СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО СЛОЯ КРЕМНИЯ НА ДИЭЛЕКТРИКЕ
METHOD FOR PRODUCING HETEROEPITAXIAL SILICON LAYER ON DIELECTRIC

2
3
Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно к области формирования гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости, а также высокоомных слоев на диэлектрических подложках из таких материалов, как синтетический сапфир (α-AlO, корунд), алюмомагниевая шпинель, алмаз, кварц и других, с помощью термического разложения моносилана. В общем случае рассогласование кристаллических решеток материала подложки и ГЭС должно быть не менее 3%. Изготовленные таким образом гетероэпитаксиальные слои кремния на диэлектрике (КНД) могут быть использованы в производстве СВЧ-приборов, фото- и тензочувствительных элементов, различных интегральных схем с повышенной стойкостью к внешним дестабилизирующим факторам.
Высокое структурное качество и однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя являются основополагающими современными требованиями к качеству слоев КНД. Под высоким структурным качеством кремния на диэлектрике подразумевают низкую плотность структурных дефектов в объеме кремниевого слоя, а также в приграничной области границы раздела «кремний-воздух». Высокая плотность структурных нарушений в объеме слоя снижает подвижность и время жизни носителей заряда, что приводит к увеличению потерь мощности, уменьшению собственной частоты и быстродействия приборов на КНД. Дефектность в приграничной области «кремний-воздух» может служить причиной образования нарушенного шероховатого микрорельефа рабочей поверхности ГЭС, что приведет к технологическим трудностям нанесения подзатворного диэлектрика. Вследствие возрастания напряженности электрического поля, образованного носителями заряда, аккумулированными на выступах шероховатости границы раздела «кремний-воздух», возможно возникновение пробоя подзатворного диэлектрика в формируемых на данных ГЭС полевых МОП-транзисторах и других устройствах.
Однородность распределения удельного сопротивления по толщине кремниевого слоя подразумевает равномерное распределение заданного значения удельного сопротивления вдоль формальной линии измерения, проведенной от поверхности слоя кремния до границы раздела кремний-подложка. Низкая однородность распределения удельного сопротивления по толщине ГЭС может привести к сбоям в работе, сдвигу вольт-амперных характеристик и выходу из строя сформированных дискретных приборов и микросхем.
-3
18
3
Известен способ формирования монокристаллических слоев кремния с помощью газофазной эпитаксии на подложках из материалов с параметрами решетки, схожими с параметрами кремния, в том числе на диэлектриках, таких как сапфир, шпинель и другие [US 6500256 В2, 31.12.2002]. На протяжении всего процесса роста слоя общее давление в реакторе поддерживают в диапазоне от 1,33⋅10 Па до 4 Па, чем достигается снижение концентрации кислорода в эпитаксиальном слое кремния до значений не выше 3⋅10 атомов/см, по крайней мере при толщине слоя более 100 , а также уменьшается автолегирование растущего слоя. Таким образом, обеспечивается рост монокристаллического слоя кремния высокого качества при более низкой температуре, чем у существующих методов газофазной эпитаксии, что также позволяет снизить автолегирование слоя от подложки и увеличить однородность удельного сопротивления по толщине слоя.
-3
Недостатками данного способа являются высокая продолжительность процесса изготовления и сложность реализации. Откачка камеры реактора до значений высокого вакуума занимает продолжительный период времени даже при использовании самых современных приспособлений. Проведение процесса эпитаксии при значениях общего давления от 1,33⋅10 Па до 4 Па усложняет конструкцию эпитаксиального оборудования вследствие необходимости использования специальных приспособлений для создания и поддержания высокого вакуума.
