Легирование и автолегирование при эпитаксии

Изучение процесса легирования включает рассмотрение особенностей эпитаксии, например массопереноса и химических процессов. Для легирования обычно используют гидриды примесных элементов. В среде водорода указанные гидриды относительно устойчивы, что согласуется с термодинамическими расчетами. Химические свойства легирующих соединений удобно рассмотреть на примере арсина как наиболее типичного представителя таких соединений.

Процессы, проходящие на поверхности кремния при осаждении:

1. Адсорбция арсина на поверхности,
2. Диссоциация молекулы,
3. Встраивание мышьяка в растущий слой

2AsH_{3 тв} 2As _газ + 3H_{2 газ} 2As _тв 2As⁺_тв + 2e^-

Существует тесная взаимосвязь между процессами роста и легирования. Во-первых, при легировании бором и мышьяком идет параллельная реакция образования их хлоридов.

Во-вторых, скорость роста влияет на количество встраиваемой в эпитаксиальный слой примеси. При низких скоростях роста между твердой и газообразной фазами устанавливается равновесие, недостижимое при высоких скоростях роста.

Также имеет место явление автолегирования. Автолегирование - явление, при котором кроме намеренно вводимой примеси в слой входят и неконтролируемые примеси из подложки. Механизм автолегирования следующий: примеси внедряются в растущий эпитаксиальный слой за счет твердотельной диффузии через границу слой-подложка, а также за счет испарения и переноса через газовую фазу.

Автолегирование проявляется как увеличение ширины переходной области между слоем и подложкой.

Форма профиля легирования вблизи границы раздела определяется в основном твердотельной диффузией из подложки и описывается дополнительной функцией ошибок, если v>2(D/t)^1/2, где

v - скорость роста,
D - коэффициент диффузии примеси в кремнии,
t - время нанесения.

Некоторые важные особенности явления автолегирования:

1. Автолегирование - это явление, тесно связанное с временными параметрами процесса. Испарение примеси с поверхности компенсируется твердотельной диффузией примеси из объема подложки. Таким образом, скорость испарения с незащищенной поверхности не постоянна, а уменьшается со временем.
2. Когда автолегирование меньше уровня легирования эпитаксиального слоя, профиль в области В становится плоским. Размер хвоста на профиле легирования зависит от вида легирующей примеси и параметров процесса: температуры и скорости роста. Автолегирование ограничивает минимальную толщину слоев, которая может быть получена управляемым легированием при его минимальном уровне.
3. Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования.

В добавление к химической отмывке подложек непосредственно перед нанесением эпитаксиального слоя обычно проводят газофазное травление.

Газофазное травление проводится безводным HCl при температуре 1200 градусов Цельсия, при этом идут реакции:

2HCl + Si SiCl₂ + 2H₂,
4HCl + Si SiCl₄ + 2H₂.

Для травления подложек были предложены и другие газы: HBr или SF₆. Использование HCl выгодно отличается тем, что он легко компримируемый газ. HCl вводится в основной поток водорода с концентрацией 2-3 процента. Скорость травления - несколько десятых микрона в минуту, а толщина стравливаемого кремния для подложек без скрытого слоя достигает 5 мкм. Когда требуется сохранить низкое значение поверхностного сопротивления скрытых слоев, толщина стравливаемого кремния составляет 0,1 - 0,3 мкм. В результате травления поверхность подложки становится достаточно чистой, свободной от естественного окисла.

Однако этот процесс не может заменить предэпитаксиальной химической отмывки. Вместо травления в газовой фазе допускается проведение высокотемпературного отжига подложек в атмосфере водорода (в течение 10 мин при 1200 ^°C).