Файл: Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие.pdf

Образующийся кремний осаждается на подложке в виде пленки, а газообразный хлористый водород удаляют из установки.

Для получения пленок электронного или дырочного типа прово­ димости полупроводниковые пластины легируют в процессе эпитак­ сии, вводя в реактор соединения элементов V или III групп перио­ дической системы Д. И. Менделеева. Так, при восстановлении водо­ родом тетрахлорида кремния (SiCl4) к водороду в качестве легирующих примесей добавляют газообразные диборан (В2Н6), арсин (AsH3) или фосфин (РН3). При этом возникают слои р- и

Рис. 55. Схема установки для наращивания эпитаксиальных пленок:

1 — индукторы, 2 — подставки, 3 и 4 —вертикальные реакторы, 5 —горизон­ тальный реактор, 6 — источник тетрахлорида германия, 7, 8 и 9 — источники соединений кремния, 10 — устройство для очистки водорода, 11 —емкость с БШ4 ( и л и веН*), 12 — баллон с водородом, 13 — резервуары с легирующими веществами, 14 —емкость с хлористым водородом, 15 — питатель

д-типа проводимости с концентрацией примеси от 5 -10й до Ы 0 20 см^3, что соответствует их удельному сопротивлению 0,001—

ками), расположенные в реакторах, нагревают токами высокой час­ тоты с помощью индукционных катушек. В вертикальных реакторах подставки могут вращаться.

Газовая система установки включает баллон с водородом 12, устройство для его очистки 10, источники соединений кремния (БЩСП и 51СЦ) 7, 8 и 9 я германия (йеСЦ) 6 легирующих веществ (АэНз, РН3 или В2Н6) 13. Кроме того, предусмотрены дополнитель­ ные емкости 11 с кремнистым водородом БШ4 (или ПеН4) и пита­ тель 15, предназначенный для насыщения водорода парами хлорис­

89

того мышьяка АэСЬ (или БЬС1з или ВВг3). Если необходимо, перед началом эпитаксиального процесса воздух из реакторов можно от­ качать.

Рассмотрим технологический процесс наращивания эпитаксиаль­ ных пленок из газовой фазы. При восстановлении тетрахлорида кремния (БЮи) водородом его проводят следующим образом:

размещают пластины-подложки на подставке, закрывают реак­ тор и после продувки азотом подают в него водород;

включают нагрев и доводят температуру подложек до 1250° С; проводят травление кремния в парах хлористого водорода, а за­ тем устанавливают температуру, необходимую для наращивания

пленок (1250—1270° С);

устанавливают нужные скорости потоков — основного, т. е. газаносителя, через испаритель источника (Б1СЦ) и паров легирующего соединения;

по истечении определенного времени роста пленки прекращают подачу газа в испаритель Б1СЦ и в резервуары с легирующим веще­ ством (РНз, ВВгз и др.);

выключают обогрев и после остывания подложек до температу­

пленкой.

Особое внимание следует обращать на качество подложек (они должны быть тщательно обработаны и иметь чистоту поверхности, соответствующую У13—У14 классам), так как их поверхностные дефекты воспроизводятся на пленке. Водород должен быть хорошо очищен от кислорода и водяных паров: даже небольшие примеси ведут к увеличению плотности дефектов эпитаксиального слоя. Дру­ гие вещества, участвующие в процессе, также должны быть чисты­ ми, иметь стабильную концентрацию и подаваться в реактор с по­ стоянной скоростью и температурой.

Процессом роста эпитаксиальных пленок легко управлять, изме­ няя величину газовых потоков, температуру и концентрацию тетра­ хлорида кремния в водороде.

Напыление пленок в вакууме основано на принципе локального нагрева и испарения полупроводника и легирующего вещества с по­ следующим осаждением их паров на нагретые подложки. Источни­ ком тепловой энергии обычно служит электронный луч. Этим спо­ собом обеспечивается высокая скорость роста пленки (до 4 мкм/мин против 0,5 мкм/мин при восстановлении БЮЬ водородом).

§ 32. Контроль параметров эпитаксиальных пленок

Основными параметрами пленок, которые следует контролиро­ вать после нанесения, являются удельное сопротивление, толщина эпитаксиального слоя, количество дефектов упаковки и дислокаций.

Удельное сопротивление эпитаксиальных пленок определяют как четырехзондовым, так и другими методами. Четырехзондовый метод

90

наиболее распространен и измерения выполняют так же, как при проверке диффузионных слоев (см. § 23).

Толщину эпитаксиальных пленок контролируют методами косого или сферического шлифов; эти измерения также описаны в § 23.

Что касается дефектов упаковки и дислокаций, их обычно оце­ нивают с помощью оптической микроскопии. Вначале пластины подвергают химическому травлению: в местах выхода дефектов на поверхность пленки вытравливаются фигуры, имеющие форму тре­ угольников, одиночных и У-образных линий, а в местах выхода дислокаций —ямки в виде треугольных пирамид. Плотность дефек­ тов упаковки и дислокаций определяют делением их количества на площадь образна. Подсчет ведут визуально, используя микро­ скоп (ММУ-1, МИМ-7 или МИМ-8М).

Кроме контроля этих параметров, иногда необходимо определить тип проводимости эпитаксиальных пленок (при помощи термозонда или по форме вольтамперной характеристики), плотность дефектов роста (под микроскопом МБС-1 или МБС-2), распределение концен­ трации примесей по толщине (на косом шлифе пленки) и класс ше­ роховатости (при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4).

