Перераспределение примесей при эпитаксии

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем необходимо получать эпитаксиальные слои с различной концентрацией примеси (от 10²⁰ до 10¹⁵ см^–3) и различными градиентами концентрации. При эпитаксиальном наращивании в принципе могут быть получены любые концентрационные профили при условии точной дозировки примеси в газовой фазе.

Однако достижению больших градиентов концентраций примеси в пленке могут препятствовать диффузия и автолегирование. Особенно существенны эти процессы в том случае, когда эпитаксиальные слои наращиваются на подложке противоположного типа проводимости или с высокой концентрацией легирующей примеси. В таком случае некоторое количество этой примеси переносится в растущий эпитаксиальный слой на начальных стадиях процесса, когда наряду с осаждением кремния на подложке возможно частичное испарение. Травление также приводит к испарению примеси и загрязнению ею окружающей среды. На последующих этапах эпитаксиального процесса эти загрязнения могут стать дополнительным источником примеси.

В свою очередь, примесь, легирующая эпитаксиальную пленку, может проникать в подложку. При эпитаксиальном наращивании, таким образом, имеет место обмен примесями между газообразной и твердой фазами, что приводит к перераспределению примесей в эпитаксиальном слое.

Если тип проводимости в пленке и подложке различен, вблизи границы пленка–подложка создается р-n-переход.

Использование эпитаксии в современных кмоп ис фирмы Intel Corp.

Фирма Intel Corp усовершенствовала процесс эпитаксии при разработке МОП- и КМОП-транзисторов в 65 нМ технологическом процессе.

На легированные соответствующими примесями области кремния в местах формирования каналов МОП-транзисторов с помощью ионно-лучевой эпитаксии локально наносится слой SiGe толщиной до 10 нм. Затем на поверхности слоя SiGe наращивается эпитаксиальный слой чистого кремния толщиной к нм. Путем термического окисления верхней части пленки Si в сухом кислороде формируют подзатворный слой SiO₂ толщиной 1,2 нм.

Вследствие того, что постоянная кристаллической решетки SiGe больше, чем у Si, слой кремния испытывает механическое растягивающее усилие по двум координатам. Было обнаружено, что подвижность носителей в этом напряженном слое кремния выше, чем в обычном. Например, если содержание Ge в слое SiGe составляет 30%, то подвижность электронов в напряженном слое кремния n-канального МОП-транзистора увеличивается примерно на 89%. Что касается подвижности дырок в р-канальных МОП-транзисторах, то здесь структурная композиция канала работает следующим образом. Между Si и SiGe образуется гетеропереход, который представляет собой потециальную яму для дырок. Концентрация дырок в ней оказывается больше, чем на границе раздела Si–SiO₂. Поэтому ток канала обеспечивается током дырок в SiGe, где их подвижность выше.

Хочется особо отметить, что механические напряжения в структурах полупроводниковых интегральных схем всегда относили к дефектам структуры и всячески старались если не исключить полностью, то, во всяком случае, максимально снизить. Здесь же «дефект структуры» используется для улучшения электрофизических свойств структуры. Согласно данным корпорации Intel, применение «напряженного» кремния обеспечило 30-процентное увеличение частоты переключения транзисторов без увеличения их тепловыделения.

13