Структура и свойства кремния, полученного из галогенидных соединений

УДК 621.315.592.2:546.28

структура и свойства кремния, полученного из галогенидных соединений

© 2005 г. В.Н. Полунин, Н.Г. Леонтьев, Т.В. Жидченко

Осаждение слоев полупроводников является одним из наиболее трудоемких и сложных процессов в производстве интегральных схем (ИС) и солнечных элементов (СЭ). Снижение температуры осаждения слоя является необходимым условием для повышения качества изготовляемых приборов. Важное место среди полупроводниковых слоев занимают аморфные и поликристаллические слои кремния, которые широко используются в изготовлении МОП-транзисторов с кремниевым затвором, для изоляции мощных интегральных схем, в устройствах памяти и в приборах с зарядовой связью [1], а аморфные - для изготовления переключающих устройств и фотопреобразователей солнечной энергии [2 - 4].

Применение плазменных процессов для осаждения слоев кремния позволит значительно снизить температуру процессов и улучшить характеристики приборов и СЭ.

В качестве кремнийсодержащего газа в основном используется моносилан (81И4) [3, 4], однако тетра-хлорид кремния (8Ю14) не в меньшей степени используется для высокотемпературного получения кремния

[5, 6].

В настоящей работе исследовался процесс получения слоев кремния восстановлением 8Ю14 водородом в плазме ВЧ тлеющего разряда. Исследование прово-

дилось на установке, описанной в работе [7].

Эксперименты проводились в диапазоне давлений 13-1330 Па, удельная мощность разряда (ф составляла 0,1-10 Вт/см2. Температура процесса варьировалась от комнатной до 1070 °С. Водород (Н2) и тетра-хлорид кремния (8Ю4), барбатируемый водородом, подавались в реакционную камеру раздельно. Осаждение слоев кремния осуществлялось как на монокристаллические подложки кремния, так и на другие подложки с нанесенным слоем 8Ю2 и структуры ИС. Толщина осажденного слоя определялась на микроинтерферометре МИИ-4; при толщинах слоев более 1 мк делался поперечной шлиф, и толщина определялась на микроскопе МИМ-8 [9].

Структура слоев определялась на электронографе ЭГ-100А. Электронограммы снимались на отражение при ускоряющем напряжении 60 кэВ.

Было установлено, что скорость осаждения поликристаллического кремния зависит от температуры подложки (Т), удельной мощности разряда (ф и соотношения 8Ю4 / Н2 (рис. 1, 2).

Рис. 1. Зависимость скорости роста слоя кремния от удельной мощности разряда: Т=723 К; Р=400 Па; 8Ю14 / Н2: 1 -1:1; 2 - 1:3; 3 - 1:20; 4 - 1:40

С увеличением удельной мощности разряда скорость роста поликристаллического кремния (рис. 1) увеличивается линейно, если соотношение 8Ю!4/Н2

Рис. 2. Зависимость скорости роста слоя кремния от температуры: я= 3 Вт/см2; Р=400 Па; 8Ю14 / Н2: 1 - 1:1; 2 -1:40; 3 - 8:1

менее 0,3. При соотношении 8Ю4 /Н2 более 0,3 линейность нарушается, и скорость осаждения достигает максимума и затем уменьшается (рис. 1, кривая 1).

Это вызвано, на наш взгляд, возрастанием физического распыления, также увеличением концентрации в плазме атомов хлора, приводящих к плазмохимическому травлению кремния.

Было установлено, что в газовой смеси 8Ю14+Н2 с избытком 8Ю4 при большой удельной мощности и повышенной температуре процесс травления преобладает над процессом роста. Этот эффект хорошо иллюстрируется зависимостью скорости роста слоев кремния от температуры (рис. 2). Такой ход зависимости скорости роста от температуры при различных соотношениях 8Ю4/Н2 показывает возможность подтравливания растущего слоя хлорсодержа-щими частицами. Аналогичная возможность травления кремния в парах 8Ю4 показана в работе [10] при высоких температурах 1000— 1200 °С, а также при плазмохимическом травлении материалов в смеси 81СЦ + Н2 [11].

Увеличение скорости роста слоя кремния с возрастанием температуры свидетельствует, что лимитирующей стадией в образовании кремния является химическая реакция между низшими хлоридами и водородом. Реакция взаимодействия хлоридов с водородом протекает достаточно полно и скорость травления в этом случае незначительная.