Некоторые характеристики кремниевых пластин с эпитаксиаль­ ными пленками типов п—р, р—п, п—п+, р—р+ (первая буква пока­ зывает тип проводимости пленки, а вторая — подложки) приведены ниже.

Согласно техническим условиям БКО 028.006 ТУ вводятся и бо­ лее подробные обозначения. При этом в числителе указывают ха­ рактеристику эпитаксиального слоя, а в знаменателе — подложки.

7 КЭФ 0,3

Например, марка 25 2оо КДбТ (Г Расши(рровывается так: 25 — диа‘

Ом-ем; 200 —толщина подложки, мкм; КДБ — материал подложки (кремний дырочного типа проводимости, легированный бором); 10 — удельное сопротивление подложки, Ом-см.

91

§ 33. Оборудование для наращивания эпитаксиальных пленок

Ознакомимся с устройством и работой двух установок: Т 089.01, предназначенной для наращивания кремниевых эпитаксиальных моно- и поликристаллических пленок методом осаждения из газо­ вой фазы и УРМ 3.279.010 —для наращивания германиевых эпитак­ сиальных пленок методом испарения в вакууме.

Установка Т 089.01 (рис. 56), на которой обрабатывают пласти­ ны диаметром до 30 мм, имеет индукционную печь 6, -скруббер 9

Рис. 56. Установка Т 089.01 для выращивания эпитаксиальных пленок:

1 — шкаф управления, 2 — бокс, 3 — шлиф, 4 —высокочастотный генера­ тор, 5 — блок оптических пирометров, 6 — индуктор, 7 —водяная рубашка.

5 —реактор, 9 —скруббер, 10 — стол

дожигания газов, шкаф управления 1, холодильное устройство, вы­ ходной блок и высокочастотный генератор 4.

Индукционная печь, смонтированная на столе 10, состоит из ре­ акционной камеры (реактора) 8 с индуктором 6, бокса 2 и блока оптических пирометров 5.

Кварцевый реактор выполнен в виде цилиндра, расположенного горизонтально и имеющего по всей длине водяную рубашку 7. С од­ ной стороны реактора находится шлиф 3, через который производят загрузку и выгрузку подложек, а с другой присоединяют трубопро­ вод для подачи газа. Пробку шлифа охлаждают. В зависимости от размера подложек предусмотрены два сменных комплекта реакто­ ров, подставок и держателей. Загружают и выгружают подложки через съемный бокс в атмосфере воздуха, прошедшего фильтры гру­ бой и тонкой очистки. Для регистрации и регулировки -степени на­ грева подложек предусмотрены два пирометра и -схема автоматиче­ ского поддержания температуры.

92

Выходной скруббер 9 предназначен для улавливания ядовитых отходов эпитаксиального процесса. Отработанные газы из реактора направляются к горелке скруббера, в которую подается также во­ дород, что позволяет сжигать эти газы. Продукты сгорания частич­ но удаляются через фильтр системой вытяжной вентиляции, а час­ тично абсорбируются водой, орошающей насадку скруббера и через винипластовую емкость сливаются в канализацию.

В шкафу управления расположены водяные краны, система газо­ распределения, два термостата, ротаметры, а также программное устройство.

Для охлаждения жидкости, циркулирующей в змеевике термо­ стата, служит устройство, состоящее из холодильного агрегата, ван­ ны и помпы-мешалки. В ванну холодильника заливают незамерзаю­ щую жидкость. Термостаты необходимы для точного поддержания температуры кварцевых сосудов (испарителей) с хлоридами крем­ ния. Каждый термостат представляет собой винипластовую ванну, залитую дистиллированной водой, со змеевиком, по которому цир­ кулирует охлаждающая жидкость. Снаружи они теплоизолированы пенопластом.

Выходной блок системы регулирования температуры подложек выполнен по трехфазной схеме на магнитных усилителях УСО-20 с внутренней положительной обратной связью. Для компенсации па­ дения напряжения к выходу блока подключен повышающий авто­ трансформатор.

Установка обслуживается серийным ВЧ-генератором ИО 60.011 мощностью 25 кВт. Для удобства все цепи управления генератором дублированы и вынесены в шкаф управления. Максимальная тем­ пература нагрева подложек составляет 1450° С. Подъем температу­ ры осуществляется как вручную, так и автоматически по команде программного устройства. Подложки нагреваются теплом, отдавае­

подколпачным устройством, вакуумного поста, системы водоохлаждения, электрооборудования и пульта управления.

Основание 9 установки —сварной металлический каркас, закры­ тый снаружи съемными декоративными панелями. На передних па­ нелях установки размещены рукоятки управления вакуумной систе­ мой 4 и 8, гидроподъемом колпака 2 и поворотом карусели 3. Внутри каркаса находятся вакуумный пост, системы водоохлаждения и электрооборудования, гидросистема подъема колпака и транс­

форматорный блок.

Рабочая камера (колпак) установки УРМ 3.279.010 показана на рис. 58. В сварном колпаке 3 из нержавеющей стали имеются два смотровых окна и кран для соединения с атмосферой. Сверху к кол­ паку приварена воронка для заливки жидкого азота из сосуда Дьюара 1 и штуцер для выхода газообразного азота, а сбоку за­

93