eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #9/2018
Баранов Юрий Николаевич, Шварц Карл-Генрих Маркусович, Соколов Евгений Макарович, Стаценко Владимир Николаевич, Федотов Сергей Дмитриевич, Тарасов Дмитрий Владимирович, Тимошенков Сергей Петрович
Газотранспортный хлоридный перенос кремния в сэндвич-системе
Газотранспортный хлоридный перенос кремния в сэндвич-системе
Просмотры: 4862
В данной работе представлены результаты разработки и исследования процесса формирования эпитаксиальных слоев кремния, полученных с помощью хлоридного газотранспортного переноса в сэндвич-системе. Изучено формирование моно- и поликристаллических слоев на различных кремниевых подложках, а также на структурах типа «кремний с диэлектрической изоляцией» (КСДИ, EPIC). Исследованы распределения температуры в сэндвич-системе и толщины эпитаксиального слоя по площади подложки. Изучены зависимости скорости роста слоя от температуры пластины-источника и подложки, соотношения Cl/H и величины зазора между пластинами в сэндвич-системе. Скорость роста поликристаллических слоев на КСДИ достигает 12 мкм/мин при толщине слоев 300–600 мкм, монокристаллических слоев Si на кремниевых подложка 8–10 мкм/мин при толщине слоев 40–100 мкм. Наиболее значимой особенностью процесса хлоридного газотранспортного переноса кремния с практической точки зрения является то, что при формировании эпитаксиальных слоев в качестве источника кремния можно использовать отбракованные пластины и структуры, прошедшие различные циклы эпитаксиального производства. Механизм переноса позволяет формировать эпитаксиальные монокристаллические слои и поликристаллические опорные слои со скоростью роста более 10 мкм/мин вне зависимости от качества пластины —источника Si, что значительно снижает себестоимость процесса изготовления.
УДК 546.05:548.55:54628.121:660.94.49/(Ж/О)35.20
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.273.280
УДК 546.05:548.55:54628.121:660.94.49/(Ж/О)35.20
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.273.280
Теги: chloride vapor transport cvt epic gas-transport epitaxy mems polycrystalline silicon sandwich-system single crystalline silicon газотранспортная эпитаксия газотранспортный перенос ксди монокристаллический кремний мэмс поликристаллический кремний сэндвич-система хлоридный процесс
В настоящее время процесс формирования эпитаксиальных слоев кремния изучен достаточно полно [1]. Существуют различные методы формирования кремниевых авто- и гетероэпитаксиальных слоев, среди которых можно выделить метод химического осаждения из газовой фазы (ГФЭ, CVD) как наиболее распространенный метод промышленного производства данных слоев. Рабочие температуры CVD-процесса находятся в диапазоне от 200 °C (PECVD) до 1200 °C (APCVD), при этом скорость роста может достигать 10 мкм/мин (RTCVD) [2]. Основными преимуществами, обеспечившими методу CVD повсеместное распространение, являются его производительность и простота исполнения. Стандартный вертикальный реактор позволяет производить наращивание эпитаксиального слоя кремния толщиной до 150 мкм одновременно на 14 подложках диаметром 150 мм, 5 подложках диаметром 200 мм. При этом аналогичные реакторы горизонтального типа, позволяющие получить большую однородность по толщине и удельному сопротивлению, способны производить наращивание слоя кремния толщиной до 100 мкм одновременно на 5 подложках диаметром 200 мм. Однако при изготовлении толстых кремниевых эпитаксиальных слоев (толщиной до 150 мкм) для силовой электроники [3] или опорных поликристаллических слоев (толщиной до 400 мкм) для структур типа КСДИ для МЭМС [4–5] с помощью CVD-процесса возникает ряд технологических проблем. К таким проблемам относятся: быстрое зарастание внутренних поверхностей реактора, большой расход кремнийсодержащих реагентов и продолжительность процесса. При этом проведение процессов наращивания толстых эпитаксиальных слоев CVD методом нецелесообразно экономически. Себестоимость таких процессов будет высокой вследствие повышенных энергозатрат, обусловленных малой скоростью роста и повышенным расходом дорогостоящих реагентов с малым КПД (больший объем уходит на сброс). Повышение отбраковки получаемых изделий также возникает вследствие высокой чувствительности процесса к загрязнениям, привносимым зарастающей оснасткой реактора. Таким образом, наращивание толстых эпитаксиальных структур кремния требует нового альтернативного метода эпитаксии, сочетающего высокую производительность и низкую себестоимость процесса изготовления.
