Содержание к диссертации
Введение
Теоретическая часть 11
1. Особенности технологии изготовления гетероструктур SiGe/Si и приборов на их основе 11
1.1. Физические особенности SiGe - гетероструктур 11
1.1.1. Основные свойства элементарных полупроводников Si и Ge... 12
1.1.2. Свойства твердых растворов замещения Sii.xGex 13
1.1.3. Изменение свойств твердых растворов замещения Sii.xGex в эпитаксиальных структурах 15
1.2. Методы изготовления эпитаксиальных слоев SiGe и гетероструктур на их основе 19
1.2.1. Химическое осаждение из паровой фазы 19
1.2.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия 21
1.2.3. Альтернативные методы эпитаксии 23
1.2.4. Сравнение различных методов получения эпитаксиальных структур SiGe 23
1.3. Методы изготовления легированных эпитаксиальных слоев Si и SiGe 25
1.3.1. Выбор легирующей примеси в Si и SiGe 26
1.3.2. Донорные примеси в Si и SiGe 28
1.3.3. Акцепторные примеси в Si и SiGe 29
1.4. Особенности эпитаксиального выращивания гетероструктур на основе твердых растворов SiGe 35
1.4.1. Напряжения и дислокации несоответствия 35
1.4.2. Морфология поверхности эпитаксиальных слоев SiGe, выращенных на Si подложке 43
1.5. Приборные структуры на основе SiGe 45
1.5.1. Гетеробиполярные транзисторы 45
1.5.2. Полевые транзисторы 56
1.5.3. ИК детекторы 61
1.5.4. Устройства на квантовых эффектах 63
1.5.5. Тенденции применения SiGe слоев и гетероструктур на их
основе 64
1.6. Методы исследования эпитаксиальных структур SiGe/Si 66
1.6.1. Физические методы исследований 66
1.6.2. Электрофизические методы исследования 71
1.7. Краткие выводы по главе 1 74
2. Расчет процессов эпитаксии Si, Ge и SiGe из твердофазных источников 76
2.1. Тепловой расчет источника испарения в условиях вакуума 76
2.1.1. К расчету размеров тигля 76
2.1.2. К расчету температуры испарения 77
2.1.3. К выбору метода нагрева тигля 79
2.2. Расчет параметров молекулярного источника для испарения кремния 81
2.2.1. Расчет размеров тигля 81
2.2.2. Расчет температуры испарения 82
2.2.3. Выбор метода нагрева 85
2.3. Расчет параметров молекулярного источника для испарения германия 87
2.4. Расчет параметров эффузионного источника для испарения
бора 88
2.5. Расчет процессов эпитаксии SiGe слоев 90
2.5.1. Расчет скорости роста Si и Ge 91
2.5.2. Расчет мольной доли германия в SiGe 93
2.6. Краткие выводы по главе 2 96
Экспериментальная часть 97
3. Технология выращивания гетероструктур Sii xGex на кремниевой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии из твердофазных источников 97
3.1. Подготовка установки МЛЭ 98
3.2. Подготовка подложек 102
3.3. Влияние параметров и условий роста на структурное совершенство эпитаксиальных структур SiGe/Si, выращенных
на установке МЛЭ "Цна-9" 106
3.3.1. Влияние степени разряжения в области роста 107
3.3.2. Влияние температуры подложки 107
3.3.3. Влияние температуры исходных реагентов 110
3.4. Температурные зависимости содержания компонентов в твердых растворах SiGe, выращенных на установке МЛЭ "Цна-9"
3.4.1. Температурные зависимости скорости роста 113
3.4.2. Температурные зависимости содержания основных компонентов в эпитаксиальных слоях SiGe 116
3.4.3. Температурные зависимости концентрации примеси в эпитаксиальных слоях Si и SiGe 118
3.5. Электрофизические измерения 124
3.5.1. Методика бесконтактного измерения электрофизических параметров SiGe структур 124
3.5.2. Зависимости подвижности носителей заряда от мольной доли германия 128
3.6. Краткие выводы по главе 3 129
4. Особенности изготовления SiGe гетеробиполярного транзистора... 131
4.1. Разработка тестового кристалла SiGe ГБТ 131
4.2. Краткие выводы по главе 4 133
Заключение 134
Приложения 136
1. Технологический маршрут изготовления транзисторной структуры SiGe ГБТ на Si подложке КДБ-12(100) 136
2. Основные этапы технологического маршрута 139
3. Параметры типовой структуры ГБТ на SiGe/Si 143
4. Топологические размеры типовой структуры ГБТ на SiGe/Si 144
5. Состав и совмещаемость комплекта РФШ 145
Литература
- Физические особенности SiGe - гетероструктур
- Морфология поверхности эпитаксиальных слоев SiGe, выращенных на Si подложке
- Расчет параметров молекулярного источника для испарения кремния
- Температурные зависимости содержания компонентов в твердых растворах SiGe, выращенных на установке МЛЭ "Цна-9"
Введение к работе
Актуальность темы. Формирование эпитаксиальных слоев для полупроводниковых структур является одним из основных технологических процессов современной микроэлектроники. Развитие микроэлектроники на пути к наноэлектронике выдвигает более жесткие требования к размерам элементов и толщине рабочих слоев полупроводниковых приборов. Технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) позволяет выращивать тонкие (до 1 нм) эпитаксиальные слои и гетероструктуры (ГС) с резкими гетеропереходами. Проведение ростовых процессов в условиях СВВ позволяет свести к минимуму влияние среды, а также открывает возможность объективного контроля за параметрами эпитаксиального роста и качеством структуры.
