Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор и постановка задачи исследований 10
1.1. Обзор методов получения кремниевых структур с объемными элементами 10
1.2. Обоснование выбора технологического метода 16
1.3. Анализ известных способов ЖЭГТ кремния с использованием дискретных зон 18
1.4. Аппаратурное оформление способов ЖЭГТ кремния на основе дискретных зон 30
1.5. Постановка задачи исследований 35
Выводы 37
2. Исследование и разработка способов формирования дискретных зон в кремниевых подложках 39
2.1. Общие замечания 39
2.2. Исследование причин невоспроизводимого формирования дискретных зон методом избирательного смачивания 39
2.3. Способ формирования дискретных зон избирательным смачиванием подложки бинарными расплавами А1Ме 52
2.4. Способ формирования зон из тонкого вертикального слоя раствора - расплава 58
2.5. Оптимизация обработки поверхности кремния перед формированием дискретных зон 60
2.6. Обоснование применения предложенных способов и технологические схемы их реализации 68
Выводы 71
3. Исследование основных закономерностей ЖЭГТ кремния с использованием дискретных зон 72
3.1. Общие замечания 72
3.2. Исследование особенностей кинетики трехкомпонентных дискретных зон на основе алюминия в кремнии 73
3.3. Исследования особенностей кинетики жидкофазной эпитаксии кремния из тонкого вертикального слоя раствора-расплава 83
3.4. Разработка и исследование способа стабилизации траектории дискретных зон в кремнии 89
3.5. Особенности ЖЭГТ кремния с переменным градиентом температуры 93
3.5.1. Теоретические исследования миграции тонких зон 93
3.5.2. Особенности кинетики дискретных зон при ЖЭГТ кремния с переменным градиентом температуры 98
3.6. Общие требования к технологическому процессу и схемы операций ЖЭГТ кремния с дискретными зонами 101
Выводы 107
4. Разработка высокопроизводительного термического оборудования для ЖЭГТ с дискретными зонами 108
4.1. Общие замечания 108
4.2. Разработка термического модуля для формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек 109
4.3. Разработка термического модуля для эпитаксиального наращивания 115
4.3.1. Конструкция шестипозиционного нагревательного устройства для миграции дискретных зон 115
4.3.2. Компьютерное моделирование теплового поля резистивного излучателя тепла 117
4.3.3 Разработка нагревающего устройства для ЖЭГТ цилиндрического типа с осевой симметрией 126
Выводы 128
5. Свойства локальных эпитаксиальных каналов, структур с объемными элементами и приборов на их основе 131
5.1. Общие замечания 131
5.2. Экспериментальные исследования электрофизических свойств эпитаксиальных каналов и прилегающих областей исходного кристалла 131
5.2.1. Кристаллическое совершенство структур с объемными элементами 132
5.2.2 Исследование зависимости концентрации легирующих примесей в эпитаксиальных каналахот условий их формирования 139
5.3. Электрические свойства кремниевых структур с объемными элементами и приборов на их основе 141
5.3.1. Структуры с разделительными р+ областями для силовых полупроводниковых приборов на токи до 100 Л 141
5.3.2. Структуры для солнечных батарей, работающих в условиях широких диапазонов освещенности и температуры 145
5.4. Перспективы применения разработанной технологии для создания трехмерных БИС и силовых ИС 149
Выводы 152
Общие выводы 153
Список литературы 154
Приложения 170
- Анализ известных способов ЖЭГТ кремния с использованием дискретных зон
- Исследование причин невоспроизводимого формирования дискретных зон методом избирательного смачивания
- Исследование особенностей кинетики трехкомпонентных дискретных зон на основе алюминия в кремнии
- Разработка термического модуля для формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в полупроводниковой электронике выявлен ряд проблем, решение которых традиционными технологическими методами затруднено или невозможно по принципиальным соображениям. Эти проблемы, обусловленные, главным образом, использованием только приповерхностных областей исходной подложки, имеют место в технологических процессах изготовления как микроэлектронных схем (ИС), так и дискретных полупроводниковых приборов.
Так, неизбежным следствием планарной технологии получения ИС является использование более 96% полупроводникового материала в подложке лишь в качестве механического опорного слоя. Это приводит к недоиспользованию для полезных целей объема и тыльной поверхности подложки, к дополнительным трудностям в организации межэлементной разводки и к усложнению пространственной компоновки ИС, а также применению контактов, затеняющих часть фоточувствительных элементов и матриц полупроводниковых источников энергии.
