TECHNOLOGIE PŘÍPRAVY EPITAXNÍCH VRSTEV KŘEMÍKU

Transkript

1 TECHNOLOGIE PŘÍPRAVY EPITAXNÍCH VRSTEV KŘEMÍKU David Krupa, LPE CZ s.r.o. 1 Technologie epitaxního růstu křemíku Název epitaxní je odvozen z řečtiny: epi = na taxis = uspořádaný, pravidelný na růst vrstvy polovodiče probíhá na polovodičové (křemíkové) desce s definovanými vlastnostmi, deska je monokrystalická, s předepsanou krystalografickou orientací, tloušťkou, vodivostí. uspořádaný narůstající vrstva je monokrystalická, se stejnou orientací jako podložní deska, zachovává tvar jejího povrchového reliéfu, má předepsanou tloušťku, vodivost a v řezu vrstvou také požadované rozložení příměsi, která tuto vodivost určuje. Vzhledem k tomu, že žádný technologický proces není absolutně spolehlivý a dokonalý, vznikají při růstu epitaxních vrstev odchylky od ideálního zadání: krystalografické defekty: odchylné uspořádání atomů v mřížce, dislokace, důlky a špičky, polykrystalické vrůsty, nežádoucí příměsi deformace povrchového reliéfu: zvrásnění povrchu, rozdíl v poloze a tvaru jeho detailů na povrchu desky a na povrchu epitaxní vrstvy rozptyl v hodnotách předepsaných parametrů: elektrický odpor, tloušťka, rozložení příměsí v epitaxní vrstvě není stejné po ploše desky, na deskách z téže depozice, mezi depozicemi Obr. 1. Příprava monokrystalů křemíku, a) z taveniny Czochralskiho metodou, b) zonální metodou. Výchozí Si deska se vyrábí řezáním, broušením, leptáním a mechanicko - chemickým leštěním z monokrystalu křemíku připraveného metodou Czorchalskiho nebo orientovaným růstem při postupném přetavování polykrystalického křemíkového ingotu tzv. zonální krystalizací (obr. 1). 2 Zařízení pro depozici epitaxních vrstev křemíku Epitaxní růst křemíku patří mezi vysokoteplotní procesy označované souhrnně jako metody chemické depozice (Chemical Vapor Deposition CVD) [7]. Epitaxní vrstvy křemíku se vytvářejí na křemíkových deskách depozicí Si z plynné fáze při teplotách 950 až 1230 C. Zařízení pro růst epitaxních vrstev má tyto základní části: reaktor z křemenného skla - křemíkové desky, na nichž má epitaxní vrstva růst se ukládají na grafitový nosič, jehož povrch zpevňuje a chrání vrstva vysoce čistého karbidu křemíku (tloušťka řádově 100 μm) ohřev na teplotu depozice jsou Si desky zahřívány buď indukčním ohřevem (indukční cívka vně reaktoru) a desky se zahřívají od rozžhaveného grafitu nebo zářením emitovaným křemennými halogenovými žárovkami jednotka pro směšování a distribuci plynů a par tvořících směs reagentů z nichž epitaxní vrstvy rostou asanátor odpadních plynů likviduje škodliviny vznikající v reaktoru pomocí soustavy vodních sprch, tak, aby neunikaly do ovzduší systém chlazení reaktoru. K dalšímu vybavení moderních výrobních epitaxních zařízení patří: systém kontroly a automatického řízení procesu pracovní prostor s laminárním prouděním pro manipulaci s deskami před a po depozici kabinety pro zásobníky zdrojů par a pracovních plynů (tlakové lahve) zařízení pro dočišťování používaných plynů. Existují různé typy epitaxních reaktorů. Jedním z nejběžnějších typů moderních velkokapacitních reaktorů je barelový reaktor, ale používají se také horizontální reaktory s rotujícím jedno- nebo vícedeskovým talířem. Barelový reaktor (obr. 2) má tvar zvonu a část odpovídající poloze grafitu při depozici je zhotovena z čirého křemene. Křemíkové desky se ukládají na vícebokou grafitovou pyramidu. Náklon jejich stěn proti směru proudění je zvolen tak, aby rovnoměrnost depozice podél reaktoru byla co největší. Ohřev může být indukční (kompaktní cívka s reflexním vnitřním povrchem) nebo radiační (rošty křemenných halogenových žárovek a zlacená zrcadla). Škola růstu krystalů