Требуемым условиям может удовлетворять метод газотранспортного хлоридного переноса (газотранспортной хлоридной эпитаксии) кремния в сэндвич-системе [6], исследуемый в данной работе. Принцип газотранспортной эпитаксии кремния заключается в переносе атомарного кремния от твердого источника через газообразные галогениды кремния, являющиеся транспортными агентами, на подложку при атмосферном давлении. Существует метод газотранспортного йодидного переноса кремния при атмосферном давлении (APIVT, atmospheric pressure iodine vapor transport) [7], который основывается на реакции диспропорционирования SiI2 [8]. Данный метод применяется для выращивания слоев кремния, предназначенных для солнечных элементов и других фотовольтаических приборов. Максимальная скорость роста слоя поликремния с характерным размером кристаллического зерна 5–20 мкм составляет 3 мкм/мин, диапазон ростовых температур 750–950 °C [9]. Авторы работы [10] отмечают, что при использовании APIVT в качестве материала источника может выступать кремний более низкого качества (с более высоким содержанием примесей), чем кремний подложки. Свободные энергии образования галогенидных соединений кремния и примесей различны, что позволяет производить очистку в процессе эпитаксии. Использование APIVT для наращивания поликремния имеет ряд преимуществ, однако нет информации о применимости данного метода к наращиванию монокристаллических слоев. Также использование газообразных йодидов кремния в отечественной микроэлектронике затруднительно, т. к. отсутствует доступный производитель данных реагентов.
Разработанный метод газотранспортного хлоридного переноса (chloride vapor transport, CVT) кремния в сэндвич системе основывается на схожем механизме метода APIVT, однако обладает несколькими значительными отличиями, формирующими его преимущества по сравнению с аналогичными методами. Массоперенос кремния происходит в хлорсодержащей атмосфере в специальной сэндвич-системе, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.
Данная система состоит из двух пластин: подложки и пластины источника кремния, которые могут быть расположены друг против друга как в горизонтальной, так и в вертикальной ориентации. Пластина-источник Si располагается на графитовом подложкодержателе, покрытом слоем SiC. Подложка (кремниевая пластина или структура КСДИ) располагается над пластиной-источником через регулируемый зазор. Данный зазор обеспечивает температурный градиент между пластинами сэндвич-системы. Температурный градиент в свою очередь являектся движущей силой процесса газотранспортного массопереноса кремния — концентрационный градиент в области протекания реакции на рабочих поверхностях пластин.
Для определения термодинамических зависимостей в системе Si-H-Cl использовалась термодинамическая модель Левера [11]. Данная модель описывает состояние системы Si-H-Cl, рассматривая девять компонентов: H2, HCl, SiCl, SiCl2, SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl и SiH4 в диапазоне температур 800–1700 °K. Отмечено, что для практического применения оптимальным является атмосферное давление. Номограмма Левера, показанная на рис. 2, отражает зависимость соотношений Si/Cl и Cl/H от температуры. Начальные параметры процесса газотранспортного хлоридного переноса кремния были подобраны, руководствуясь данной номограммой.
Данная номограмма описывает состояние системы Si-H-Cl при давлении 1 атмосфера. Автор указывает, что в области низких значений соотношения Si/Cl (правый нижний угол) в системе преобладает HCl, а широкий гребень слева вызван избытком SiHCl3. Резко возрастающая зависимость в правом верхнем углу обусловлена повышением количества SiCl2, в то время как при высоких значениях соотношения Cl/H и температуре ниже 1200 °K повышается количество SiCl4 за счет избыточного образования и хлорирования SiHCl3. Также отмечено, что при использовании SiCl4 в качестве источника Si и Cl, оптимальным значением соотношения Si/Cl будет 0,25 (кривая соотношения обозначена выделенной линией, см. рис. 2). Области номограммы, лежащие выше выделенной линии, отражают условия, в которых происходит травление кремния. Можно отметить, что SiHCl3 может выступать в качестве реагента-травителя только в случае высоких соотношений Cl/H и температур свыше 1500 °К. В презентуемой работе процесс газотранспортного переноса в сэндвич-системе был исследован для парогазовых смесей HCl+H2 и SiCl4+H2.
Циклограмма процесса газотранспортного хлоридного переноса в сэндвич-системе показана на рис. 3 на примере парогазовой смеси HCl+H2. После расположения пластин в сэндвич-системе и загрузке в реактор происходит продувка азотом и наполнение реактора водородом. Далее следует нагрев подложкодержателя до температуры ~1200 °C. Парогазовая смесь HCl+H2 поступает в реактор, после чего происходит процесс газотранспортного переноса кремния от источника и роста слоя на поверхности подложки. После этапа роста происходит охлаждение, продувка реакционной камеры водородом и азотом.
По приведенному выше технологическому алгоритму были проведены процессы формирования поликристаллических и монокристаллических слоев на кремниевых подложках и структурах КСДИ.
