1

12 Молекулярно-лучевая эпитаксия. Особенности легирования при МЛЭ.

Окончательная обработка кремния

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой.

Преимущество метода заключается в высокой точности управления уровнем легирования.

Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Система, используемая для МЛЭ кремния, изображена на рис. 20.

Основой установки является вакуумная система. Так как в процессе МЛЭ требуется поддерживать высокий вакуум, установки снабжаются вакуумными шлюзами для смены образцов, что обеспечивает высокую пропускную способность при смене пластин и исключает возможность проникновения атмосферного воздуха. Для десорбции атмосферных газов со стенок системы требуется длительный отжиг в вакууме.

Метод МЛЭ позволяет проводить. Большинство промышленных установок МЛЭ содержит оборудование для всестороннего анализа параметров непосредственно во время процесса выращивания пленки.

Испарение кремния осуществляется не путем нагрева тигля, как для легирующих элементов, а за счет нагрева электронным лучом, т. к. температура плавления кремня относительно высока. Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры.

Рис. 20. Основные элементы для получения соединения AlxGa1-xAs.

Каждый нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом,

чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так,

чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом.

Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10-6-10-8 Па.

Температурный диапазон составляет 400 - 800 °С.

Предэпитаксиальная обработка подложки при использовании метода МЛЭ осуществляется двумя способами.

1. Высокотемпературный отжиг при температуре 1000-1250°С длительностью до 10 минут. При этом за счет испарения или диффузии внутрь подложки удаляется естественный окисел и адсорбированные примеси.

2. Очистка поверхности с помощью пучка низкоэнергетичных ионов инертного газа. Этот способ дает лучшие результаты. Для устранения радиационных дефектов проводится кратковременный отжиг при температуре 800 - 900 °С.

Особенности легирования при МЛЭ

Легирование при МЛЭ имеет несколько особенностей. По сравнению с эпитаксией из газовой фазы расширен выбор легирующих соединений, возможно управление профилем легирования.

Возможны два способа легирования:

1. После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, H, B) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления. В результате чаще прибегают к употреблению Sb (сурьма), Ga или Al.

2. В другом способе легирования используется ионная имплантация. В этом случае применяются слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под поверхность растущего слоя, где она встраивается в кристаллическую решетку. Этот способ позволяет использовать такие примеси как B, P и As.

Окончательная обработка кремния

Из установки извлекают кремниевый слиток длиной до нескольких метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщины производят следующие технологические операции:

-обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

-шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

3)электролитическое осаждение (получение минимального количества неоднородностей в объеме вещества подложки, которая создается путем электролитического осаждения компонентов из растворов повышенной чистоты);

4)восстановление вещества из раствора (получение однородных поверхностей путем использования реакции восстановления из соответствующих солей, например,

никеля, серебра, меди, хрома).

Самым большим недостатком предварительных методов очистки является то, что в процессе очистки поверхности от одних веществ мы загрязняем ее другими. Например,

обезжиренная растворителем поверхность одновременно загрязняется молекулами растворенных веществ, содержащихся в самом растворителе. Травление кислотами вызывает появление физической неоднородности (после травления поверхность остается шероховатой).

Получение чистой поверхности подложек связано с большими трудностями и, как правило, достигается проведением комплекса различных технохимических процессов:

промывка в воде, ультразвуковая промывка в растворителях, химическое или газовое травление и т. д.

Удаление с поверхности подложки механически нарушенного слоя,

образовавшегося в результате шлифовки и полировки с использованием абразивных или алмазных микропорошков, необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя. Его можно осуществлять химическим и газовым травлением, а

также ионно-плазменной и плазмохимической обработкой.

Снятие с подложек слоя определенной толщины проводят для получения нужных толщин подложек, поступающих на последующие технологические операции. Требуемая толщина подложек определяется конкретным типом ИС. Наиболее часто для этой цели используют химическое травление полупроводниковых материалов в различных травителях.

Локальное удаление полупроводникового материала с определенных участков поверхности исходной подложки проводят для создания рельефа, который дает

возможность решать сложные технологические вопросы конструирования и изготовления полупроводниковых приборов и ИС. Локальное удаление обычно осуществляют электрохимической обработкой в электролите либо травлением через защитную маску.

Технохимические процессы дают возможность регулировать и

изменять электрофизические свойства поверхности обрабатываемой полупроводниковой подложки. К этим свойствам в первую очередь следует отнести изменение поверхностной проводимости и скорости поверхностной рекомбинации. Наиболее эффективными в этом случае являются процессы химического травления в различных травителях,

ионноплазменной и плазмохимической обработки.

Получение мезаструктур является широко распространенным технологическим приемом при изготовлении большого класса полупроводниковых приборов и ИС. Форма и геометрические размеры мезаструктуры определяются рисунком защитного рельефа, а

глубина травления — типом химического травильного состава и технологическим режимом травления.

Осаждение гальванических покрытий из металлов позволяет создавать на поверхности полупроводниковой подложки токопроводящие дорожки, омические контакты и пассивные элементы ИС.

Таким образом, технохимические процессы дают возможность подготовить полупроводниковую подложку с определенной чистотой поверхности и определенным рельефом для дальнейших технологических операций: осаждения эпитаксиальных пленок и защитных диэлектрических пленок, диффузионных процессов, процессов ионного легирования и др. Выбор того или иного технохимического процесса обработки полупроводниковых подложек зависит от требований конкретного технологического процесса изготовления определенного типа полупроводниковых приборов или ИС.