2 µm/min) umožňuje rychlou rotaci nosiče s deskami, která podstatným způsobem urychluje transport reagentů z plynné směsi k povrchu Si desek. a Obr. 2. Barelový reaktor, a - s indukčním ohřevem, b - s radiačním ohřevem. Na obr. 2a je schematicky znázorněna konstrukce barelového reaktoru s indukčním ohřevem. Reaktor s induktorem leží nad prostorem pro nakládání desek. Grafitový nosič vyjíždí z reaktoru spolu se spodní uzavírací přírubou. Směs reagentů přitéká přes trvale připojenou horní přírubu, jejich tok je usměrňován distributorem nad grafitovým nosičem. Teplota Si desek při depozici se měří pyrometricky přes průzory v induktoru [5]. Na obr. 2b je konstrukce barelového reaktoru s radiačním ohřevem. Poloha reaktoru je proti předešlému případu obrácená. Při otevírání reaktoru se horní příruba zvedá spolu s grafitovým nosičem, který je na ní zavěšen. Teplota v reaktoru se měří pyrometrickými čidly umístěnými v křemenné trubici uvnitř grafitového nosiče. Růst křemíkových desek velkých průměrů spolu s narůstajícími požadavky na rovnoměrnost tloušťky a odporu epitaxních vrstev vedl v posledních letech ke konstrukci reaktorů s průběžným vkládáním desek (systém z kazety do kazety ). difuze a adsorpce reagentů halogenové žárovky směr proudění b desorpce a difuze zplodin 3 Sloučeniny pro růst epitaxních vrstev Prostředí (plynnou fázi), z něhož epitaxní vrstvy rostou, tvoří směs nosného plynu (vodík), zdroje křemíku a zdroje dopantu. Jako zdroje křemíku se nejčastěji používají SiCl4 (chlorid křemičitý) a SiHCl3 (trichlorsilan). Obě sloučeniny jsou velmi hořlavé a agresivní kapaliny. Použití jedné nebo druhé kapaliny k procesu růstu závisí především na aktuálním nastavení programu a potřebě technologa a to z ohledem na požadované vlastnosti vrstvy po epitaxi (tloušťka vrstvy, elektrický odpor atd.). Jako dopanty se používají PH3 (fosfin) a AsH3 (arsin) a to pro polovodiče typu n a méně používaný B2H6 (diboran) pro polovodiče typu p. Pro leptání a čištění křemíkových desek před depozicí se používá směs vodíku s chlorovodíkem. Před každým otevřením a bezprostředně po uzavření se reaktor vyplachuje dusíkem. Vyplachování se provádí z bezpečnostních důvodů odstranění zbytkového vodíku a použitého silanu. Všechny používané reagenty musí být velmi čisté. Vodík a dusík se před vstupem do epitaxních reaktorů zpravidla dočišťují ve filtrech, které z nich odstraňují zbytky kyslíku a vodní páry. Tab. 1. Vlastnosti reagentů používaných při epitaxi Si vrstev. Sloučenina SiH4 SiH2Cl2 SiHCl3 SiCl4 Skup. 20 C Bod [ C] Způsob odběru Teplota depozice [ C] Rychlost růstu [μm/min] při varu plyn plyn kapalina kapalina tlak. láhev tlak. láhev probubl. probubl ,1-0,3 0,1-0,7 0,3-2,5 0,5-1,2 Obr. 3. Schéma horizontálního reaktoru. Jedná se v podstatě o horizontální reaktory s rotujícím jedno- nebo vícedeskovým talířem (obr. 3.). Ohřev je buď radiační (rošty halogenových žárovek jsou umístěny nad i pod křemenným reaktorem) nebo indukční. Jejich předností je, že při deposici se dosahuje vysoké homogenity a reprodukovatelnosti parametrů vrstev. Nevýhodou těchto reaktorů je nižší výrobní kapacita. Jejího zvýšení se dosahuje vysokou rychlostí růstu a tím, že se Si desky vyjímají z reaktoru už při teplotě 800 C. Vysoká rychlost depozice (u trichlorsilanu Technologický postup depozice epitaxních vrstev křemíku Standardní technologický postup depozice epitaxních vrstev je popsán pomocí typického průběhu teplot depozičního cyklu znázorněného na obr. 4. Umyté křemíkové desky se vyjímají ze zásobníku vakuovou pinzetou v bezprašném nakládacím prostoru epitaxního zařízení. Kvůli snížení ztrátových časů a pro omezení sorpce vodních par a kyslíku grafitovým nosičem se křemíkové 30 Škola růstu krystalů 2002