Многие технологические проблемы создания и получения дискретных полупроводниковых приборов также были бы сняты или существенно ослаблены при наличии конкурентоспособного технологического метода, позволяющего создавать активные элементы в объеме кристалла. К таким приборам относятся стабилитроны и диоды различного назначения, стабис-торы, варикапы, кремниевые фотоэлектропреобразователи (ФЭП), тензодатчики и датчики температуры, полевые транзисторы и др. При этом, наряду с новыми возможностями в конструировании этих приборов, формирование активных р-п переходов в областях кристалла, не затронутых механической обработкой и не подверженных влиянию различных поверхностных эффектов, позволило бы приблизить к теоретическим значения электрических параметров приборов, повысить их стойкость к воздействию различного рода внешних факторов.
Отмеченные выше проблемы могут быть в значительной степени преодолены при использовании в технологии получения базовых структур ИС и дискретных приборов метода жидкофазной эпитаксии в поле температурного градиента (ЖЭГТ) на основе зон линейной и точечной форм. Этот метод позволяет получать как многослойные структуры, так и структуры со встроенными в объем кристалла каналами цилиндрической, трубчатой и других форм. При использовании подходящих растворителей миграция жидких дискретных зон в кристалле осуществляется при сравнительно невысоких температурах (900-1200 С) со скоростью 50-500 мкм/ч, направление движения зон в кристалле определяется градиентом температуры, концентрация вводимой в кристалл примеси регулируется в широких пределах составом и размером жидких зон.
В последние годы предприняты неоднократные попытки применить метод ЖЭГТ на основе дискретных зон для решения ряда задач полупроводниковой фотоэнергетики и силовой полупроводниковой электроники. Апробация данных разработок в промышленных условиях показала актуальность постановки задачи по созданию и исследованию основ универсальной технологии, обеспечивающей приемлемый процент выхода годных структур, высокую производительность и энергетическую эффективность. Вместе с тем практический интерес это предложение может вызвать только при наличии методики воспроизводимого процесса ЖЭГТ на тонких дискретных зонах размером в несколько микрометров. Для разработки такой технологии недостаточно изученными оказались процессы формирования дискретных зон уменьшенных геометрических размеров на поверхности кристалла, стадия их погружения в кристалл, процессы, влияющие на стабильность движения дискретных зон в кристалле.
Актуальной является также и задача создания высокопроизводительного оборудования для реализации метода ЖЭГТ. Известное оборудование для миграции дискретных зон не удовлетворяет условиям серийного производства, что затрудняет освоение метода ЖЭГТ на перспективных направлениях.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка физико-металлургических основ технологии получения кремниевых приборных структур с объемными элементами методом ЖЭГТ, обеспечивающей приемлемый процент выхода годных приборных структур при высокой производительности процесса.
Для достижения поставленной цели необходимо:
Исследовать процессы формирования дискретных зон избирательным смачиванием зонообразующим расплавом поверхности кремниевой подложки, выявить причины невоспроизводимости этого процесса и условия их устранения.
Разработать эффективные методики воспроизводимого нанесения материала тонких жидких дискретных зон на поверхность подложки.
Исследовать основные закономерности кинетики ЖЭГТ кремния на основе тонких дискретных зон.
Исследовать причины траекторной нестабильности миграции дискретных зон. Разработать методики, обеспечивающие стабильную миграцию дискретных зон в кремнии.
Определить принципы конструирования и разработать высокопроизводительное термическое оборудование для получения кремниевых структур с объемными элементами методом ЖЭГТ.
Исследовать кристаллическое совершенство и электрофизические
свойства формируемых эпитаксиальных каналов, локальных р+ областей,
n-p+-n структур и приборов на их основе. Научная новизна работы:
1. Предложена модель процесса формирования жидких дискретных
зон, учитывающая влияние температурно-временных режимов процесса на
воспроизводимость смачивания кремния расплавом алюминия через окис
ную маску и локальное диффузионное растворение кремния в жидком алю
минии. Выявлена корреляция между коэффициентом поверхностного натя
жения зонообразующего материала на границе кристалл-расплав и шири
ной вскрытого окна в окисном слое, что позволило обосновать применение
ряда металлов Периодической системы в качестве добавок в зонообразую-
щий материал.
2. Исследовано влияние микрорельефа поверхности кремния перед
стадией формирования тонких дискретных зон на воспроизводимость про
цесса. Найдены оптимальные параметры микрорельефа поверхности крем
ниевой подложки, при которых достигается ее наилучшее смачивание жид
ким металлом.
Впервые обнаружен и исследован эффект стабилизации процесса миграции дискретных зон в кристалле под действием пространственной локализации теплового потока, что позволило разработать новый подход повышения устойчивости миграции дискретных зон.
Выполнен анализ влияния на скорость миграции тонких дискретных зон пороговости кинетических процессов на межфазных границах дискретной зоны, на основании которого предложена методика применения переменного температурного градиента в подложке при ее вращении, обеспечивающая увеличение скорости и стабильности миграции тонких дискретных зон.