Также известен способ формирования гетероэпитаксиальных слоев на кристаллических подложках, причем слой и подложка имеют рассогласование кристаллических решеток, заключающийся в формировании на поверхности подложки множества островков, продолжении роста ГЭС до тех пор, пока дислокации несоответствия не сформируются вблизи одной или более границ островков, тем самым устранив напряжения кристаллической решетки в островках, травлении и удалении части ГЭС, содержащей дислокации, повторение предыдущих операций необходимое количество раз до полного устранения структурных дефектов в островках и ГЭС [US 6184144 В1, 06.02.2001]. Рассогласование параметров кристаллической решетки между первым и вторым материалами составляет не менее 3%. Под травлением подразумевают процесс из ряда: разложение материала под воздействием высокой температуры, газовое травление, окисление поверхности и удаление оксида. Гетероэпитаксиальный слой наращивают до толщины не менее критической толщины слоя, при достижении которой происходит пластическая релаксация.
Также в данном способе можно формировать множество разделенных центров зарождения на поверхности подложки путем напыления множества металлических кластеров на часть рабочей поверхности, окислять часть рабочей поверхности, непокрытой металлическими кластерами, и удалять металлические кластеры, что позволяет сформировать открытые части на поверхности подложки и использовать их как центры зарождения при дальнейшем формировании ГЭС. Сформированные центры зарождения имеют преимущественно одинаковую кристаллографическую ориентацию, что предотвращает образование дислокаций несоответствия между островками во время их слияния. В качестве материалов кластеров могут использоваться алюминий или арсенид галлия. Металлические кластеры могут быть удалены с поверхности подложки путем окисления.
За счет того, что после релаксации латеральных напряжений кристаллической решетки дислокационные участки слоя, образованные релаксацией, удаляют, гетероэпитаксиальный слой, независимо от рассогласования параметров решетки подложки и слоя, не напряжен и не содержит дефектные области. Благодаря малому размеру островков, напряжения - нормальное и вызванное сдвигом - совместно с рассогласованием решетки значительно уменьшены. Если все объединившиеся островки имеют одну кристаллографическую ориентацию, то сетка напряжений в слое будет близка к нулю, и гладкий бездефектный ГЭС может быть выращен на любую толщину.
Недостатком способа является малая эффективность процесса травления части гетероэпитаксиального слоя, содержащей дислокации, с целью их удаления из релаксированных островков. При достижении критической толщины слоя механические напряжения, вызванные рассогласованием кристаллических решеток подложки и слоя, релаксируют путем образовании структурных дефектов и сетки дислокаций, основная часть которых сконцентрирована на границе раздела слой-подложка и на границах ростовых зерен. Удаление этих областей влечет за собой удаление практически всего объема эпитаксиального слоя, что ставит под сомнение целесообразность данной операции. Также недостатком способа является использование металлов в процессе формирования центров зарождения. Присутствие ионов металлов в формируемом полупроводниковом слое может значительно изменить его электрофизические характеристики и рабочие параметры будущих полупроводниковых приборов. Помимо этого, процессы нанесения и удаления металлов не могут быть проведены в одной рабочей среде, например в одном и том же реакторе, с процессом формирования ГЭС, что усложняет реализацию данного способа.
Наиболее близким по сути к предлагаемому техническому решению является способ изготовления гетероэпитаксиального слоя КНД, включающий наращивание слоя кремния на диэлектрической подложке путем термического разложения моносилана при температуре около 1000°C до момента формирования массива из обособленных, частично слившихся и слившихся (до 90%) ростовых кремниевых островков на поверхности подложки, термообработку (отжиг) данного массива при температуре около 1000°C в течение времени, достаточного для устранения структурных дефектов, образовавшихся в результате релаксации напряжений кристаллической решетки кремния, и продолжение наращивания кремния с образованием вначале полностью сплошного начального слоя и далее слоя требуемой толщины при той же температуре [US 4279688 А1, 21.07.1981].
