Введение к работе
Актуальность темы
Больше полувека назад была предложена пленарная технология изготовления полупроводниковых приборов, открывшая возможность совершенствования технологии получения дискретных приборов с переходом к интегральным схемам. В настоящее время диаметр кремниевых пластин составляет ~300 мм, дальнейшее увеличение связано с технологическими трудностями получения монокристаллических слитков кремния с однородным распределением свойств. Переход на кристаллы большего диаметра требует высоких технологий и является дорогостоящим направлением.
Вместе с тем проводится поиск альтернативных решений с переходом от планарной технологии к приборам непланарной конфигурации. Так, например, компанией "Share" США разработаны и изготовлены полупроводниковые приборы на сферической поверхности диаметром ~ 1 мм III. Разработаны соответствующие методы газофазных процессов и трехмерной фотолитографии. К преимуществам новой технологии компания относит отсутствие необходимости получения больших монокристаллов, их резки, создания рабочих помещений особого класса чистоты и обеспечивает значительное сокращение (1 день вместо 100) длительности изготовления приборов и расхода кремния (в 12 раз); возможность создания непрерывного, полностью автоматизированного производства.
В работах /2-4/ приведены расчетные данные параметрического пре
имущества силовых полупроводниковых выпрямительных диодов и диодов
Шоттки на основе цилиндрической (трубчатой) подложки по сравнению с
приборами, выпускаемыми в промышленных масштабах по существующей
технологии /5-9/. г— —
(
РОС. НАЦИОНАЛ ЬНАЧ '. БИБЛИОТЕКА і
В связи с выше изложенным, непланарная технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем, с возможностью перехода к нанотехнологиям, представляется перспективной областью развития.
Процесс эпитаксиального наращивания с получением структурно совершенных слоев с заданными электрофизическими параметрами и допустимым их отклонением является широко используемым процессом при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Обзор отечественных и зарубежных литературных данных не дал четкого представления о возможности эпитаксиального наращивания на подложки непланарной конфигурации с получением структурно совершенных слоев.
В работе /10/ приведены результаты исследования автоэпитаксиального роста GaAs методом газофазной эпитаксии на сферической поверхности. При различных параметрах процесса обнаружился избирательный рост эпитаксиального слоя по различным кристаллографическим направлениям. Автору не удалось получить равномерной по толщине эпитаксиальной структуры. Данных об эпитаксии кремния на непланарных подложках обнаружено не было.
В связи с выше изложенным, возможность получения эпитаксиальных слоев кремния с равномерным по толщине эпитаксиальным слоем на подложках непланарной конфигурации вызывает ряд сомнений, поскольку монокристаллы кремния также характеризуются существенной анизотропией скорости роста по различным кристаллографическим направлениям.
Целью настоящей работы является изучение возможности получения равномерных по толщине автоэпитаксиальных слоев кремния на подложках цилиндрической формы и выбор параметров процесса, обеспечивающих получение структурно совершенных эпитаксиальных слоев с контролируемыми электрофизическими параметрами.
Для достижения поставленной цели решались следующий комплекс задач:
анализ существующих методов и технологий получения пленарных эпи-таксиальных структур с позиций влияния технологических параметров и особенностей конструкции оборудования на характеристики эпитаксиальных слоев;
математическое моделирование тепловых процессов и явлений массопе-реноса при эпитаксиальном росте кремния в макро- и микрокинетическом режимах;
разработка методики получения непланарных эпитаксиальных структур с заданными характеристиками и оборудования для ее реализации;
разработка методик контроля качества непланарных эпитаксиальных слоев;
исследование влияния параметров процесса эпитаксиального наращивания на свойства непланарных эпитаксиальных структур; проверка адекватности моделирования сравнением результатов проведенных расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
-
Впервые экспериментально доказана возможность роста автоэпитаксиаль-ных слоев кремния равномерной толщины (-11 мкм) на поверхности цилиндрической подложки; полученные непланарные п+-п структуры по основным параметрам соответствуют планарным структурам, применяемым для изготовления силовых выпрямительных диодов Шоттки, и могут быть использованы для их изготовления.
-
Разработана 2-х мерная осесимметричная модель осаждения автоэпитакси-альных слоев кремния в системе SiH» - Н2, учитывающая микрокинетику процесса на подложке, термодинамику и макрокинетику.
3. Проведен анализ тепловых и скоростных полей реактора нового типа для осаждения кремния на цилиндрических подложках, определены оптимальные параметры процесса, обеспечивающие воспроизводимые условия роста, характеризующиеся установившимся ламинарным течением ПГС, постоянным составом парогазовой смеси и температурой в рабочей зоне реакционной камеры.
Практическая ценность работы:
-
Впервые разработана методика получения однородных эпитаксиальных слоев кремния на цилиндрических подложках и создана новая конструкция реактора для ее реализации методом парофазной эпитаксии химическим осаждением в системе SiKLt - Н2 (Ноу-хау № 101-219-2005 ОИС, 100-219-2005 депозитарий МГИСиС).
-
Предложен способ и разработана оснастка для проведения процесса полирования цилиндрической поверхности при подготовке к эпитаксиаль-ному наращиванию с достижением наноразмерной шероховатости поверхности.
-
Создан участок по получению эпитаксиальных слоев кремния на цилиндрических подложках.
-
Разработаны методики контроля основных параметров получаемых не-планарных эпитаксиальных структур (толщины эпитаксиальных слоев, удельного сопротивления и структурного совершенства).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Выбор метода газофазной эпитаксии кремния химическим осаждением в системе SiR» - Н2, как максимально отвечающего требованиям, предъявляемым к непланарным эпитаксиальным структурам - получение тонких эпитаксиальных слоев заданной толщины при минимизации рабочей тем-
пературы процесса - и его математическая модель, учитывающая микрокинетику процесса на подложке, термодинамику и макрокинетику.
-
Разработанная на основе математической модели конструкция реактора нового типа для проведения процесса ПФЭХО в системе SiHt - tfe, обеспечивающая воспроизводимые условия осаждения.
-
Способ предэпитаксиальной обработки подложки с достижением нано-размерной шероховатости (~ 0,5...1,5 нм); для цилиндрических подложек, когда ось образцов совпадает с направлением <111>, шероховатость поверхности не зависит от кристаллографического направления.
-
Методика получения эпитаксиальных структур на подложках цилиндрической формы и оптимальные параметры процесса осаждения, характеризующиеся установившимся ламинарным течением ПГС, постоянным составов и температурой в рабочей зоне реакционной камеры и обеспечивающие получение равномерного структурно совершенного эпитаксиаль-ного слоя кремния на цилиндрической поверхности заданной толщины и удельного сопротивления.
Апробация работы
Материалы работы докладывались на 3-й Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2003» (Москва, 26-30 мая 2003 г.).
По теме диссертации опубликовано 4 статьи.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемых источников, включающих 78 наименований. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка, 13 таблиц и 3 приложения.
Похожие диссертации на Разработка основ технологии получения эпитаксиальных слоев кремния в системе SiH4-H2 на подложках цилиндрической формы