Разработаны научные основы технологического процесса изготовления объемных эпитаксиальных каналов и областей методом ЖЭГТ, позволяющего повысить воспроизводимость и улучшить качество структур.
Практическая значимость. В работе предложены и разработаны:
способы воспроизводимого формирования дискретных зон, основанные на использовании малых добавок Ga и Sc в зонообразующий материал (патент N2026895 от 20.01.95 и А.с. N1669332 от 22.01.91);
способ управления траекторией дискретных зон локализацией теплового потока в полупроводниковой подложке кремния, обеспечивающий высокую траєкторную стабильность процесса термомиграции жидких зон (А.с. N 1653480 от 11.07.89);
конструкции формирователя дискретных зон роторного типа и нагревающего устройства цилиндрического типа с осевой симметрией для термомиграции.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модель процесса формирования дискретных зон применима: а) для нахождения критического значения ширины вскрытого окна г, ниже которого получить дискретную зону с воспроизводимыми параметрами не возможно; б) для определения взаимосвязи глубины проникновения зонооб-разующего материала в кристалл с температурно-временными режимами процесса избирательного смачивания.
Введение добавок Ga и Sc, снижающих коэффициент поверхностного натяжения зонообразующего расплава на основе А1, позволяет: а) улучшить смачивание поверхности кремния раствором-расплавом; б) уменьшить критическое значение ширины вскрытого окна г; в) снизить температуру процесса формирования дискретных зон; г) обеспечить необходимую стойкость маскирующего покрытия к образованию проколов.
Предложена методика струйно-абразивной обработки поверхности подложки, обеспечивающая оптимальные параметры ее микрорельефа
(ш ероховатость поверхности 0 ,1< R < 0,2 МКМ И Шубину НаруШЄННОГО СЛОЯ
h < 5 мкм) для воспроизводимого формирования тонких дискретных зон.
Обнаруженный эффект гарантированного подавления траекторией нестабильности процесса термомиграции дискретных зон при локализации теплового потока в местах дополнительной жидкой прослойки на тыльной поверхности подложки.
Применение импульсного вращения подложки относительно нагревающей поверхности с частотой 1-2 Гц и скважностью 2-4 позволяет при постоянной средней температуре процесса повысить скорость миграции тонких дискретных зон в 3-4 раза, а также их деформационную и траєкторную стабильность, относительно стационарного режима ЖЭГТ.
Результаты исследования характеристик п-р+-п структур с объемными эпитаксиальными областями и приборов на их основе, изготовленных с помощью ЖЭГТ.
Основы технологии и термическое оборудование для получения кремниевых структур методом ЖЭГТ.
Реализация результатов работы. Выполненные в диссертационной работе исследования связаны с госбюджетной и хоздоговорной тематикой кафедры физики ЮРГТУ (НПИ), направленной на решение поисковых и прикладных научно-исследовательских работ для ряда промышленных предприятий и научно-исследовательских институтов.
Технологический процесс изготовления кремниевых п-р+-п структур и термическое оборудование для его реализации использованы в серийном производстве мезастеклопассивированных диодных "чипов" в ООО "Элемент-Преобразователь" (Украина, г. Запорожье) и фотоэлектрических преобразователей ОАО "Сатурн" г. Краснодар. Результаты настоящих исследо-
ваний представляют практический интерес для ГНПП НЗПП с ОКБ (г. Новосибирск), АООТ ВЗПП (г. Воронеж), ЗАО "Транзистор" (Армения, г. Ереван) и других предприятий специализирующихся на выпуске полупроводниковых приборов, ИМС и СИС, в которых могут найти применение структуры с объемными р+-областями и каналами.
Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ЮРГТУ(НПИ) при подготовке студентов по специальности 200200 "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на объединенных научных семинарах проблемной лаборатории микроэлектроники, ОНИЛ "Микрометаллургии полупроводников", НИЛ "Кристалл" и кафедры физики ЮРГТУ(НПИ), научно-практических конференциях ученых ЮРГТУ(НПИ); III Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления развития конструирования, технологии и исследования силовых полупроводниковых приборов" (г. Москва, 1991); научно-практическом семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (г. Санкт-Петербург, 1991); молодежной научной конференции "XXI Гагаринские чтения" (г. Москва, 1995); Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г. Москва, 1994); международной научно-технической конференции "Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники" (г. Егорьевск, 1995); I, II, III, IV и V Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (г. Таганрог, 1994-1998).
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 31 печатная работа, в числе которых 2 авторских свидетельства на изобретение, 1 патент РФ, 12 статей, включая 2 в центральных научных журналах, которые написаны в соавторстве и изложены в диссертационной работе (ссылки 121-151 в списке литературы). Материалы диссертации использовались в 5 отчетах о НИР.