Первым недостатком данного способа является влияние продуктов взаимодействия материала подложки и осаждаемых веществ на растущий кремниевый слой при используемых температурах. Например, в случае наращивания слоя кремния на сапфире с использованием стандартной парогазовой смеси моносилана и водорода при температуре осаждения около 1000°C на этапе формирования ростовых островков будут происходить следующие взаимодействия:
2
3
2
1) взаимодействие сапфира (AlO) и водорода (Н), в результате которого сапфир восстанавливается, выделяются неустойчивая одновалентная окись алюминия и пары воды:
2
3
2) взаимодействие сапфира (AlO) и кремния (Si), в результате которого сапфир восстанавливается, выделяются неустойчивая одновалентная окись алюминия и монооксид кремния:
Формирование массива из обособленных, частично слившихся и слившихся ростовых кремниевых островков на поверхности сапфировой подложки и дальнейшее проведение его термообработки (отжига) приводит к тому, что открытая поверхность сапфировой подложки и точка контакта трех фаз (кремния, сапфира и водорода) на границах ростовых островков будут являться источниками загрязнения и автолегирования растущего слоя продуктами реакций (1) и (2). Так как в рассматриваемом процессе нет возможности управления плотностью ростовых зерен на поверхности подложки и механизмом слияния островков, то даже при слиянии 90% кремниевых островков оставшиеся 10% будут являться источниками загрязнений всего объема растущего слоя кремния, что ухудшит его структурные и электрические характеристики.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении структурного качества и однородности распределения удельного сопротивления по толщине гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике.
Это достигается тем, что в способе изготовления гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике, заключающемся в формировании ростовых кремниевых островков на поверхности диэлектрической подложки с последующим наращиванием начального слоя кремния путем термического разложения моносилана, его термообработке в течение времени, достаточного для устранения структурных дефектов, образовавшихся в результате релаксации напряжений кристаллической решетки кремния, и продолжении наращивания слоя кремния до требуемых значений толщины, наращивание начального слоя кремния осуществляют при температуре 930-945°C до момента слияния ростовых кремниевых островков и образования сплошного слоя, температуру термообработки устанавливают в пределах 945-975°C, а температуру роста слоя требуемой толщины задают не менее 960°C.
В результате наращивания начального слоя кремния с помощью термического разложения моносилана до момента слияния ростовых кремниевых островков и образования сплошного начального слоя при температуре роста 930-945°C рабочая поверхность диэлектрической подложки полностью закрыта сплошным слоем монокристаллического кремния, реакции взаимодействия материала подложки и осаждаемых веществ, в ходе которых выделяются соединения металлов, кислорода и кремния, загрязняющие растущий слой, подавлена по всей площади рабочей поверхности подложки, автолегирование кремния химическими элементами подложки значительно снижено на протяжении всего дальнейшего процесса изготовления слоя КНД, что повышает структурное качество и однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя. Наращивание начального слоя при температуре роста ниже 930°C приведет к образованию поликристаллического слоя вследствие критически низкой подвижности образующих слой адатомов кремния. Проведение роста при температуре выше 945°C приведет к увеличению концентрации химических элементов подложки в начальном слое кремния за счет увеличения их диффузии, разгонке и переходу нежелательной примеси в объем ГЭС при дальнейших термообработке и росте. Момент слияния ростовых кремниевых островков, за которым следует образование сплошного начального слоя, определяется физическими параметрами поверхности выбранного диэлектрика. Прекращение роста до момента слияния кремниевых островков в сплошной слой повлечет за собой загрязнение ГЭС химическими элементами от поверхности диэлектрика, непокрытой кремнием, образование структурных дефектов в слое и его автолегирование. Продолжение наращивания начального слоя после слияния островков в сплошной слой нецелесообразно, так как проведение пластической релаксации при больших толщинах ведет к образованию большего объема структурных дефектов, что увеличивает период времени, необходимый на термообработку и отжиг структурных дефектов из такого слоя.