За последние десятилетия в микроэлектронике появилось и успешно развивается новое направление - реализация микроэлектронных приборов на основе ГС твердых растворов замещения кремний-германий (SiGe/Si). Успешное продвижение этого направления обусловлено рядом причин:
S совершенствованием технологии изготовления эпитаксиальных слоев
и ГС SiGe/Si; S возможностью реализации принципов зонной инженерии при
разработке приборов;
S открывающиеся возможностью создания на одном кристалле
кремниевой подложки схем СВЧ диапазона (до ЮОГГц) и
сверхскоростных цифровых устройств первичной обработки сигнала;
S возможностью создания БИС различного типа (аналоговые,
цифровые, смешанного типа) на гетероструктурах SiGe/Si с
использованием различных технологий на базе широкой номенклатуры активных и пассивных элементов;
S быстрой динамикой развития сектора рынка приборов для телекоммуникационных систем.
В настоящее время направление по разработке и изготовлению приборов на основе ГС SiGe/Si в России ограничиваются в основном академическими исследованиями в области изготовления светочувствительных матриц инфракрасного диапазона. В последние годы наметилась тенденция к исследованию возможности изготовления приборов наноэлектроники на основе Si, Ge и SiGe квантоворазмерных элементов.
Реализация приборов на ГС SiGe/Si сопряжена с необходимостью внедрения технологических приемов эпитаксии в условиях СВВ в технологический маршрут изготовления прибора. Отсутствие промышленного технологического оборудования, опыта работ и недостаточная осознанность физики происходящих процессов приводит к торможению развития SiGe технологии в нашей стране. Поэтому исследования направленные на решение технологических вопросов изготовления эпитаксиальных слоев Si и SiGe в комплексе с разработкой технологии изготовления конкретного прибора на основе ГС SiGe/Si весьма актуальны.
Цель диссертационной работы заключалась в разработке и изучении технологического процесса выращивания эпитаксиальных слоев Si, SiGe и гетероструктур SiGe/Si на установке молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием твердофазных источников, исследование изготовленных эпитаксиальных слоев и гетероструктур, а также определение возможности формирования гетероэпитаксиальных структур SiGe/Si применительно к
изготовлению SiGe гетеробиполярного транзистора. Для достижения цели диссертационной работы были поставлены следующие задачи исследования:
S рассчитать температурные зависимости технологических параметров
процесса формирования слоев Si и SiGe в условиях сверхвысокого
вакуума; S разработать технологический процесс выращивания эпитаксиальных
слоев Si, SiGe и гетероструктур на их основе; S разработать и/или скорректировать методики для исследования
свойств Si, SiGe слоев и SiGe/Si гетероструктур; S исследовать влияние основных параметров эпитаксиального роста,
влияющих на качество и свойства, выращиваемых слоев Si, SiGe и
гетероструктур на их основе; S разработать технические требования и принять участие в
модернизации установки МЛЭ "Цна-9", обеспечивающей
изготовление эпитаксиальных слоев Si и SiGe, с требуемыми
параметрами, на подложках Si диаметром 100 мм; S исследовать возможность изготовления гетеробиполярного
транзистора (ГБТ), применяя технологию МЛЭ для формирования
SiGe области активной базы. Для достижения объективного и достоверного определения свойств и параметров эпитаксиальных структур SiGe/Si при решении поставленных задач применялись следующие методы исследования: S электронография по методу съемки на отражение; S просвечивающая электронная микроскопия угольных реплик от
поверхности эпитаксиальных структур;
S растровая электронная микроскопия поверхности и сколов гетероструктур;
S растровая электронная оже-спектроскопия;
S рентгеновская дифракция с высоким угловым разрешением;
S вторично ионная масс спектрометрия;
S электронное профилирование поверхности;
S холловские измерения электрофизических параметров.