Диссертационная работа выполнена под научным руководством доктора физико-математических наук, профессора Лозовского В.Н., который поставил задачи исследования и руководил работой на всех этапах.
По тематике диссертации автором лично выполнено следующее: построена модель процесса формирования дискретных зон; разработаны алгоритмы и составлены программы на языке Pascal для реализации компьютерного моделирования процесса локального диффузионного растворения кремния в жидком алюминии в процессе формирования дискретных зон, а также теплового поля, создаваемого градиентным резистивным нагревателем. Проведены экспериментальные исследования основных закономерностей ЖЭГТ кремния с использованием дискретных зон. Сконструированы и
изготовлены два термических модуля для ЖЭГТ.
При содействии Балюка А.В. проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования и термомиграции тонких зон, разработаны конструкции роторного формирователя жидких дискретных зон и цилиндрического градиентного нагревателя с осевой симметрией. Соавторы публикаций Балюк А.В., Князев С.Ю., Константинова Г.С. и Середин Б.М. принимали участие в постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав (с аннотацией и выводами по каждой главе), общих выводов, списка цитируемой литературы из 185 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 172 страницах, включая 95 рисунков и 1 таблицу.
В первой главе анализируются достоинства и недостатки традиционных методов полупроводниковой технологии получения кремниевых структур с объемными элементами. Обоснован выбор метода ЖЭГТ, как объекта исследования, разработки и использования в технологии получения полупроводниковых приборных структур и практического применения в настоящей работе.
Во второй главе исследуется механизм формирования узких (30-50 мкм) дискретных зон различной конфигурации на поверхности полупроводниковой подложки методом избирательного смачивания, включая все стадии этого процесса.
В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований особенностей кинетики ЖЭГТ двух- и трехкомпонентных жидких зон на основе кремния, стабильности их миграции в объеме кристалла, а так же рассмотрены пути интенсификации процесса термомиграции тонких зон с применением нестационарного режима его реализации.
Четвертая глава содержит материалы разработки аппаратурного обеспечения процессов формирования дискретных зон в кремнии и их термомиграции в поле температурного градиента.
В пятой главе приводятся электрофизические свойства формируемых эпитаксиальных каналов (областей), структур и приборов на их основе.
Приложения содержат материалы, касающиеся промышленного освоения результатов диссертационных исследований.
Анализ известных способов ЖЭГТ кремния с использованием дискретных зон
За более чем 40 лет исследований и применения метода ЖЭГТ были предложены и использованы разные способы проведения технологических процессов ЖЭГТ, позволяющие в каждом конкретном случае добиться успешного формирования структур с требуемой геометрией объемных элементов и их электрофизическими свойствами при высокой воспроизводимости результата. Этим объясняется большое количество способов ЖЭГТ и вариантов названий метода, среди которых основополагающим является метод кристализации из движущегося растворителя [89, 115], в литературе встречаются также зонная плавка [38]; зонная плавка с градиентом температуры [39, 92, 107]; эпитаксиальное наращивание в поле температурного градиента [36]; термомиграция [67, 69-86]; жидкостная эпитаксия с градиентом температуры [35]; зонная перекристаллизация градиентом температуры [40, 87,110].
При реализации метода ЖЭГТ на рабочую сторону кремниевой пластины локально наносят металл-растворитель (см. рисунок 1.5, а), нагревая пластину, создают в ней градиент температуры. Образованная в месте контакта растворителя с кремнием жидкая зона перемещается в направлении более горячей стороны пластины (см. рисунок 1.5, б). Процесс ЖЭГТ протекает за счет растворения атомов кремния на горячей стороне расплавленной зоны АСВ, диффузионного переноса их через эту зону и осаждения на холодной стороне зоны АДВ. Процесс формирования объемных структур методом ЖЭГТ заканчивается последующей дополнительной обработкой поверхностей пластины, после чего пластина пригодна для использования на любых последующих стадиях изготовления как и исходная подложка (см. рисунок 1.5, в). Электрофизические свойства слоев и их структурное совершенство определяются типом зонообразующего материала. При этом применяемые материалы должны не только смачивать и растворять друг друга в интервале температур от 700 до 1300 С, но их фазовые диаграммы должны содержать линии ликвидуса, спадающие с уменьшением концентрации кристаллизующегося компонента. Для роста слоев р+ типа проводимости используется растворитель из элементов третьей группы Периодической системы: алюминий, галлий и бор. Алюминий благодаря низкому давлению паров, высокой растворимости в кремнии и электрической активности является наиболее удобным и дешевым материалом. Бору для удовлетворения требованиям, предъявляемым к зонообразующему материалу, необходимо разбавление в электрически нейтральном металле-растворителе, что значительно усложняет технологию ЖЭГТ.
