Введение к работе
Актуальность проблемы. Осаждение тонких неорганических пленок из газовой фазы является ключевым процессом многих технологий, включая изготовление микросхем, оптических и магнитных записывающих устройств, оптических приборов, других элементов современной техники. Толщина осаждаемых пленок колеблется от нескольких нанометров в активном слое оптических квантовых генераторов, до десятков микрон при нанесении изолирующих защитных покрытий.
Нитрид кремния является одним из важнейших материалов в производстве полупроводниковых приборов. Еленки нитрида кремния широко используются в производстве интегральных микросхем в качестве диэлектрика и изолирующего покрытия. Постоянное уменьшение характерных размеров элементов интегральных схем предъявляет все более строгие требования к составу и структуре гонких пленок. Одним из основных способов получения тонких пленок нитрида кремния является осаждение из газовой фазы. Наиболее распространенным является осаждение из смеси силана или его хлоропроизводных и аммиака. В последнее время наибольший интерес представляет процесс осаждения нитрида кремния из дихлоросилана (SfflkCb) и аммиака, позволяющий достичь высоких скоростей роста при минимальном содержании примесей.
Очевидно, что без знания детального механизма процессов в газовой фазе и на поверхности растущей пленки, практически невозможно эффективно управлять и оптимизировать данный технологический процесс. С другой стороны, постоянное уменьшение толщины осаждаемых пленок требует детальной информации о структуре и составе на атомарном уровне.
В виду исключительной сложности процессов химического осаждения из газовой фазы, прямое экспериментальное определение характеристик, как самого процесса, так и его отдельных стадий оказывается практически невозможным. Поэтому, в последнее время, все больший интерес вызывают попытки описания осаждения тонких пленок из газовой фазы на основе теоретического моделирования всех процессов, происходящих в реакторе.
Целью данной работы являлась разработка химического механизма процесса CVD нитрида кремния из дихлоросилана и аммиака и построение интегрированной модели всего процесса с минимальной опорой на экспериментальные данные.
Данная задача была подразделена на четыре основных этапа. Первым этапом была разработка детального химического механизма, позволяющего моделировать процессы в газовой смеси дихлоросилана и аммиака в широком диапазоне температур и давлений. Здесь под химическим механизмом понимается набор элементарных химических реакций и соответствующие константы скоростей.
Следующим необходимым шагом было исследование процессов на поверхности растущего нитрида кремния, непосредственно ведущих к росту пленки. Основной задачей данного этапа было выделение ключевых элементарных поверхностных процессов и определение их характеристик.
Третий этап был посвящен исследованию газофазной кинетики в рабочей камере реактора. На основании результатов первого этапа был окончательно сформулирован и проверен, на основе имеющихся результатов экспериментальных и теоретических исследований, химический механизм, адекватно воспроизводящий поведение системы в характерном для CVD нитрида кремния диапазоне температур и давлений.
Заключительным этапом являлось построение статистической модели осаждения пленки нитрида кремния из газовой фазы, позволяющей определить макроскопические характеристики процесса.
Научная новизна заключается в проведении достаточно полного исследования ключевых элементарных процессов в ходе осаждения пленок нитрида кремния из дихлоросилана и аммиака и определении их характеристик. Впервые получены самосогласованные характеристики процесса, такие как энергетические характеристики элементарных газофазных реакций, константы скоростей газофазных реакций, энергетические и структурные характеристики поверхностных процессов. Построен химический механизм, позволяющий адекватно описать процессы в газовой фазе в характерном для осаждения нитрида кремния диапазоне температур и давлений. Построена стохастическая модель осаждения нитрида кремния, позволяющая определить качественные характеристики образующейся пленки на основе полученной информации об элементарных процессах в газовой фазе и на поверхности.
Практическая ценность состоит в разработке химического механизма процесса осаждения нитрида кремния из газовой фазы и определении его характеристик а так же в построении модели, позволяющей объединить результаты квантово-химических расчетов и исследования газофазной кинетики и получить детальную информацию о структуре и составе образующейся пленки.
Апробация работы. Результаты, представленные в работе, были доложены на конференции Европейского Материаловедческого Общества (Страсбург, 1999) (European Materials Research Society 1999 Spring Meeting's, Symposium L) и на 5-ом всемирном конгрессе химиков-теоретиков, Лондон 1999 (5th World Congress of Theoretically Oriented Chemists, Imperial College, London, UK 1-6 August 1999), а также обсуждались на семинарах лаборатории ММФТПМЭ
ФТИ РАН. По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работы (список помещен в конце автореферата).
Структура и обьем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, а также двух приложений - перечня таблиц и рисунков. Общий объем работы составляет 101 страницу. В работе имеется 19 рисунков и 26 таблиц. Список цитируемой литературы включает 89 наименований.