После прекращения роста слоя и проведения термообработки начального слоя в течение времени, достаточного для устранения структурных дефектов, при температуре, выбранной из диапазона 945-975°C, структурные нарушения и дефекты кристаллической решетки кремния, образованные в результате пластической релаксации, устраняются, получается ориентированный в одной кристаллографической плоскости рекристаллизованный эпитаксиальный слой со значительно сниженной плотностью структурных дефектов, что позволяет повысить структурное качество гетероэпитаксиального слоя КНД требуемой толщины. Продолжительность термообработки начального слоя определяется кристаллографическими параметрами рабочей поверхности подложки выбранного диэлектрика. Большее соответствие параметров кристаллических решеток кремния и выбранного диэлектрика соответствует меньшему времени, которое необходимо для отжига структурных дефектов в начальном слое. Большее рассогласование кристаллических решеток кремния и диэлектрика соответствует большему времени, которое необходимо для отжига структурных дефектов в начальном слое КНД. Термообработка начального слоя при температуре ниже 945°C значительно увеличивает время, необходимое на отжиг структурных дефектов. Термообработка начального слоя при температуре выше 975°C приведет к увеличению диффузии химических элементов от границы раздела «кремний-подложка» в объем начального слоя, а также к автолегированию слоя от фаски и обратной стороны диэлектрической подложки.
В результате продолжения роста слоя до требуемых значений толщины при температуре роста не менее 960°C получают слой кремния на диэлектрике с повышенным структурным качеством, так как выбранная температура роста обеспечивает оптимальную подвижность выстраивающих слой адатомов кремния. Наращивание слоя при температуре ниже 960°C не позволит сформировать ГЭС кремния с максимальным структурным качеством вследствие недостаточной подвижности адатомов кремния.
На фиг. 1 схематично представлена принципиальная циклограмма технологического процесса наращивания слоя КНД по предлагаемому способу на примере эпитаксии кремния на алюмомагниевой шпинели, где температурно-временные интервалы обозначены цифрами: 1 - нагрев рабочей поверхности подложки до ~940°C; 2 - наращивание слоя КНД до момента слияния ростовых кремниевых островков и образования сплошного начального слоя; 3 - прекращение роста и нагрев подложки с начальным слоем до ~960°C; 4 - термообработка подложки с начальным слоем при ~960°C в течение ~8 минут; 5 - нагрев подложки с начальным слоем до ~980°C; 6 - наращивание слоя КНД требуемой толщины; 7 - прекращение роста слоя и остывание структуры перед выгрузкой и реактора. Приведенная циклограмма показывает алгоритм проведения технологического процесса эпитаксии КНД по предлагаемому способу.
4
На фиг. 2 показаны кривые качания слоев кремния на сапфире (КНС), полученных по предлагаемому способу с помощью термического разложения моносилана (SiH). Сапфировая подложка ориентирована в плоскости , слой кремния - (100). Измерение кривых качания проводилось для симметричного дифракционного отражения Si (400). Значение полной ширины на полувысоте (FWHM) кривой качания определяет структурное совершенство измеряемого кристаллического слоя. Чем меньше значение FWHM, тем выше структурное качество слоя. Показаны следующие кривые: А - типичная кривая качания слоя кремния толщиной 6000 , изготовленного по предлагаемому способу, значение FWHM составило 0,24°; Б - типичная кривая качания слоя кремния толщиной 3000 , изготовленного по предлагаемому способу, значение FWHM составило 0,35°. Представленные кривые качания наглядно демонстрируют высокое структурное качество гетероэпитаксиальных слоев КНС различной толщины, изготовленных по предлагаемому способу. Высокое структурное качество слоев КНС, изготовленных по предлагаемому способу, подтверждается сравнением с результатами работы, в которой производились измерения кривых качания слоя кремния на сапфире, полученного методом термического разложения моносилана [1]. По опубликованным данным значение FWHM для слоя кремния на сапфире толщиной 3000  составило 0,98°, а для слоя толщиной 7800-8000  - порядка 0,5-0,4°.