Этапы ЖЭГТ включают целый комплекс технологических опера ций: предварительная подготовка подложек (механическая и химическая обработка поверхности); нанесение металла-растворителя на поверхность полупроводниковой подложки; миграция жидких зон в объеме кристалла; удаление с поверхности подложки продуктов миграции после выхода зоны; подготовка поверхностей подложки для проведения дальнейших операций.
Конструкторско-технологические особенности известных способов ЖЭГТ определяются, как правило, методикой получения дискретных зон на поверхности подложки, так как от нее во многом зависит характер движения жидкой зоны в объеме кристалла на стадии миграции. В настоящее время именно стадия формирования, являясь слабым звеном в технологии по методу ЖЭГТ, определяет существующий диапазон геометрических размеров дискретных зон. В этой связи является актуальным проведение анализа известных способов формирования алюминиевых дискретных зон на поверхности кремниевой подложки с целью поиска подходов, обеспечивающих повышение разрешающей способности метода ЖЭГТ.
Способ на основе дискретных зон, полученных из навесок зонообра-зующего материала, является одним из первых способов формирования структур с объемными элементами [38, 39]. На рабочей поверхности кремниевой пластины механическим способом или локальным химическим травлением создают глубокие пазы (30-50 мкм). Далее приступают непосредственно к процессу формирования зон на поверхности подложки, для чего в подготовленные углубления закладывают алюминий в виде отрезков фольги или проволоки. После этого композицию помещают в вакуумную градиентную печь, где и проводят процесс ЖЭГТ. Способ ЖЭГТ на основе дискретных зон, полученных из навесок зонообразующего материала, оказывается абсолютно непригодным в условиях массового производства и может использоваться только при лабораторных исследованиях метода ЖЭГТ, как наиболее простой и дешевый [88].
Известны способы формирования дискретных зон на поверхности кремниевых пластин термическим испарением металла-растворителя в вакууме [67]. Для получения заданной конфигурации металла на поверхности подложки используются несколько приемов: напыление с помощью магнитных масок [91]; сошлифовка избыточного материала; фотолитографические методы, в том числе обратная фотолитография [40]. К достоинствам способа получения дискретных зон термическим испарением металла в вакууме следует отнести широкий диапазон формы и конфигурации дискретных зон, хорошую адгезию алюминия с кремнием в углублениях, обусловленную нанесением конденсата металла на поверхность кристалла в атомарном виде и, что следует особо отметить, его высокую производительность. Способу присущи и недостатки, проявляющиеся в загрязнении материала зон инородными включениями оксидов алюминия и кремния, абрази ва, фоторезиста, которые могут привести к возникновению нестабильности движения жидкой зоны, снизить качество эпитаксиальных областей и воспроизводимость результатов при ЖЭГТ. Весьма проблематично использование способа для получения узких зон из-за наличия "теневого эффекта" [40]. Кроме того, при уменьшении размеров зон наблюдается невоспроизводимость их погружения на стадии миграции, объясняемая быстрым испарением металла до его погружения в кристалл [92]. Таким образом, метод формирования дискретных зон термическим испарением в вакууме имеет определенные ограничения, которые снижают конкурентоспособность способа применительно к разрабатываемому технологическому процессу [90]. С учетом сложности и громоздкости напылительных установок и невысокого процента использования напыляемого материала заслуживает внимания способ, основанный на капиллярном растекании расплава металла [93-95]. Процесс получения алюминиевых зон в приповерхностном слое кремниевой подложки включает подготовительные операции: изготовление линейных пазов и крепление навесок алюминия на концах углублений методом термокомпрессионной сварки (см. рисунок 1.6, а), обеспечивающей удовлетворительную свариваемость алюминия и кремния с образованием низкотемпературной эвтектики. Далее, композицию устанавливают в графитовую кассету и помещают в вакуумную печь, где при подъёме температуры алюминий плавится и, растекаясь вдоль углублений, заполняет их зо-нообразующим материалом (см. рисунок 1.6, б). Следует отметить, что помимо улучшения качества сплавления и экономии сверхчистых металлов, способ позволяет совместить стадию формирования жидкой зоны с процессом термомиграции в одном технологическом цикле. Однако известно [40], что процесс капиллярного растекания металла вдоль линейного углубления
Исследование причин невоспроизводимого формирования дискретных зон методом избирательного смачивания
Рассмотрим исходную схему способа формирования дискретных зон избирательным смачиванием. Для эксперимента использовались полированные кремниевые монокристаллические пластины марки КЭС 0,01, КЭФ 0,07, ЭКЭФ 20, ориентированные по кристаллографической плоскости {111}, толщиной 450-г500 мкм и диаметром 60 мм. На пластинах получали защитную маску оксида кремния толщиной 0,8-4-1,2 мкм методом термического окисления в потоке кислорода и водяного пара. В окисной пленке изготавливали методом фотолитографии серии линейных окон шириной от 15 до 70 мкм с шагом 5 мм, длиной 45 мм. Затем подложку соприкасали с расплавленным алюминием. Во время контактирования жидкий металл смачивал поверхность кремния в окнах защитной маски, растворяя кристалл и заполнял полученное углубление. Процесс смачивания проводили в диапазоне температур 700-4-900 С, скорость протяжки изменяли в пределах 15-4-20 мм/с. Качество операции формирования дискретных зон оценивали как по внешнему виду, так и с применением металлографического анализа. После процесса смачивания на полученных структурах изготавливали поперечные шлифы. Для этого подложки разрезались по диаметру перпендикулярно сформированным линейным зонам, торцы подложки на месте раскроя шлифовали микропорошками М20, М10, М5 и полировали алмазной пастой, затем травили в кислотном травителе HF:HN03 в пропорциях 1:2 в течение 12 с для выявления профиля линейных зон. Далее на металлографическом микроскопе исследовали форму профиля зон, измеряли их ширину и толщину.