В первую очередь исследовалась зависимость температурного градиента в сэндвич-системе от величины зазора (Spacing, рис. 4а) и влияние величины зазора на скорость роста (Vgrowth, рис. 4б). Температурный градиент измерялся с помощью оптического пирометра, толщина получаемых слоев контролировалась с помощью ИК-Фурье спектрометра ФСМ 1201. В качестве подложек использовались пластины КЭС 0,01 ∅ 100 мм, ориентацией (111) с рассогласованием 4°, для источника были выбраны пластины КДБ 10 ∅ 100 мм, (111).
Зависимости, приведенные на рис. 4, показывают, что с увеличением величины зазора температурный градиент между пластинами увеличивается, а скорость роста падает. Это позволяет определить оптимальный диапазон величин зазора равный 0,2–1 мм или температурный градиент величиной 80–100 °C. Стоит отметить, что использование кварцевых тепловых экранов, расположенных над подложкой, позволяет получить оптимальное значение температурного градиента между пластинами при величине зазора 3–4 мм.
На рис. 5 показаны основные зависимости скорости роста (Vgrowth) эпитаксиального слоя от соотношения Cl/H при температуре 1250 °C и зазоре 0,35 мм для различных ПГС, где (а) — для HCl+H2, (б) — для SiCl4+H2, (в) — для различных ПГС с разной величиной зазора; (г) — зависимость скорости роста от температуры пластины-источника (Tsource), усредненная для разных ПГС.
Из найденных зависимостей определено, что наибольшую скорость роста удается получить, используя HCl в качестве ПГС при величине зазора 0,3 мм. Также выяснено, что скорость роста кремниевого слоя повышается при увеличении соотношения Cl/H и росте температуры, что согласуется с данными номограммы Левера. Стоит отметить, что зависимости, показанные на рис. 5, были получены без каких либо тепловых экранов. В случае использования тепловых экранов в сэндвич-системе характер приведенных зависимостей остается прежним, однако скорость роста несколько возрастает вследствие повышения температуры процесса и уменьшения температурного градиента между пластинами. Таким образом, соотношения Cl/H и температурный градиент являются основными инструментами управления скоростью роста в данном процессе.
Зависимости, представленные на рис. 6, объединяют результаты исследования влияния соотношения Cl/H на скорость роста поликристаллических слоев Si на КСДИ структурах и монокристаллических слоев на кремниевых подложках.
На показанном выше графике видно, что скорость роста поликристаллических слоев достигает 12 мкм/мин при толщине слоев 300–600 мкм. Скорость роста монокристаллических слоев Si варьировалась в диапазоне 1–8 мкм/мин, при этом результирующая толщина слоев была 40–100 мкм. Разброс толщины Si-слоев на полученных структурах диаметром 100 мм не превышал 10 % по площади, разброс удельного сопротивления не превышал 15 % по площади. Обнаружено, что уменьшение зазора на 0,1 мм значительно увеличивает скорость роста поликристаллических слоев Si, что не наблюдалось в случае монокристаллического Si.
На рис. 7 представлены снимки поверхности эпитаксиальных слоев Si, полученных в сэндвич-системе с помощью газотранспортного хлоридного переноса. Обнаружено, что на поверхности слоев, сформированных на подложках КЭС 0,01 ∅ 100 мм ориентацией (111) с рассогласованием 4°, присутствуют характерные дефекты упаковки, связанные с недостаточно высокой температурой эпитаксиального роста. Плотность структурных дефектов на поверхности исследуемых структур, подсчитанная с помощью оптического микроскопа фирмы Leitz (Германия), составила 3–5 шт/см2.
В результате проведенных исследований CVT процесса в сэндвич-системе был разработан концепт реактора для промышленного производства толстых эпитаксиальных структур, показанный на рис. 8.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: проведено исследование газотранспортного хлоридного переноса кремния в сэндвич-системе для случаев формирования поликристаллических и монокристаллических слоев Si на структурах КСДИ и кремниевых подложках. При этом определено, что основными технологическими параметрами, определяющими скорость роста Si-слоев, являются температура пластины-источника, величина зазора между пластинами, а также соотношение Cl/H в атмосфере реактора. Скорость роста при оптимальных значениях Cl/H и величине зазора для поликристаллических Si-слоев на КСДИ структурах превышала 10 мкм/мин, а для монокристаллических слоев на кремниевых подложках достигала 8 мкм/мин. Плотность дефектов упаковки на поверхности получаемых монокристаллических слоев равнялась 3–5 шт/см2. Наиболее значимой особенностью процесса хлоридного газотранспортного переноса кремния с практической точки зрения является низкая себестоимость процесса изготовления, так как при формировании эпитаксиальных слоев в качестве источника кремния можно использовать отбракованные пластины и структуры, прошедшие различные циклы эпитаксиального производства (например, термоспутники). Высокая скорость роста поли- и монокристаллических слоев Si также является важным преимуществом, позволяющим сократить продолжительность процесса роста и, соответственно, снизить энергетические и материальные затраты на процесс.