Научная новизна работы состоит в проведенном исследовании процессов эпитаксиального роста Si и SiGe слоев в условиях сверхвысокого вакуума на установке молекулярно-лучевой эпитаксии, оснащенной испарительными ячейками Кнудсена с косвенным резистивным нагревом, а именно:
S на основании теоретического теплового расчета обоснована возможность осуществления процессов роста Si, Ge и SiGe слоев в условиях вакуума, при испарении Si и Ge из эффузионных ячеек Кнудсена с косвенным резистивным нагревом тиглей и определены температурные зависимости параметров процесса роста Si и SiGe слоев;
S исследована зависимость кристаллической структуры
эпитаксиальных слоев Si и SiGe от основных технологических параметров, характеризующих условия роста указанных слоев (условий подготовки подложек, температуры испарительных ячеек и нагревателя подложек, скорости роста, остаточной атмосферы в зоне роста), определены диапазоны значений технологических параметров обеспечивающих качественный рост эпитаксиальных слоев Si и SiGe;
S разработан метод формирования сильнолегированных бором (до 3-Ю19 ат"3) эпитаксиальных слоев Si и SiGe на установке МЛЭ, оснащенной испарительными ячейками Кнудсена с косвенным резистивным нагревом;
S предложена методика подготовки поверхности Si подложек непосредственно перед проведением процесса эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума, обеспечивающая без применения жидкостной обработки подготовку Si подложек к процессам молекулярно-лучевой эпитаксии.
Практическая значимость работы заключается:
S в установлении зависимостей свойств эпитаксиальных слоев Si и SiGe от параметров проведения процесса применительно к установке МЛЭ "Цна-9";
S в разработке методики подготовки поверхности Si подложек непосредственно перед процессом эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума, без применения химической обработки, обеспечивающей качественную подготовку поверхности кремниевой пластины на которой сформирован рисунок методом локального окисления;
S в проведении модернизации установки молекулярно-лучевой эпитаксии "Цна-9", обеспечивающей реализацию процессов эпитаксиального роста Si, Ge и SiGe слоев и гетероструктур на подложках диаметром до 100мм;
S в применении полученных результатов для разработки технологического маршрута изготовления гетеробиполярного транзистора с SiGe базой.
Основные положения, выносимые на защиту:
S технология молекулярно-лучевой эпитаксии с применением эффузионных ячеек Кнудсена, обеспечивающая получение эпитаксиальных слоев Si, Ge, SiGe и гетероструктур SiGe/Si с требуемыми свойствами, для изготовления приборов микроэлектроники; S методика подготовки поверхности Si подложек к процессам молекулярно-лучевой эпитаксии, непосредственно в ростовой камере в условиях сверхвысокого вакуума, основанная на восстановлении Si поверхности в периодическом молекулярном потоке кремния, обеспечивающая качественную подготовку Si подложек, на которых сформирован рисунок локальным окислением; S метод изготовления легированных эпитаксиальных слоев Si и SiGe в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии, основанный на испарении Si насыщенного бором, позволяющий формировать эпитаксиальные слои Si и SiGe, сильнолегированные бором (до 3-Ю19 см"3). Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются в ОАО "НИИМЭ и Микрон" при выполнении ОКР "Технология ГК", ОКР "Инициатива 2", ОКР "Базис ГК", направленных на разработку приборно-технологического базиса производства приборов на основе SiGe, проводимых в рамках Федеральной целевой программы "Национальная технологическая база" Российского агентства по системам управления.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Межотраслевых 2, 4, 5, 6 научно-технических конференциях ОАО "НИИМЭ и Микрон" "Разработка, технология и производство полупроводниковых микросхем" (1999, 2001,
2002, 2003гг., г. Зеленоград, 2002г. п.г.т. Гурзуф), Третьей Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - XXI век" (2000г., г. Зеленоград), Всероссийской научно-технической конференции "Микро- и наноэлектроника 2001" (2001г., г. Звенигород), 10-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2003" (2003г., г. Зеленоград), Международной научно-технической школы-конференции "Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию" (2003г., г. Москва).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах и включены в 3 научно-технических отчета НИОКР, проводимых в ОАО "НИИМЭ и Микрон".