Экспериментальные исследования показали, что на стадии формирования дискретных зон при уменьшении их линейных размеров до 50 мкм во всем диапазоне рабочих температурах имеет место невоспроизводимость результатов, проявляющаяся в наличии дефектов формирования. К таковым относят разрывы и неоднородность толщины дискретной зоны; несмочен-ные участки вскрытых окон; наличие в маскирующем покрытии проколов, содержащих микрозоны (см. рисунки 2.1 и 2.2).
В результате экспериментальных исследований нами было выявлено, что обнаруженные дефекты формирования жидких зон оказывают существенное влияние и на процессы их миграции в объеме подложки. Так, при движении указанных зон в поле температурного градиента возрастает вероятность проявления различного вида нестабильностей (см. п 1.3), приводящих в общем случае к отстановке отдельных зон в глубине кристалла или снижения их скорости; разрыву жидких линейных зон на части; отклонению от заданного направления.
С целью лучшего понимания техники процесса формирования дискретных зон и оценки процессов, протекающих в рассматриваемой системе, рассмотрим теоретические аспекты избирательного смачивания. Примем, что процесс образования дискретной зоны развивается в четыре этапа: первый, - смачивание жидким алюминием поверхности кремниевой подложки в окнах защитной маски; второй, - локальное растворение кремния в большом количестве жидкого алюминия с образованием углубления в кристал ле; третий, - заполнение с дополнительным растворением стенок полученного углубления жидкой фазой равновесной концентрации растворителя и вещества кристалла и четвертый, - рекристаллизация из расплава Al-Si атомов кремния.
Рассмотрим качественно, что будет происходить в системе после разогрева загрузки (дюзы с зонообразующим материалом и подложек). В резервуаре дюзы жидкий расплав растворителя, вытекая из щели, образует мениск. Во время прохождения пластины под мениском он изменяет свою форму, вследствие соприкосновения с защищенной поверхностью подложки. Заканчивается первый этап контактом расплава с кремнием во вскрытом окне. Второй этап динамический, скоротечный, за время которого расплав контактирует с кремнием. При контактировании жидкого растворителя с подложкой происходит растворение материала подложки через вскрытые окна. Этап сопровождается диффузионным переносом атомов кремния через растворитель с равномерным распределением по его объему. Одновременно с растворением вытравленные участки подложки заполняются металлом растворителем. На третьем этапе непрерывная подпитка растворителя прекращается. Металл, попавший в углубление, дополнительно растворяет стенки углубления и образовывает жидкую фазу равновесного состава в соответствии с фазовой диаграммой Al-Si. После заполнения углубления расплавом Al-Si равновесной концентрации, движение прекращается и наступает четвертый, заключительный этап - происходит рекристаллизация кремния из жидкой фазы при снижении температуры.
Для упрощения теоретического анализа основных закономерностей процесса избирательного смачивания рассмотрим раздельно процессы смачивания расплавом вскрытых окон в маскирующем покрытии на поверхности кремниевой подложки и диффузионного локального растворения кремния в жидком алюминии. На первом этапе формирования во время протяжки подложки под мениском жидкого алюминия на поверхность подложки давит столб жидкости равный ее высоте в дюзе. Такое давление необходимо для обеспечения надежного соприкосновения расплава алюминия с поверхностью кремния в окне защитной маски, так как локальный участок находится в углублении на толщину защитной маски. При переходе при формировании на меньший размер окна в защитной маске требуется большее давление жидкости, чем и объясняется наличие разрывов и несмоченных участков.
