Эпитаксия. Эпитаксия - процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Эпитаксия из газовой фазы Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси (силан + водород) при высоких температурах. Для легирования обычно используют гидриды примесных элементов.

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Преимущества метода Низкая температура процесса. Снижение температуры процесса уменьшает диффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получать качественные тонкие слои. Высокая точность управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Описание процесса МЛЭ МЛЭ заключается в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретую монокристаллическую подложку. Этот процесс иллюстрируется с помощью рис. 1, на котором приведены основные элементы для получения соединения (GaAs).

Каждый нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом наращивания осуществляется с помощью заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку.

Сущность процесса состоит в испарении кремния и одной или нескольких легирующих примесей. Низкой давление паров кремния и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении Па. Температурный диапазон составляет ºС. Технически возможно применение и более высоких температур, но это приводит к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки.

Предэпитаксиальная обработка подложки Предэпитаксиальная обработка подложки при использовании метода МЛЭ осуществляется двумя способами. Высокотемпературный отжиг при температуре ºС длительностью до 10 минут. При этом за счет испарения или диффузии внутрь подложки удаляется естественный окисел и адсорбированные примеси. Очистка поверхности с помощью пучка низкоэнергетичных ионов инертного газа. Этот способ дает лучшие результаты. Для устранения радиационных дефектов проводится кратковременный отжиг при температуре ºС.

Особенности легирования при МЛЭ Одной из отличительных особенностей МЛЭ является низкая скорость роста пленки: приблизительно 1 монослой/с или 1 мкм/час, что позволяет легко модулировать молекулярные пучки, попадающие на подложку, если время управления движением заслонки менее 1 секунды. Легирование при МЛЭ имеет несколько особенностей. По сравнению с эпитаксией из газовой фазы расширен выбор легирующих соединений, возможно управление профилем легирования. Легирующая примесь может быть как p-, так и n-типа. Возможны два способа легирования.

Особенности легирования при МЛЭ После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, H, B) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления. В результате чаще прибегают к употреблению Sb, Ga или Al. В другом способе легирования используется ионная имплантация. В этом случае применяются слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под поверхность растущего слоя, где она встраивается в кристаллическую решетку. Этот способ позволяет использовать такие примеси как B, P и As.

Метод МЛЭ позволяет проводить всесторонний анализ некоторых параметров непосредственно во время процесса выращивания пленки. Большинство промышленных установок МЛЭ содержит оборудование для анализа дифракции отраженных электронов, масс- спектрометр, оже-спектрометр с возможностью исследования оже-спектров распыленных ионов.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии перспективен для твердотельной электроники создания СВЧ-приборов и оптических твердотельных приборов и схем, в которых существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров. При этом особое значение придается возможности выращивания слоев с различным химическим составом.

Создание диэлектрических слоев. Осаждение диэлектрических пленок широко используется для производства СБИС. Эти пленки: формируют проводящие участки внутри схемы, выполняют роль электрического изолятора между металлами, защищают поверхность от воздействия окружающей среды.

Двуокись кремния Диэлектрическая постоянная 3,82, Ширина запрещенной зоны 8,9 эВ, Удельное сопротивление Ом·см Слои SiO 2 используются как: маска для диффузии легирующих примесей; для пассивации поверхности полупроводников; для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга; в качестве подзатворного диэлектрика; в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве МНОП элементов памяти; в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией; как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.

Пленки SiO 2 в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния различными способами: термическое окисление (сухое, влажное, хлорное, пирогенное); анодное окисление; пиролитическое окисление; плазмохимическое окисление. процесс окисления происходит при средних температурах (1000 °C) с использованием сухого кислорода иногда с добавлением соляной кислоты в окислительную среду. Второй этап заключается в термообработке в атмосфере при температуре 1150 °C для проведения пассивирования и доведения толщины окисла до необходимого уровня.

Нитрид кремния Стехиометричный Si3N4 используют для пассивирования поверхности полупроводниковых приборов или активная среда в МНОП РПЗУ Получают аммонолизом моносилана при атмосферном давлении и температуре °C. удельное сопротивление Ом·см, плотность г/см 3, диэлектрическая постоянная 6- 7, ширина запрещенной зоны 5 эВ

Пиролитический метод формирования пленок основан на использовании явления пиролиза или химических реакций при формировании пленок поликристаллического кремния или пленок различных изолирующих материалов. В качестве химически активного газа применяют моносилан SiH4 и кислород, а в качестве буферного газа - азот (обычно пьедестал и пластины соприкасаются и разогреваются). При формировании пленок поликристаллического кремния пластина должна быть разогрета до °С, а пленок нитрида кремния до °С. Если нагрев пластин нежелателен, то используют альтернативные методы получения пленок (например, плазмохимический метод).

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении подложек-образцов в кислородную плазму. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

Создание p-n переходов. Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Для изготовления р-n перехода используется химическая диффузия примесных атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств.

Назначение диффузии: формирование базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии, создание областей истока и стока в МОП технологии, для легирования поликристаллического кремния.

Способы диффузии: диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах, диффузия из легированных окислов, диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).

Ионная имплантация Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

Распределение внедренных атомов по глубине мишени оценивается с помощью симметричной функции распределения Гаусса. Общая длина пробега иона зависит от его энергии и массы. Эффект каналирования. Для снятия радиационных дефектов применяют отжиги. Параметры процесса отжига определяются дозой и видом имплантированных ионов.