Диссертационная работа включает: введение, теоретическую (главы 1 -2), экспериментальную часть (главы 3 - 4), заключение и приложение.
В первой главе теоретической части представлен критический обзор отечественной и зарубежной литературы по исследуемой тематике, а также рассматриваются методы исследования эпитаксиальных слоев и ГС. Во второй главе представлены результаты расчета основных параметров проведения процесса эпитаксиального роста слоев Si, Ge и SiGe.
Экспериментальная часть работы включает две главы. Первая глава состоит из 5 разделов в которых излагаются основные особенности и требования к процессам эпитаксии на установке МЛЭ "Цна-9", методики подготовки установки и подложек к процессам эпитаксиального роста Si и SiGe слоев и результаты исследований изготовленных слоев Si и SiGe. Вторая глава экспериментальной части посвящена разработке тестового кристалла гетеробиполярного SiGe транзистора.
Физические особенности SiGe - гетероструктур
Исследования в области изготовления эпитаксиальных слоев SiGe гетероструктур SiGe/Si и приборов на их основе проводятся более 50 лет. За это время были разработаны различные методики изготовления эпитаксиальных слоев SiGe. По классическим представлениям эпитаксиального выращивания методики можно разделить на эпитаксию из газообразной (паровой) фазы, твердофазную эпитаксию и ионное легирование. Ниже представлены основные направления в развитии технологии изготовления эпитаксиальных слоев и сравнительная характеристика представленных методик.
Один из наиболее применяемых методов изготовления SiGe слоев, является метод химического осаждения из паровой фазы в условиях сверхвысокого вакуума. Такая методика привлекательна своими потенциальными возможностями эффективного ее применения в производственном масштабе. Современные установки осаждения из паровой фазы обрабатывают десятки пластин в одном технологическом процессе с неоднородностью распределения характеристик менее 1% [12].
Суть метода заключается в регулируемой подаче реагентов, находящихся в паровом состоянии, на разогретую подложку при пониженном или атмосферном давлении [13] или в условиях сверхвысокого вакуума [14]. Типичное давление в камере составляет 1-Ю"4 - ЫО"5 Па. Для эпитаксии SiGe, в качестве основных технологических газов могут применятся гидриды и хлориды германия и кремния. Для подготовки подложек обычно применяют водородную пассивацию поверхности подложек с последующим удалением пассивирующего слоя в рабочей камере. Осаждение пленок осуществляется при температуре 400 - 650С, в зависимости от мольной доли германия в эпитаксиальных слоях [15], [16]. При увеличении содержания германия температуру роста понижают. Скорость роста эпитаксиальных пленок может быть изменена от 0,01 нм/мин до 10 нм/мин. Метод химического осаждения из паровой фазы имеет ряд преимуществ, позволяющих эффективно его применять в производстве полупроводниковых приборов на SiGe. Для достижения однородности распределения толщины и параметров эпитаксиального слоя по площади пластины в современных установках не требуется вращение подложки. Метод осаждения из паровой фазы дает возможность селективного роста эпитаксиальных слоев, при котором на поверхности монокристаллического кремния вырастает монокристаллический эпитаксиальный слой, а на поверхности оксида кремния - сплошной поликристаллический слой. Такие преимущества дают возможность реализации самосовмещеных технологических процессов [17, 18]. Легирование эпитаксиальных структур, также осуществляется из газовых источников, (арсин, диборан). Резкость профиля легирования определяется конструктивными особенностями газовых источников. В общем случае профиль легирования эпитаксиальных структур более резкий по сравнению с ионной имплантацией, но уступает процессам легирования при МЛЭ.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) может быть определена как процесс эпитаксиального роста, основанный на взаимодействии одного или более атомных или молекулярных потоков (пучков) с нагретой кристаллической поверхностью подложки в условиях сверхвысокого вакуума. В отличие от эпитаксии из парогазовой фазы, МЛЭ не осложнена явлениями переноса в пограничном слое и химическими реакциями. Сущность процесса состоит в испарении кремния и германия и одной или нескольких тигель легирующих примесей. -шихта ЪЧ л -:! рис. 6 диаграмма направленности молекулярного потока из эффузионной ячейки в вакуум. Низкое давление паров основных элементов и легирующей примеси гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Обычно МЛЭ кремния и SiGe проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10 6 -10"8 Па, когда длина свободного пробега атомов определяется как L = 5 КГ3 /р, где L - длина свободного пробега (см), а р давление в системе (мм рт. ст.). При давлении 10"9 мм рт.ст. значение L равно 5x106 см, что значительно превышает типичные размеры рабочей камеры. Поскольку в сверхвысоком вакууме столкновения между атомами маловероятны, скорость переноса определяется в большей степени термической энергией, чем диффузионными процессами, поэтому процессом наращивания и его однородностью можно управлять путем изменения параметров источника. Таким образом, при испарении из тигля образуется поток частиц, зависящий от времени испарения и имеющий диаграмму направленности, показанную на рис. 6. Отсутствие промежуточных реакций и диффузионных эффектов наряду с относительно высокой термической скоростью позволяет быстро изменять свойства слоя при любых изменениях в источниках. Температурный диапазон для МЛЭ лежит в пределах от 400 до 800С. Технически возможно применение и более высоких температур, однако, это приведет к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки. Скорость роста эпитаксиального слоя составляет от 0,01 до 0,3 мкм/мин.