Для выяснения влияния условий смачивания на воспроизводимость формирования дискретных зон попытаемся оценить процессы, протекающие в рассматриваемой системе с привязкой к конкретной схеме композиции (см. рисунок 2.3) и выбранному металлу-растворителю. При формировании физической модели избирательного смачивания введем следующие упрощающие предположения: 1) высота расплава Н в дюзе значительно превосходит толщину маскирующего покрытия h ; 2) жидкость несжимаема, т.е. ее плотность р зависит только от температуры; 3) вскрытое окно шириной L„ имеет прямоугольные стенки, не смачиваемые расплавом; 4) влияние силы тяжести определяется величиной гидростатического давления Ргс = Р8 о; р - плотность расплава; g - ускорение свободного падения; 5) необходимым условием формирования считается контакт мениска расплава высотой 8 с твердой поверхностью кремния в основании вскрытого окна, т.е 8 h .
Рассмотрим исходную композицию (см. рисунок 2.3). Жидкий расплав под действием гидростатического давления стремится проникнуть в пору. Поскольку расплав плохо смачивает стенки вскрытого окна, то поверхность жидкости после соприкосновения с окном в маске искривляется и образуется выпуклый мениск высотой 8, при этом возникает отрицательное
Исследование особенностей кинетики трехкомпонентных дискретных зон на основе алюминия в кремнии
Как было показано во второй главе в качестве добавок в зонообразу-ющий материал в системе Si-Al рекомендовано использовать металлы Ga и Sc. Такой выбор сделан исходя из того, что Ga - акцепторная примесь, растворимость которого несколько превышает растворимость А1 в твердом кремнии и имеет более низкий коэффициент распределения, что весьма важно при формировании структур с объемными р+ областями. Особо следует отметить тот факт что, Ga широко применяется в полупроводниковой промышленности [152, 157]. Sc по литературным данным [159, 160] и результатам экспериментальных исследований стадии формирования (см. глава 2) обладает наиболее выраженными поверхностно-активными свойствами из всех перечисленных металлов, поэтому можно ожидать особых результатов при исследовании указанных зависимостей. Эти материалы опробованы на стадии формирования дискретных зон и их использование дало положительные результаты. Далее рассмотрим особенности кинетики ЖЭГТ тройных систем Si-Al-Ga и Si-Al-Sc. Известно [40], что добавки третьего компонента в жидкую фазу могут существенно влиять на скорость миграции зон при ЖЭГТ, изменяя области расположения и характер спада зависимости скорости миграции жидкой зоны от ее толщины v(h).
С достаточной точностью скорость миграции зоны может быть представлена соответствующим соотношением [40]: ный параметр и кинетический множитель, в которых: D - коэффициент взаимодиффузии компонентов в жидкой зоне; dC(/dT - величина, обратная тангенсу угла наклона линии ликвидус используемой системы; G. - градиент температуры в жидкой зоне растворителя; Q и С$ - концентрация кристаллизующегося компонента у более холодной межфазной границы в расплаве и кристалле соответственно; h - толщина жидкой зоны; Д = —, где р, ji и \1р - кинетические коэффициенты, определяющие механизм межфазных процессов на кристаллизующей и растворяющей границах. Для экспериментальной проверки влияния добавок Ga и Sc в жидкую фазу на кинетику дискретных зон проводили сравнения экспериментальных зависимостей v(h) и In vJT1) для бинарной Si-Al и тройных систем Si-Al-Ga и Si-Al-Sc. Процесс термомиграции проводили в диапазоне температур от 900 до 1200 С, градиенте температуры 65 град/см. Температуру задавали и контролировали с помощью специально разработанного блока регулировки температуры на базе ПЭВМ. Точность поддержания тем пературы составляет 0,5 С. Для проведения исследований использовались кремниевые монокристаллические подложки диаметром 60 мм марки ЭКЭФ 20, ориентированные по кристаллической плоскости {111}. Согласно схеме технологического процесса описанного в главе 2 на пластинах формировали серии линейных зон состава Si-Al, Si-Al-Ga и Si-AI-Sc, ширина которых варьировалась в пределах 30- 70 мкм. Процесс термомиграции проводили в вакуумной установке в термическом модуле для эпитакси-ального наращивания (см. 4.4). Особенность термического модуля - возможность проводить одновременно процесс на шести подложках при обеспечении максимально идентичных условия для миграции серий линейных зон различного состава [132]. В зависимости от толщины дискретной зоны продолжительность процесса термомиграции составляла 0,5- 2,0 ч. Скорость миграции линейных зон определяли металлографическим анализом поперечных шлифов (рисунок 3.1) структуры с эпитаксиальными областями с помощью методики, основанной на примесных полосах роста [176]. Погрешность определения скорости миграции не превышала 5 %. Толщину линейной зоны определяли по форме поперечного сечения жидкой фазы на стационарном участке движения. Для этого измеряли расстояние между передним фронтом зоны (закристаллизовавшаяся эвтектика) и фронтом кристаллизации (примесная полоса).