Виды загрязнений полупроводниковых пластин.

Наличие на поверхности полупроводниковой подложки различного рода загрязнений приводит к резкому снижению процента выхода годных изделий на

последующих технологических операциях. Загрязнение подложек обычно происходит при механической обработке полупроводниковых слитков и пластин (резке, шлифовке и полировке), а также за счет адсорбции различных веществ из технологических сред.

Все виды загрязнений можно классифицировать по двум признакам: их физико-

химическим свойствам и характеру их взаимодействия с материалом подложки.

По физико-химическим свойствам загрязнения могут быть органические,

неорганические, солевые, ионные, механические и др.

По характеру взаимодействия с материалом подложки загрязнения делят на физически и химически адсорбированные.

К физически адсорбированным загрязнениям относятся все виды механических частиц (пыль, волокна, абразив, металлические включения и пр.), а также все виды органических материалов, связанные с поверхностью подложки силами физической адсорбции. Механические частицы достаточно легко удаляются промывками в водных проточных и ультразвуковых ваннах. Для удаления органических загрязнений требуется более сложный процесс отмывки подложек.

Среди всех видов загрязнений особое внимание следует уделять органическим загрязнениям, так как они при нагревании разлагаются и выделяют газообразные вещества

(кислород, оксид и диоксид углерода, пары воды и др.), которые в значительной степени ухудшают последующие технологические процессы (диффузии, эпитаксии, осаждения защитных диэлектрических пленок и др.).

К химически адсорбированным загрязнениям в первую очередь следует отнести различные виды оксидных и сульфидных пленок на поверхности полупроводниковых подложек, а также катионы и анионы химических веществ. Наиболее трудноудаляемыми химическими загрязнениями являются электроосажденные в порах подложки металлы и трудно растворимые оксиды. Такие виды загрязнений удалить с помощью даже самого сложного процесса промывки подложки не представляется возможным. Их удаляют проведением комплекса химических реакций с использованием определенных типов и составов травильных растворов.

Таким образом, для полной очистки подложки от загрязнений необходимо выбрать технологический процесс, который включал бы в себя ряд последовательных операций,

каждая из которых позволяла бы удалять с поверхности один или несколько видов загрязнений.

При выборе окончательного технологического процесса очистки полупроводниковых подложек следует помнить об экономических аспектах этого процесса и строить его таким образом, чтобы при минимальных затратах получить наиболее чистую поверхность. В этом случае надо всегда исходить из требований по чистоте поверхности подложки, диктуемых той технологической операцией, на которую поступают эти подложки.

Отмывка полупроводниковых пластин.

Операция отмывки состоит из двух этапов: обезжиривание подложек в органических растворителях и промывка в особо чистой воде.

Обезжиривание подложек проводят для удаления органических физических загрязнений. В промышленном производстве для процесса отмывки подложки часто используют различные смеси растворителей, которые позволяют проводить отмывку полярных и неполярных органических загрязнений в одном технологическом цикле. К

таким смесям относятся: фреон—хлористый метилен, фреон—изопропиловый спирт,

фреон— ацетон и др.

Процесс обезжиривания в органических растворителях в сильной степени зависит от режима его проведения (температуры, длительности и скорости смены отработанного растворителя). Так, с повышением температуры процесса скорость растворения органических загрязнений возрастает. Для интенсификации процесса обезжиривания и улучшения качества отмывки широко используют ультразвуковые ванны.

При проведении процессов обезжиривания необходимо соблюдать правила техники безопасности, так как используемые растворители являются ядовитыми веществами и отрицательно действуют на организм и здоровье человека. Все работы по

обезжириванию необходимо проводить в помещениях, оборудованных приточно-

вытяжной вентиляцией с использованием специальных скафандров или герметичных установок.

Технологический процесс обезжиривания включает в себя загрузку полупроводниковых подложек во фторопластовые кассеты, которые последовательно опускаются в несколько ванн (от двух до четырех) с растворителем или смесью растворителей. В первой ванне происходит удаление наиболее грубых жировых загрязнений, во второй ванне снимаются оставшиеся не растворенными при первой обработке участки жировых покрытий, а в последующих ваннах происходит окончательная более тщательная отмывка подложек.

Наиболее перспективным способом обезжиривания является способ, в котором в качестве реагентов используются не жидкие растворители, а пары кипящих растворителей, которые более активно взаимодействуют с загрязнениями на поверхности полупроводниковой подложки и более эффективно их растворяют. Важным преимуществом этого способа является то, что весь процесс проводится в герметичной камере и может быть полностью автоматизирован.

В процессе обезжиривания происходит взаимодействие растворителя с различными видами загрязнений, и в результате десорбции молекулы этих загрязнений переходят с поверхности полупроводниковой подложки в приповерхностный слой растворителя, а

молекулы растворителя оседают на поверхности подложки. Происходит как бы замещение адсорбированных молекул загрязнений молекулами растворителя. Процесс замещения зависит от многих физических факторов, например от энергии связи молекулы загрязняющего вещества с поверхностью полупроводниковой подложки или с растворителем.

Таким образом, в процессе обезжиривания на поверхности полупроводниковой подложки создаются слои растворителя, которые необходимо удалить. Поэтому вторым этапом в процессе отмывки подложек после их обезжиривания является процесс промывки их в деионизованной воде, удельное сопротивление которой выбирают равным

1—20 МОм*см.