Морфология поверхности эпитаксиальных слоев SiGe, выращенных на Si подложке
Если деформация относительно велика и превышает предел упругости слоя, то накапливаемая в пленке энергия деформации (пропорциональная объему пленки) может быть уменьшена посредством образования дислокаций несоответствия на границе пленка-подложка. В действительности, для согласования несоответствия решеток в двух направлениях требуется образование двух перпендикулярных групп краевых дислокаций несоответствия, образующих квадратную сетку (рис. 9, в). Дислокации несоответствия появляются в таком количестве и с такими векторами Бюргерса, что дислокационные деформации компенсируют эпитакси-альные деформации на значительных расстояниях от границы раздела. В этом случае расстояние между соседними дислокациями Ld должно равняться (а)2/Да. Вследствие компенсации деформаций упругая энергия локализуется в приграничном слое толщиной hc и дальнейший рост слоя происходит беспрепятственно [34]. При этом (идеальный случай) дислокации выходят на стороны кристалла на расстояниях, достаточно удаленных от границы раздела, сколько-нибудь заметная деформация отсутствует и материал пленки является бездислокационным. Процесс кристаллизации эпитаксиальных слоев при охлаждении, как известно, состоит из нескольких стадий: 1) образование зародышей, 2) слияние зародышей, 3) возникновение упруго-пластических деформаций в твердом состоянии и 4) образование твердого тела. Различия в параметрах решеток и в коэффициентах термического расширения начинают проявляться на второй стадии. Поскольку растущий слой на этой стадии связан с подложкой и его деформация уже не может происходить свободно, то в слое возникают остаточные напряжения. Уменьшением скорости охлаждения при росте кристалла можно улучшить совершенство растущего слоя. На третьей стадии упругие деформации частично переходят в ограниченное пластическое течение, что и приводит растущий слой в соответствие с подложкой. Граница между двумя кристаллами с одинаковой кристаллической структурой, но с различными параметрами решетки впервые была рассмотрена посредством введения «дислокаций несоответствия». Для вычисления граничной энергии использована модель монослойного роста, когда несоответствие сконцентрировано в узкой области, содержащей ядра дислокаций несоответствия, разделенных областями почти полного соответствия. Используя эту дислокационную модель, автор [35] вычислил граничную энергию для случая эпитаксиального наращивания кристалла произвольной толщины и показал, что система слой - подложка имеет минимальную энергию, когда часть несоответствия снимается благодаря упругим напряжениям (вместо полной релаксации напряжений на дислокациях несоответствия).