Процесс выделения кремния преобладает над процессом травления и скорость роста слоя кремния возрастает. Увеличение скорости роста слоя кремния с возрастанием удельной мощности разряда свидетельствует о значительной роли ионной бомбардировки на активацию процесса образования слоя кремния. При этом происходит более интенсивный разрыв связей у адсорбированных радикалов хлорида и более быстрое восстановление их водородом до вы-делВри кремиижении 8Ю4 / Н2 более 0,3 начинает преобладать процесс травления над осаждением при больших значениях температур (рис. 1, кривая 2).

Исследования процесса осаждения кремниевых слоев в плазме 8Ю4 +Н2 показало, что в зависимости от температуры подложки и удельной мощности разряда могут образовываться либо аморфные, либо поликристаллические слои. При температурах процесса ниже 620 К образуются аморфные слои кремния, о чем свидетельствуют электронограммы с поверхности слоя, на которых имеются диффузионные размытия. При температурах более 620 К образуются поликристаллические слои кремния, о чем свидетельствуют четко выраженные дебаевские кольца на электроно-

Рис. 3. Электронограмма от поверхности поликристаллического кремния: я=3,5 Вт/см2; Р=300Па;Т=630 К Структура и свойства слоев кремния, полученных в плазме и пиролизом

Аморфный слой, Поликристал-

осажденный в лический слой, Высокотемпературное

Параметр плазме осажденный в осаждение

из: плазме

SiCI4+H2 SiH4 81С14 SiH4 SiCI4 SiH4

Температура осаждения, К 400 400 620 580 873 870

Размер зерна, мкм - - 0,08-2 0,1-0,5 1-5 1-5

Коэффициент поглощения 103-104 104-105 103-104 104 103 103

см-1

Оптическая ширина 2,2 1,9-2,3 1,8-2,0 1,5-2,0 1,1-1,5 1,0-1,5

запрещенной зоны, эВ

Показатель преломления 2,0-2,2 1,9-2,3 2,4-3,0 2,3-3,1 3,3 3,2-3,6

граммах (рис. 3). Было отмечено, что процесс начала образования поликристаллического кремния на монокристаллической поверхности происходит при меньших температурах, чем на двуокиси кремния. С повышением удельной мощности разряда процесс образования поликремния начинается также при меньших температурах процесса.

Сопоставление этих данных с результатами высокотемпературного осаждения кремния (1173 - 1373 К) из 8Ю4 +Н2 [12] (таблица) показывает, что плазмохи-мическое восстановление 8Ю14+Н2 позволяет снизить температуру начала образования поликристаллического кремния на 200 - 300 К.

Исследование микроструктуры поликристалл-лического кремния показало, что слои, полученные в ВЧ емкостном разряде, имеют меньший размер зерна, чем поликремний, полученный термическим водородным восстановлением тетрахлорида кремния.

В таблице представлены свойства слоев кремния (аморфного и поликристаллического), выращенного по хлоридной (8Ю4 +Н2), и кремния, выращенного разложением в плазме моносилана (81Н4 +Н2) [13, 14].

Свойства слоев аморфного и поликристаллическо-

го кремния, полученного в плазме SiCI4 +Н2, сопоставимы со свойствами слоев кремния, полученных разложением моносилана, что свидетельствует о возможности применения разработанной технологии для получения фотоэлектрических преобразователей.

Литература

1. Iohn Seto Y. W. // J. Electrochem Soc. 1975. Vol. 122. № 5.

P. 701-706.

2. Усов П. Н. и др. // Физика и техника полупроводников. 1976. Вып. 3. С. 560-562.

3. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Структура, приготовление и приборы / Под ред. Дж. Джоунопулоса и Дж. Люковски. М., 1987.

4. Аморфные и поликристаллические полупроводники / Под ред. В. Хейванта. М., 1987.

5. Чистяков Ю.Д. и др. // Сб. пауч. тр по проблемам элек-

тропики. Сер. Химико-технологическая. Вып. 8. М., 1972. С. 161-164.

6. Thencrer Н.С. // J. Electrochem. Soc. 1961. Vol. 108. № 7. P. 649-651.

7. Кузнецов Г.Д. и др. // Электронная техника. Сер. Материалы. Вып. 4. 1977. С. 109-113.

8. Концевой Ю.А. и др. Методы контроля технологии производства полупроводниковых приборов. М., 1973.

9. Полунин В.Н. и др.// Изв. СКНЦ ВШ. Техн науки. 1985. № 3. С. 79-81.

10. Чистяков Ю.Д. и др. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М., 1972.

11. Полунин В.Н. и др. // Аморфные гидрированные полупроводники и их применение. Л., 1991. С. 67-68.

12. Харбене Г. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение / Под ред. Г.Харбене. М., 1989. С. 341.

18 марта 2005 г

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия