Кинетика осаждения из газовой фазы

Как и в случае эпитаксии существует граничный слой толщиной d. Реагирующие газы должны пройти через него (продиффундировать). Осаждение будет идти на всех нагретых поверхностях до которых доходят газы. Результирующая скорость реакции может ограничиваться либо диффузией через граничный слой, либо скоростью реакции на поверхности (некоторый аналог модели Дила-Гроува, однако в этом случае нет твердотельной диффузии). F₁ - поток молекул, диффундирующих через слой d.

F₂ - поток молекул, реагирующих у поверхности Si:

,
F₂ = k_SC_S , где

D- коэффициент диффузии реагирующего вещества через газовую фазу (слабо зависит от Т), k_S - коэффициент скорости реакции у поверхности,

k_s=k_s0exp(-E_a/kT)

в установившемся состоянии F₁= F₂ = F, тогда:

,
т.е.

Скорость осаждения R_d=F/N, где N - число атомов в единице объема осаждающейся пленки:

d/D - отражает зависимость скорости осаждения от диффузии в газовой фазе
1/K_s - отображает зависимость скорости осаждения от реакции у поверхности

Реакции, ограниченные процессами на поверхности сильно зависят от K_S, они обычно определяют процессы химического осаждения, при низких температурах. Однако K_S с ростом температуры быстро растет и перестает ограничивать результирующий процесс, тогда ограничивающим фактором становится диффузия в газовой фазе через граничный слой.

Выбор подходящего рабочего диапазона зависит от геометрии реактора. В реакторах, работающих при атмосферном давлении с газовым потоком, параллельным пластинам, легко управлять поведением потока газа, зато трудно температурой. Следовательно для таких реакторов выбирается диффузионное ограничение, т.к. D слабо зависит от Т.

Напротив, если поток перпендикулярен пластинам (для обеспечения большего числа загружаемых пластин) трудно регулировать газовый поток, и, если скорость осаждения ограничивается диффузией, толщина пленки будет неоднородной. В реакторах такого типа температура может регулироваться очень точно, так что целесообразно выбирать режим, когда скорость осаждения ограничивается реакцией у поверхности. Чтобы снизить роль диффузии, процессы ведут при пониженном давлении.

Оборудование

Существует четыре основных типа реакторов, используемых для процессов осаждения.

Реактор с горячими стенками

Реактор с горячими стенками работает при пониженном давлении и используется для осаждения поликремния, двуокиси кремния и нитрида кремния. Такой реактор состоит из кварцевой трубы, нагреваемой в трехзонной печи. Газовая смесь поступает с одного конца трубы и откачивается с другого. Давление в реакционной камере обычно составляет от 30 до 250 Па, температура 300-900 ^°С, а расход газа 100-1000 см³/мин в пересчете на атмосферное давление. Подложки устанавливаются вертикально, перпендикулярно газовому потоку, в кварцевой лодочке. Достигаемая однородность толщины пленок ±5%.

Основные преимущества реакторов рассматриваемого типа - превосходная однородность пленок по толщине, большой объем загрузки и способность обрабатывать подложки большого диаметра.

К недостаткам относятся низкая скорость осаждения и частое использование ядовитых, легковоспламеняющихся или способствующих развитию коррозии газов.

Реактор с непрерывной загрузкой

Реактор с непрерывной загрузкой работает при атмосферном давлении. Такой реактор используется для осаждения двуокиси кремния. Образцы проходят через реакционную зону на конвейерной ленте. Реакционные газы, протекая через центральную часть реактора, отсекаются от атмосферы газовыми занавесями, образованными очень быстрым потоком азота. Подложки нагреваются конвективным потоком.

Достоинствами реактора с непрерывной загрузкой являются высокая пропускная способность, хорошая однородность пленок и возможность обрабатывать пленки большого диаметра.

К недостаткам относятся большой расход газов и необходимость частой очистки реактора.

Плазмохимический реактор с радиальным
распределением газового потока

Реакционная камера представляет собой стеклянный или алюминиевый цилиндр, содержащий внутри два плоских алюминиевых электрода в верхней и нижней частях камеры. Образцы размещаются на заземленном нижнем электроде. Высокочастотное напряжение, подающееся на верхний электрод, создает тлеющий разряд между двумя пластинами. Газовый поток протекает в радиальных направлениях. Нижний заземленный электрод нагревается до температуры 100-400 °С. Такие реакторы используются для плазмохимического осаждения двуокиси или нитрида кремния.

Главное достоинство - низкая температура осаждения.

Недостатки следующие:

• емкость реактора ограничена, в частности в него нельзя помещать подложки большого диаметра.
• Подложки должны загружаться и разгружаться вручную.
• Возможно загрязнение подложек падающим сверху рыхлым осадком с ненагретых частей камеры.

Плазмохимический реактор с горячими стенками

В плазмохимическом реакторе с горячими стенками устранены многие недостатки, присущие реактору с радиальным распределением газового потока. В таких реакторах процесс осаждения протекает в кварцевой трубе, нагреваемой в печи. Подложки устанавливаются вертикально, параллельно газовому потоку. Набор электродов, на которых крепятся подложки, представляет собой длинные графитовые или алюминиевые полоски. Сменные полосковые электроды подсоединены к источнику напряжения, создающему тлеющий разряд между электродами.

Достоинства подобных реакторов заключаются в их большой емкости и низкой температуре осаждения.

Однако при установке набора электродов в реакторе возможно образование отдельных частиц, которые в виде пылинок попадают на поверхность подложек. Кроме того, загрузка и выгрузка подложек в таких реакторах должна проводиться вручную.

Основные реакции, необходимые для осаждения
диэлектрических и поликремниевых пленок

Поликремний

Поликремний используется для различных целей:

• в качестве затвора в МОП-приборах,
• для формирования высокоомных резисторов,
• в качестве диффузионных источников при создании мелких p-n переходов,
• для формирования проводящих дорожек,
• для обеспечения невыпрямляющих контактов к монокристаллическому кремнию.

Осаждаемый поликремний, как правило, не легирован. Примесь вводится обычно диффузией или ионной имплантацией. Примесь так же может вводится в процессе осаждения. При добавлении к поликремнию нескольких процентов кислорода он становится полуизолирующим материалом, что применяется в пассивации ИС.

Поликремний осаждается путем пиролиза силана при 600 - 650 °C в реакторах с пониженным давлением:

SiH₄ Si + 2H₂