При малой толщине осажденного слоя (5 - 10 атомных слоев) несоответствие кристаллических решеток полностью компенсируется упругими напряжениями. Одно из направлений исследований SiGe/Si рис. 10 Образование линий дислокаций несоответствия за счет разрастания винтовых дислокаций под воздействием напряжений несоответствия. системы - определение толщины и условий эпитаксиального роста, при котором не происходит релаксация упругих напряжений изучается, как с точки зрения теоретических расчетов [34,35, 36, 37, 38], так и по результатам проведения экспериментальных работ по выращиванию эпитаксиальных слов SiGe [39, 40]. Критическую толщину эпитаксиального слоя можно определить изучая два типа процессов [34]. Изучение условий при которых имеющиеся (появившиеся) винтовые дислокации в слое могут изгибаться и перемещаться под воздействием напряжений несоответствия с образованием линий дислокаций несоответствия, см. рис. 10. На рисунке отмечены подложка - А, эпитаксиальный слой - В, изменение состояния за счет роста эпитаксиального слоя: а) когерентный рост "В" на "А" до толщины ha; b) переходное состояние "В", переходящие в критическое при толщине hb , с) образование некогерентной поверхности раздела при достижении толщины hc, вследствие превышении напряжения несоответствия (FH) над силой образования линий дислокаций (FD), С образованием линий дислокаций несоответствия (LL ). Или изучение тех условий, при которых ожидается появление зародышеобразования и развертывание полупетель, см. рис. 11. На рисунке представлено три состояния, соответствующих: а) до критическому состоянию образования дислокационной полупетли; Ь) равновесное состояние дислокационной полупетли, компенсированное напряжением несоответствия; с) петля дислокаций, сформировавшаяся с образованием протяженной линии дислокаций (LL ), при достижении толщины h. Расчеты в обоих случаях явно определяют критическую толщину как толщину слоя, при которой существующие дислокации находятся в механическом равновесии. Растяжение в линии дислокаций \ ШШШ ЖЯт сбалансированы силой вводимой в линию дислокаций напряжением несоответствия. Для рис. 11 Стадии зародышеобразования и рост полупетель дислокаций. эпитаксиальных слоев, с толщиной превышающей критическую, образуются дислокационные линии на границе слой-подложка.
Для расчета критической толщины h эпитаксиального слоя, выращиваемого на монокристаллической подложке, выше которой энергетически выгодно образование дислокаций, в работах [36] и [41] получено следующее выражение: b -а 1.4.1 1іД + 1 Ъ 4я(1 + У) где b - значение вектора Бюргерса, v - коэффициент Пуассона, f - степень рассогласования кристаллических решеток. В работе [34] для расчета критической толщины предложена следующая формула: h "с — 1-У 1 + V f_L_ a(x) f2J u 1.4.2 заменяя a(x) значением для SiGe и полагая значение вектора сдвига Ь = 4А, формула 1.4.2 может быть представлена в виде: 2.34-Ю-2 А hc = ( In UA; 1.4.3 На рис. 12 приведены расчетные зависимости критической толщины пленки SiGe при эпитаксиальном росте на Si (100) подложке. Зависимости соответствуют различным теориям расчета критической толщины, изложенным выше. Наиболее точным инструментом для экспериментального определения критической толщины является сравнение параметра решетки эпитаксиального слоя в перпендикулярном а± и параллельном ay (asi) направлении относительно плоскости роста см. рис. 13.
Расчет параметров молекулярного источника для испарения кремния
Наибольшее количество публикаций по применению ГС SiGe/Si посвящено технологии изготовления и исследованию свойств гетеробиполярных транзисторов (ГБТ). Практический интерес к применению гетеропереходов в полупроводниковой технике возник в 1951 г., когда Шокли для повышения эффективности эмиттерного перехода в области высоких уровней инжекции предложил транзистор, в котором эмиттер имеет большую ширину запрещенной зоны, чем базовая область [51]. Первые работы по реализации биполярных приборов на гетероструктурах были проведены на структурах системы АЗВ5 [52]. В середине 80-х годов прошлого века были изготовлены биполярные транзисторы на гетероструктурах SiGe/Si [53]. Уже в то время в результате проведенных исследований стало ясно, что широкозонный эмиттер не только предотвращает падение коэффициента усиления при больших уровнях инжекции, но и позволяет улучшить всю совокупность параметров и характеристик транзисторов за счет свободы выбора уровня легирования базовой Nb и эмиттерной Ne областей. В настоящее время анонсировано производство SiGe ГБТ с максимальной частотой 350 ГГц [54]. Существуют различные варианты создания ГБТ на ГС Sii-xGex/Si. По своей сути SiGe ГБТ это вертикальный биполярный транзистор с базовой областью из SiGe. Привлекательность вертикальной геометрии прибора заключается в том, что она при наличии прецизионной технологии выращивания позволяет наиболее просто снижать размеры активной области прибора.
