Эпитаксиальное наращивание п/п в технологии изготовления ИМС

 

 

Эпитаксиальноенаращивание(эпитаксия) представляет собой процесс ориентированного наращивания слоя п/п-ка на монокристальной подложке. Автоэпитаксией (гомоэпитаксией) называется процесс ориентированного наращивания пленки материала на подложке из монокристального материала, причем состав пленки отличается от исходного материала только наличием легирующей примеси. Гетероэпитаксией называется процесс направленного наращивания пленки материала на монокристальной подложке из другого материала.

Наибольший практический интерес представляет случай, в котором эпитаксия получает п/п пленку с другим типом проводимости по сравнению с подложкой. В этом случае на границе раздела между подложкой и эпитаксиальным слоем образуется р/п переход, причем в отличие от термической диффузии и ионного легирования, когда pn переход получается за счет перекомпенсации примеси в исходном п/п, при эпитаксиальном наращивании образование pn перехода обусловлено введением легирующей примеси в растущую эпитаксиальную пленку. Таким образом при эпитаксиальном наращивании удается получить слои п/п в значительно более широком диапазоне удельных сопротивлений и с равномерным распределением концентрации примеси по глубине. Еще одним приемом эпитаксии является возможность получения более глубоких легируемых п/п слоев.

В пластине с эпитаксиальными пленками, элементы ИМС обычно формируется в верхней эпитаксиальной пленке, а п/п подложка выполняет конструкционную роль.

 

По способу поведения эпитаксиального процесса различают эпитаксию из твердой фазы, из жидкой и из газовой фазы. В настоящее время в промышленности используется эпитаксия из жидкой и газовой фазы (ЖФЭ, ГФЭ). ЖФЭ применяется для получения пленок сложных п/п GaAs. Для получения эпит. пленок кремния в промышленности часто используется ГФЭ.

С помощью эпитаксии могут формироваться переходы

 

Эпитаксиальные процессы основаны на двух типах химических реакций

1. Реакция восстановления

1. Пиролиз (термическое разложение)

Для введения легирующей примеси в растущую эпитаксиальную пленку используются следующие виды химических растворов.

1.

2.

При выращивании эпитаксиальной пленки п/п необходимо учитывать процессы ее легирования за счет диффузий примеси из п/п подложки, этот эффект особенно заметен при выращивании высокоомных п/п пленок на сильнолегирующей подложке.

 

Упрощенная схема установки для газофазовой эпитаксии кремния имеет следующий вид:

1. кварцевый реактор

2. пластинодержатель

3. индуктор

4. п/п пластина

5. газовый вентиль

6. барбатер, (тетрахлорид кремния)

7. барбатер с диффузантом,

8. Нагреватель барбатера

 

Газовые магистрали на данной схеме показаны условно в реальной установке помимо вентилей в каждой газовой магистрали устанавливается ротаметр, манометр и др. устройства позволяющие управлять газовым потоком. Кварцевый реактор (1) может быть как вертикального так и горизонтального типа. В реакторах вертикального типа проще обеспечить постоянство температурных полей и газовых потоков, поэтому их использование позволяет получить более однородные эпитаксиальные пленки. Подложкодержатель (2) обычно выполняется из высококачественного графита, покрытый слоем SiC (карбид кремния). Данное покрытие препятствует попадания в объём кварцевого реактора газов, выделяемых графитов. Под действием индуктора (3) в подложкодержатель наводятся токи ВЧ, приводящие его к разогреву и соответственно п/п пластин. Сам кварцевый реактор постоянно охлаждается, например, с применением водяного охлаждения. Циркуляция воды часто обеспечивается ее протеканием по Cu трубкам индуктора (3). Охлаждение реактора необходимо для исключения осаждения кремния на его стенках. Вентили (5) предназначены для автономного управления газовыми потоками. Скорость роста эпитаксиальной пленки и ее параметрами управления с помощью задания температуры барбатера (6), а так же потоком газа, протекаемого через . Помимо этого для протекания характерной реакции (1) большое влияние оказывает температура подложкодержателя. Степень легирования эпитаксиольной пленки определяется температурой барбатера (7) с диффузантом и потоком газа, протекаемого через данный барбатер. Температура барбатера (6) и (7) термостатируется и поддерживается с точностью не хуже .

Типичные циклы работы данной установки включает следующие основные этапы:

1) Загрузка п/п в реактор и удаление из реактора воздуха путем продувки азотом, а затем .

2) Нагрев п/п пластин в атмосфере и выдержка пластин в течение некоторого времени. На этом этапе за счет взаимодействия с нагретыми пластинами происходит восстановление Si на поверхности пластины из окисленных пленок.

3) При повышенных температурах пластин начинается продувка пластин , на этом этапе наблюдается химическая травление поверхности Si, в результате чего с поверхности п/п пластины удаляется нарушенный слой, толщиной 1-2мкм.

4) Отключается подача и пластины выдерживаются некоторое время в атмосфере .

5) Осуществляется уменьшение температуры п/п пластин до заданного значения и подача в реактор , паров и диффузанта . На этом этапе происходит рост и легирование эпитаксиальной пленки.

6) Происходит отключение и и охлаждение п/п пластин в атмосфере .

7) Осуществляется выгрузка п/п пластин из реактора.

Для обеспечения безопасности работы данная установка предусматривает специальные меры по утилизации газов. Управление данной установкой обычно проводится в автоматическом режиме с помощью ЭВМ или специального наборного поле. Важную роль при проектировании интегральных МС играют скрытые диффузионные слои, представляющие собой легирующий слой п/п подложки, расположенной под эпитаксиальным слоем. Создание таких легирующих слоев обычно проводится с использованием процессов термической диффузии или ионного легирования. Избирательность дифуззионного процесса обеспечивается фотолитографией. Скрытие слои применяются для изоляции элементов ИМС pn переходом для уменьшения сопротивления коллектора биполярных транзисторов и в некоторых других случаях.

 

Показанные на рисунке структуры транзистора за счет применения скрытых слоев удается значит снизить сопротивление тела К и тем самым значит улучшить электрофизические характеристики получаемых транзисторов. Применение скрытых слоев позволило получить npn так и pnp транзисторов вертикального типа, что так же улучшает их характеристики. В pnp транзисторе скрытый слой n типа, предназначен для электрической изоляции данного транзистора от п/п подложки. Получение скрытых слоев значительно усложняет процесс эпитаксиального наращивания. В этом случае необходимо учитывать автолегирование Si и повышенную диффузионную эпитаксиальной пленки над скрытым слоем. При проектировании со скрытыми слоями в месте скрытого слоя после фотолегирования и диффузии образуется порог (100-500нм).

При росте эпитаксиальной пленки наблюдается смещение данного порога на поверхности на величину дельта L, поэтому при проведении последующих фотолегирующих процессов совмещения фотошаблонов необходимо проводить с учетом данного смещения дельта L. Величина данного смещения сложным образом зависит от кристаллографической ориентации п/п пластины от режимов проведения эпитаксиального процесса. Наличие данного ухода дельта L, а так же искажения границ скрытого слоя после эпитаксии значительно ограничивает минимальные проектные нормы в МС высокой степени интеграции. В настоящее время перспективным направлением развития эпитаксиальных процессов является разработка способов локальной эпитаксии. В этом случае п/п пленки формируется только на заданной части поверхности пластины. Применение локальной эпитаксии дает возможность получить качественно новые элементы ИМС, а так же совмещать различные технологии процессов (БИКМОП).