Разработка термического модуля для формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек
Формирование дискретных зон на поверхности кремниевой подложки, как уже неоднократно отмечалось ранее, является одной из важных стадий метода ЖЭГТ с дискретными зонами. Основные требования, предъявляемые со стороны технологии к аппаратурному оформлению стадии, сводятся к обеспечению воспроизводимого формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек. Выращивание тонких (30-70 мкм) сквозных и глубоких каналов в кремнии методом ЖЭГТ предъявляет повышенные требования к стадии формирования дискретных зон на поверхности подложек. Традиционные методики формирования таких зон, основанные на термическом испарении зонообразующего металла, как уже отмечалось в п. 1.3, не обеспечивают воспроизводимость процесса ЖЭГТ.
В ходе выполнения технологических исследований стадии формирования дискретных зон избирательным смачиванием нами разработаны основы технологии, которые базируются на применении новой методики селективного нанесения металла на поверхность подложки непосредственно из расплава зонообразующего материала. При этом появилась уникальная возможность вводить в материал зон активные добавки и задавать температурные условия процесса, обеспечивающие совмещение стадий формирования зон и погружения их в объем кристалла [126].
Для решения поставленной задачи был сконструирован, изготовлен и испытан компактный термический модуль для формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек диаметром 60 мм. Устройство размещается в стандартной вакуумной камере (рисунок 4.1) с системой откачки, управления, электропитания и состоит (рисунок 4.2) из вертикального цилиндрического нагревателя резистивного типа 4 и, собственно, формирователя 6 [143].
На рисунке 4.3 приведена схема конструкции термического модуля. Нагреватель содержит постамент 1, графитовый излучатель тепла 10 и экранную систему 7 и 17. Постамент 1, выполненный из графита марки МПГ - 6 толщиной 15 мм, служит для удержания и придания жесткости всей конструкции. Излучатель тепла 10 представляет собой полый вертикальный цилиндр с замкнутым основанием. Цилиндрическая поверхность набрана из П-образных графитовых плашек 8, соединенных последовательно перемычками из графита 3. Излучатель 10 установлен на графитовую опорную плиту 15 и крепится к ней через изолирующую алундовую керамику. Подвод электроэнергии к излучателю 10 осуществляется через тоководы 2, расположенные в нижней части модуля. Система экранов состоит из корпуса - экрана 7, выполненного из молибденового листа толщиной 1 мм и четырех нижних торцевых молибденовых экранов 17. Пакет торцевых экранов 17 служит для концентрации теплового потока в нижней половине цилиндрического нагревателя, создает асимметрию теплового поля и увеличивает осевой температурный градиент в верхней половине нагревателя. Экраны крепятся между опорной плитой 15 и постаментом 1 посредством трех молибденовых опорных стержней 16 диаметром 10 мм и изолированы между собой алун-довыми втулками (на схеме не показаны). Форма излучателя тепла позволяет легко получить температурный градиент, направленный вниз по оси цилиндра к основанию, и тем самым создать условия для воспроизводимого формирования дискретных зон. Нагревающее устройство обеспечивает максимальную температуру до 950 С в нижней части, при этом значения градиента температуры изменяются от 0 до 20 град/см. Температура в рабочей части нагревателя измерялась термопарами ПП, а оценка градиента проводилась по методике, описанной в работе [116]. Формирователь дискретных зон роторного типа (см. рисунок 4.4) изготовлен из графита МПГ-6 и состоит из следующих функциональных узлов: основание 1; диск с отверстием под кассету с подложкой 2; верхняя крышка 3; загрузочный бункер для кассет с подложками 4; дюза с расплавом зонообразующего материала 5; кассеты с подложками 6; бункер для приема кассет с готовыми подложками 7; шток для вращения диска (на фотографии не показан).
Принцип работы устройства следующий. Для формирования дискретных зон кремниевые подложки, прошедшие полный цикл подготовительных операций и имеющие на своей поверхности маскирующий слой 1 - постамент; 2 - токовод; 3 - графитовая перемычка излучателя; 4 - бункер для приема кассет с готовыми подложками; 5 - вращающийся диск с отверстием под кассету; 6 - верхняя крышка формирователя; 7 - корпус-экран; 8 - П-образная графитовая плашка излучателя; 9 - загрузочный бункер для кассет с подложками; 10 - графитовый излучатель тепла; 11 - дюза с расплавом зонообразующего материала; 12 - кассета с подложкой; 13 - основание формирователя; 14 - шток для вращения диска 5; 15 - опорная плита; 16 - опорный стержень; 17 - пакет торцевых экранов