Реализация ГБТ возможна с различным решением зонной структуры транзистора. Рассмотрим основные отличия гетеробиполярного транзистора от биполярного. Применение ГС \ К SiGe/Si позволяет реализовать ГБТ с широкозонным эмиттером. Ес На рис. 15 представлена зонная Ef диаграмма такого транзистора. В отличие от биполярного Е транзистора в транзисторе с рис. 15 Зонная структура ГБТ с широкозонным эмиттером, широкозонным эмиттером на к основе гетероструктур (ГС) высота барьера для дырок и электронов различна. Это приводит к тому, что коэффициент инжекции эмиттерного перехода (эффективность эмиттера), представляющий собой отношения электронной составляющей тока эмиттера к полному току у = jn /(j + jn), близок к единице даже для случая N » Nj В биполярных транзисторах jn/jp«NbNe, и для получения у«1 эмиттер должен быть легирован значительно сильнее базовой области. При наличии широкозонного эмиттера, в случае резкого эмиттерного перехода, К AEg»kT (Jn/ІР)ГБТ х(Jn JІР)БТexp(AEg /kT), что и обеспечивает у «1 при или AEV » kT. рис. 16 Зонная структура ГБТ с широкозонным эмиттером и коллектором.
Заметим, что привлекательность широкозонного эмиттера в транзисторах заключается не только в предотвращении падения коэффициента усиления при больших уровнях инжекции, но и в том, что открывается возможность улучшения всей совокупности параметров и характеристик транзистора за счет свободы выбора уровня легирования базовой Nb и эмиттерной Ne областей.
Возможность сильного легирования базовой области приводит к снижению "Ь IV JNb(x)dx и постоянной продольного сопротивления базы Rb« J времени коллекторной цепи RbCk. Ведь для увеличения верхнего предела по частоте или уменьшения времени переключения необходимо снижать толщину базы wb. В биполярных транзисторах уменьшение толщины базы увеличивает сопротивление базы, что может приводить к снижению быстродействия, которое начинает определяться постоянной заряда коллекторной цепи RbCk. Применение ГС SiGe/Si также позволяет реализовать ГБТ как с широкозонным эмиттером, так и с широкозонным коллектором (рис. 16). Такие ГБТ с SiGe узкозонной базой получили наибольшее распространение. Наиболее простой вариант реализации ГБТ представлен на рис. 17. рис. 17 Схематичное изображение структуры и зонная диаграмма ГБТ с SiGe базой.
Применяя в вертикальном п - р - п биполярном транзисторе вместо кремниевой базы - кремний-германиевую мы получаем ряд преимуществ.
Прежде всего, это увеличение подвижности (коэффициента диффузии) носителей заряда, при снижении эффективной массы. Константа диффузии неосновных носителей, Dn, связана с подвижностью неосновных носителей соотношением ц.п =qDn /kT. Как показано в работе [39] в SiGe ГБТ коэффициент диффузии неосновных носителей в базе в два раза превышает значение для кремния. Соответственно значение подвижности носителей заряда также увеличилось в два раза. В качестве основного механизма увеличение диффузионной постоянной рассматривается дополнительное расщепление уровней у дна зоны проводимости, вызванное напряжениями в псевдоморфных слоях SiGe из-за несоответствия параметров кристаллических решеток Si и SiGe. Благодаря различию в значении ширины запрещенной зоны для Si и SiGe - AEg получаем снижение уровня энергии дна зоны проводимости, соответственно при инжекции электронов в базу им приходится преодолевать более низкий потенциальный барьер. Запишем коэффициент , здесь DnNw_ ___ „ (NN)b /ДЕЛ усиления по току в виде: В = —-—-—-Z, где Z = —ехр DpNbwb (NnNp)e Я kT J Dn, Dp - константы диффузии электронов и дырок, а N и w соответственно концентрация легирующей примеси и толщина области базы или эмиттера. В обычном биполярном транзисторе увеличение коэффициента усиления по току достигается высоким уровнем легирования эмиттера и малым базы. Однако физически невозможно легировать эмиттер более чем 10 см" , а снижение уровня легирования базы приводит к увеличению собственного паразитного сопротивления базы. В SiGe ГБТ имеется возможность изменять коэффициент Z путем изменения доли германия "х" в Sii_xGex слое, так при х 0,2 - Z=100 и при х 0,25 - Z=400. Тем самым получаем значительное увеличение коэффициента усиления.