3

4 6) zachycování atomů křemíku zlomy na růstových stupních (na růstových zárodcích) 7) desorpce ostatních zplodin chemických reakcí 8) přenos zplodin do proudícího plynu 9) transport zplodin z depoziční zóny reaktoru. Děje 1, 2, 8 a 9 se souhrnně označují jako transportní procesy nebo jako procesy přenosu hmoty v reaktoru. Kroky 3 až 7 jsou součástí procesů povrchové kinetiky. Pro rychlost růstu epitaxní vrstvy je určující vždy nejpomalejší z uvedených dějů. Z charakteru experimentálních závislostí lze většinou určit, zda tento děj patří při zvoleném nastavení procesu mezi děje transportní nebo povrchové a podle tohoto zjištění proces optimalizovat. Rozvoj výpočetní techniky umožnil numerické modelování procesů sestávajících z velkého počtu různých fyzikálních a chemických dějů. Spojují se modely popisující přenosové děje, kinetiku chemických reakcí (objemových i povrchových) a orientované krystalizace epitaxní vrstvy. Toto modelování je označováno v anglické literatuře jako Multiscale Integrated Modeling je popsnáno v [4]. Využívají se programy, umožňující přesnější (i trojrozměrné) numerické modelování rychlostních, teplotních i koncentračních poměrů v epitaxních reaktorech (přehled starších i novějších prací z této oblasti lze nalézt např. v [1]). Obr. 5 ukazuje výsledky modelování chrakteristik proudění pro barelové reaktory LPE 861 (obr. 5a [2]) a AMT 7700 (obr. 5b [3]), jejichž konstrukce se liší m.j. úpravou vstupu plynné směsi do reaktoru. K chemickým reakcím při epitaxi dochází pouze na povrchu grafitového nosiče a Si desek (adsorpce reagentů, povrchová difuze, chemické reakce jejich molekul, desorpce zplodin atd.). Při nich se použitá sloučenina křemíku z větší nebo menší části přeměňuje na křemík a další produkty. Schéma chemických přeměn, které probíhají při epitaxi ze silanu, disilanu a chlorsilanů znázorňují obr. 6 SiCl4 SiHCl3 SiCl2 + H2 + HCl SiH2Cl2 H + SiCl +Cl SiCl +Cl 2H H +Cl Obr. 6. Chemické přeměny při epitaxi z chlorsilanů. HSiSiH3 Si2H6 SiH4 SiH2 H2 SiH3 SiH2 SiH H Obr. 7. Chemické přeměny při epitaxi z Si2H6 a SiH4. Kinetika chemických reakcí, které se uplatňují při růstu epitaxních vrstev z chlorsilanů je zatím méně prozkoumaná, než kinetika chemických přeměn probíhajících při depozici ze silanů. O její přesné podobě se v literatuře stále diskutuje. Na popis chemických reakcí, k nimž při epitaxním růstu dochází v plynné fázi a na povrchu křemíkových desek, navazuje v integrovaných modelech analýza a modelování mechanismů, které řídí proces růstu epitaxní vrstvy. Předpokládá se, že monokrystalické vrstvy rostou laterálním pohybem stupňů tvořených úseky (terasami) hladkých atomových ploch. Jak názorně ukazuje obr. 8, pohyb (růst) stupňů je vyvolán přítokem atomů krystalizující látky, které se ke stupňům připojují v místech zlomů. Si T=0 atom na zlomu T>0 Obr. 5. Typy barelových rektorů, a - LPE 860, b - AMT 7700a 7. vakance 2 ads. atom Obr. 8. Schéma růstu monokrystalických vrstev. 32 Škola růstu krystalů 2002

5 6 Závěr Depozicí epitaxních vrstev křemíku se připravují nejčastěji struktury pro polovodičové součástky a struktury pro integrované obvody. Z pohledu technologa je důležité zvolit co nejoptimálnější podmínky při nichž depozice probíhá. Výtěžnost křemíku je proto silně závislá na teplotě, na druhu použitého dopantu a na vstupní koncentraci zvoleného chlorsilanu. Vysoké koncentrace těchto sloučenin křemíku však může vést k tak vysoké produkci HCl, že tvorba plynných chlorsilanů zcela převládne a místo k růstu epitaxní vrstvy dojde k odleptání křemíku z podložní desky. Dotace patří k nejkomplikovanějším a nejhůře regulovatelným jevům při depozici epitaxních vrstev křemíku. Je důležité brát v úvahu příměsi a nečistoty, které tvoří tzv. dotační prostředí; jejich zdrojem jsou především součásti zařízení (přívody plynů, grafitový nosič, vnitřní díly reaktoru). Vliv dotačního prostředí se pak hodnotí a kontroluje depozicí tlusté nedopované (intristické) epitaxní vrstvy. Základním úkolem optimalizace technologického procesu je proto hledání a nastavení takových podmínek depozice, při nichž je podíl autodotace na obsahu příměsí v epitaxních vrstvách dlouhodobě co nejmenší. V tomto příspěvku je také značná pozornost věnována popisu standardního technologického postupu při depozici epitaxních vrstev křemíku. Úkolem a cílem všech, kteří se na technologickém procesu podílejí, je příprava bezporuchových epitaxních vrstev s minimálním rozptylem předepsaných parametrů. Literatura [1] T.P. Merchant, M.K. Gobbert, T.S. Cale, L.J. Borucki, Thin Solid Films 365 (2000) 368. [2] C. Cavallotti, M. Masi, Semiconductors and Semimetals, Vol. 72, Capster 2, Academic Press, N.Y [3] R.J. Kee, F.M. Rupley, J.A. Miller, Sandia National Laboratories Report SAND B, [4] A.A. Černov, Uspěchi fiz. nauk 73 (1961) 268. [5] J. Mikušek, Technologie přípravy epitaxních vrstev křemíku, [6] Operation manual LPE S.p.A., Version 43, Vol. 2, Milano, [7] Ch. Kuang Cheng, F. Rosenberg, Chemical Vapor Deposition, p , Electrochemical Society, Pennigton, N.Y Škola růstu krystalů