На фиг. 3 изображена контурная диаграмма зависимости структурного качества гетероэпитаксиального слоя КНС от температуры термообработки начального слоя. Оценка структурного качества слоя была произведена с помощью рефлектометрического метода рассеяния УФ-излучения с длиной волны светового пучка 375 нм от границы раздела «кремний-воздух». Согласно современным требованиям к структурному качеству гетероэпитаксиальных слоев КНС, при значении рассеяния УФ-излучения от границы раздела «кремний-воздух» более 0,5 ppm слой считается некачественным. При значении рассеяния УФ-излучения от границы раздела «кремний-воздух» более 1 ppm слой считается поликристаллическим. Представленная контурная диаграмма наглядно демонстрирует возможность получения структурно качественного слоя КНС со значением рассеяния УФ-излучения меньше 0,4 ppm при термообработке сплошного начального слоя в интервале 945-975°C и последующего роста слоя требуемой толщины при температуре не менее 960°C.
На фиг. 4 представлены профили распределения удельного сопротивления по толщине слаболегированных фосфором (n-тип) гетероэпитаксиальных слоев кремния на алюмомагниевой шпинели, полученных по предлагаемому способу, где А - профиль слоя кремния толщиной 6000 , Б - профиль слоя кремния толщиной 3000 . Профили распределения удельного сопротивления по толщине слоя получены зондовым методом сопротивления растекания. Приведенные профили демонстрируют высокую однородностью распределения удельного сопротивления по толщине слоя кремния, которая обеспечит высокие надежность и выход годных приборов на данных эпитаксиальных структурах.
Способ изготовления гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике реализуется следующим образом.
Диэлектрическую подложку, например из алюмомагниевой шпинели, располагают в камере эпитаксиального реактора на подложкодержателе. Реактор наполняют осушенным водородом или инертным газом. Подложку нагревают до температуры 930-945°C, подают в реактор моносилан. Наращивают слой кремния, за счет термического разложения моносилана над рабочей поверхностью подложки, до момента слияния ростовых островков кремния и образования сплошного начального слоя, после чего подачу моносилана перекрывают, прекращая рост кремния. Подложку с начальным слоем выдерживают в течение времени, достаточного для отжига структурных дефектов, при температуре 945-975°C. Нагревают подложку с начальным слоем до температуры не менее 960°C, подают моносилан в реактор и продолжают рост слоя до требуемых значений толщины.
Пример конкретного выполнения
2
3
2
4
2
3
Подложку из монокристаллического сапфира с ориентацией рабочей поверхности  помещают на графитовый подложкодержатель вертикального эпитаксиального реактора с площадью поперечного сечения 0,4 м. Реактор герметизируют, продувают азотом и наполняют осушенным водородом (Н) с содержанием паров воды менее 5 ppb. Давление в реакторе атмосферное. Подложку нагревают до 940°C. В реактор подают поток газовой смеси моносилана и водорода (5% SiH - 95% Н) с заданным расходом 300 л/мин, а также поток легирующей примеси с требуемым расходом, например 25 см/мин фосфина (РН). Наращивают сплошной начальный слой кремния в течение 15 с. Затем поток газовой смеси перекрывают, рост слоя прекращается. Подложку с начальным слоем нагревают до 950°C. Выдерживают данный слой при заданной температуре в течение 12 мин. Подложку с начальным слоем нагревают до 970°C. Подают в реактор поток газовой смеси моносилана и водорода. Продолжают рост гетероэпитаксиального слоя кремния на сапфире до толщины 4500 .
Предлагаемый способ в сравнении с прототипом обеспечивает следующие преимущества: подавление эффекта автолегирования кремния химическими элементами подложки на протяжении процессов формирования начального сплошного слоя, его термообработки и роста слоя требуемой толщины, вследствие чего повышается однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя; устранение структурных дефектов в слое, образовавшихся в результате пластической релаксации кристаллической решетки кремния, с помощью термообработки сплошного начального слоя, благодаря чему увеличивается структурное качество слоя КНД.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Moyzykh М., Samoilenkov S., Amelichev V., Vasiliev A., Kaul A. Large thickness-dependent improvement of crystallographic texture of CVD silicon films on r-sapphire // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 383. - P. 145-150.