношения мо­гут быть использованы также для анализа процесса осаждения пле­нок поликристаллического кремния, нашедших широкое применение в технологии изготовления полупроводниковых приборов и микро­схем.

2. Основные сведения.

2.1. Схема процесса.

        Схема технологического процесса эпитаксии приведена на рис.1. Кремниевые подложки размещаются на графитовой подставке, представляющей из себя многогранную пирамиду, цилиндр с углуб­лениями под пластины, либо усеченный конус с различными углами между образующей и вертикалью.

В настоящей работе для упрощения подставка рассматривается в виде усеченного конуса (рис.2), в котором может изменяться угол q.

        Подложки размещаются в 3 яруса, контрольный замер проводит­ся на одной пластине с каждого яруса.

        С помощью высокочастотного индуктора подставка нагревается до температуры 1000...1300 °С.

        На вход реактора подается парогазовая смесь (ПГС) из газа-носителя (H₂) и паров реагента: источник кремния (SiCl₄), ле­гирующего вещества (PCl₃, BBr₃ и т.д.) - для получения эпитаксиальных пленок кремния заданного типа проводимости и удельно­го сопротивления. Легирующее вещество обычно добавляется либо не­посредственно в рабочий испаритель с SiCl₄ (в этом случае выращиваются пленки с фиксированным удельным сопротивлением), ли­бо подается из отдельного, легирующего испарителя с повышенной концентрацией легирующей примеси в SiCl₄. В этом случае, меняя поток газа-носителя через леги­рующий испаритель, можно в до­вольно широких пределах изменять удельное сопротивление выращивае­мой пленки. В настоящей работе предусматривается возможность работы как с одним, так и с двумя испарителями (по указанию преподавателя).

На поверхности нагретой под­ложки происходит реакция хими­ческого восстановления кремния и легирующего вещества в соот­ветствии с уравнениями:

                                            ;                                 (1)

                                           ;                                (2)

В итоге растет легированная эпитаксиальная пленка, толщ­ина которой определяется скоростью роста и длительностью техно­логического процесса. В свою очередь скорость роста определяет­ся рядом факторов технологического процесса:

а) Относительная объемная концентрация SiCl₄ в ПГС (). В связи с малым уровнем легирования ((10¹⁴...10¹⁷)×см^-3) концентрация легирующего вещества практически не влияет на скорость роста. В свою очередь концентрация SiCl₄ определяется темпера­турой испарителя () и расходом газа-носителя через испаритель () и может быть рассчитана из соотношения:

                                                          .                                               (3)

(Примечание: соотношение (3) справедливо для испарителя с барботажем.) Здесь   - давление ПГС;  - давление паров  в испарителе, определяемое температурой испарителя (); - общий поток парогазовой смеси;  - поток водорода че­рез основную магистраль, обычно он значительно больше чем , поэтому для приближенных расчетов величиной можно пренеб­речь, т.е. считать, что .

При работе из двух испарителей, через которые пропускают­ся потоки соответственно и , следует учитывать также , поступающий из второго испарителя

                              (4)

Давление ;  - температу­ра, К;  - в мм рт. ст. В реальных условиях обычно  =  (оба испарителя находятся в едином термостате). Чтобы из­менение потока через второй испаритель (легированный) при кор­ректировке величины сопротивления не влияло существенно на ско­рость роста .

            б) Температура эпитаксии () влияет как на скорость достав­ки реагента к поверхности, так и на скорость реакции на поверх­ности подложки, зависимость носит сложный характер и будет де­тально рассмотрена ниже.

             в) Ряд газодинамических факторов, влияющих главным образом на скорость доставки реагентов к поверхности за счет диффузии через газовую фазу: давление на входе в систему, температура ПГС, зависящая от , температуры стенок реактора (), геомет­рии системы (радиус реактора , радиус подставки (), рас­стояние от начала подставки до точки, в которой происходит осаж­дение, z); скорость газового потока, определяемая общим расхо­дом ПГС ()и сечением, через которое проходит ПГС.

2.2. Факторы, определяющие скорость роста при наличии
двух конкурирующих процессов.

В нашем случае следует учитывать наличие двух основных фак­торов, определяющих суммарную скорость роста: скорость доставки реагентов к зоне реакции () через газовую фазу и скорость реакции на поверхности (). В этом случае итоговая скорость () определяется выражением [l,2]