Во многих семействах цифровых логических схем режимы работы транзисторов предусматривают прямое смещение коллектора, т. е. работу в режиме насыщения (например, в схемах И Л интегральной инжекционной логики). Качество транзисторного ключа определяется скоростью переключения - временем перехода из области отсечки в область насыщения и обратно. Не останавливаясь подробно на особенностях переходных процессов при переключении, заметим, что в насыщенном ключе время выключения в значительной мере определяется накоплением дырок в высокоомном коллекторном слое (в случае n-p-п структуры).
Температурные зависимости содержания компонентов в твердых растворах SiGe, выращенных на установке МЛЭ "Цна-9"
Характерной особенностью эксплуатации установки МЛЭ является длительный подготовительный период. Длительный период подготовки оборудования обусловлен в первую очередь требованием получения сверхвысокого вакуума в ростовой камере. Объем тиглей ограничен, и загрузки основных испаряемых веществ, в зависимости от типа выращиваемых эпитаксиальных структур, хватает на проведение от нескольких десятков до нескольких сотен процессов. После полного расхода материала шихты основной загрузки требуется перезагрузка тигля, сопровождаемая разгерметизацией камеры роста. Перед вскрытием камеры в нее напускается газообразный азот марки ОСЧ. Это в значительной степени сокращает время последующей откачки камеры до сверхвысокого вакуума. После заполнения камеры азотом, до давления несколько выше атмосферного проводится демонтаж эффузионных ячеек далее загрузка испаряемых материалов в тигли и установка ячеек обратно в камеру. Затем отключают подачу азота в камеру, и начинается процесс ее откачки. Откачка камеры включает три этапа: 1. Откачка форвакуумным насосом до 1,33-101 Па. 2. Откачка внешней системой (сорбционные или турбо-молекулярные насосы) до 10"2 - 10"4 Па, пока не запустится магниторазрядный насос. 3. Запуск и откачка гетероионным насосом (ГИН) рабочей камеры до остаточного давления 10"6 - 10"8 Па.
В случае не достижения заданного давления на каждом из этапов принимаются различные решения. Если при длительной откачке на 2 этапе не происходит достижения заданного уровня давления, а при перекрытии вентиля насоса наблюдается повышение давления, значит в камере имеется течь. При этом подтягиваются металлические уплотнения в нарушенных соединениях. Если этого недостаточно, течь обнаруживают течеискателем и устраняют её. Если течи нет и не достигается предельное значение вакуума при откачке ГИН, значит камера загрязнена и в ней велико внутреннее газовыделение. В этом случае камеру прогревают. Для этой цели применяются ленточные нагреватели смонтированные по всей поверхности рабочей камеры. Прогрев камеры проводится обычно в течении 3-7 дней при температуре 11(Ь-150С. В зависимости от уровня газовыделения элементов, находящихся в камере, и остаточного давления принимается решение о типе откачки. При сильном газовыделении элементов конструкции во время отжига и давлении в рабочей камере выше 1-Ю"4 Па более эффективным средством откачки является система с турбомолекулярным насосом, при понижении давления - гетероионные насосы. Следует обратить внимание, что при отжиге камеры необходимо пропускать сжатый воздух или азот через встроенную криопанель, расположенную в ростовой камере, для более равномерного прогрева.
По достижении предельного вакуума начинают нагрев эффузионных ячеек. Первичный нагрев эффузионных ячеек проводится без заполнения криопанели камеры жидким азотом, которая в этом случае охлаждается продувкой сжатым воздухом. Продувка сжатым воздухом также обеспечивает более равномерный прогрев стенок камеры. Нагрев эффузионных ячеек проводится плавно и медленно, поднимая температуру ячеек до максимальной в течение 1 часа. Это необходимо для предотвращения растрескивания тиглей, загруженных застывшим материалом шихты, вследствие различия коэффициентов теплового расширения материала тигля и испаряемого материала. При максимальной рабочей температуре испарительные ячейки выдерживают в течении 5 часов. После такого «горячего» отжига, температуру эффузионных ячеек снижают до температуры дежурного режима, заполняют криопанель камеры жидким азотом, снова выводят температуру ячеек до максимальной, поднимают еще на 50 градусов и отжиг продолжают в течение 2 часов, при закрытых и открытых заслонках.
Камера считается подготовленной к работе, если при номинальной рабочей температуре всех конструктивных элементов давление остаточной атмосферы в рабочей камере остается ниже требуемого уровня. Таблица 4 иллюстрирует значения основных параметров установки МЛЭ "Цна-9", применительно к различным режимам: дежурному (рабочее состояние установки между проведением технологических процессов) и рабочему (проведение технологических процессов эпитаксиального роста слоев).