Авторы выражают искреннюю благодарность А. Ф. Волкову, который внес большой теоретический и практический вклад в разработку и организацию данного метода на производственном участке АО «Эпиэл».
Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке Российского научного фонда при выполнении проекта 16-19-00177 «Исследование и разработка интеллектуальных МЭМС датчиков с функциями самокалибровки и автоматизированных испытательных комплексов» (2016–2017 гг.), а также за счет внутренних средств АО «Эпиэл».
ЛИТЕРАТУРА
1. Fisher G., Seacrist M. R., Standley R. W. Silicon Crystal Growth and Wafer Technologies // Proceedings of the IEEE, Vol. 100, 2012, pp. 1454–1474.
2. Faller F. R., Henninger V., Hurrle A., Schillinger N. “Optimization of the CVD Process for Lowcost Crystalline-Silicon Thin-Film Solar Cells”. The 2nd World Conference on PV Solar Energy Conversion, Vienna,P. 1278, (1998).
3. Rosa M. Thick Epitaxial Silicon Enhances Perfomance of Power and Mems Devices // Nanochip FAB Solution (Applied Materials), 2014, Vol. 9, Iss. 1, pp. 24–29.
4. Ng E. J., Wang S., Buchman D. et al. Ultra-Stable Epitaxial Polysilicon Resonators // Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop Hilton Head Island, South Carolina, June 3–7, 2012,pp. 271–274.
5. Yasaitis J. et al. A Modular Process for Integrating Thick Polysilicon MEMS Devices with Sub-Micron CMOS // Micromachining and Microfabrication Process Technology VIII, Proceedings of SPIE Vol. 4979 (2003), pp. 145–154.
6. Способ формирования полупроводниковых структур: пат. 2393585С1 Рос. Федерация: МПК51 H01L 21/76 / А. Ф. Волков, В. В. Козихин, Е. М. Соколов, В. Н. Стаценко, В. Н. Степченков, К.-Г. М. Шварц; заявитель и патентообладатель ЗАО «ЭПИЭЛ». — № 2009115834/28; заявл. 28.04.2009; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.
7. Wang T. H. and Ciszek T. F. “Growth of Large-Grain Silicon Layers by Atmospheric Iodine Vapor Transport”, J. Electrochem. Society, 147 (5) (2000), pp. 1945–1949.
8. Glang R. and Wajda E. S. “Silicon” in The Art and Science of Growing Crystals, Ed. J. J. Gilman, John Wiley & Sons, New York, pp. 80–92, (1963).
9. Wang T. H., Ciszek T. F., Page M. R., Bauer R. E., Wang Q. and Landry M. D. “APIVT-Grown Silicon Thin Layers and PV Devices” to be Presented at the 29th IEEE PV Specialists Conference, New Orleans,Louisiana, May 20–24, 2002, NREL/CP-520-31441.
10. Ciszek T. F., Wang T. H., Page M. R., Menna P., Bauer R. E., Good E. A. and Landry M. D. “Alternative Solar-Grade Silicon Feedstock Approaches” to be Presented at the NCPV Program Review MeetingLakewood, Colorado, 14–17 October 2001, NREL/CP-520-31007.
11. Lever R. F. The Equilibrium Behavior of the Silicon-Hydrogen-Chlorine System // IBM Journal, Sept. 1964, pp. 460–465.
Требуемым условиям может удовлетворять метод газотранспортного хлоридного переноса (газотранспортной хлоридной эпитаксии) кремния в сэндвич-системе [6], исследуемый в данной работе. Принцип газотранспортной эпитаксии кремния заключается в переносе атомарного кремния от твердого источника через газообразные галогениды кремния, являющиеся транспортными агентами, на подложку при атмосферном давлении. Существует метод газотранспортного йодидного переноса кремния при атмосферном давлении (APIVT, atmospheric pressure iodine vapor transport) [7], который основывается на реакции диспропорционирования SiI2 [8]. Данный метод применяется для выращивания слоев кремния, предназначенных для солнечных элементов и других фотовольтаических приборов. Максимальная скорость роста слоя поликремния с характерным размером кристаллического зерна 5–20 мкм составляет 3 мкм/мин, диапазон ростовых температур 750–950 °C [9]. Авторы работы [10] отмечают, что при использовании APIVT в качестве материала источника может выступать кремний более низкого качества (с более высоким содержанием примесей), чем кремний подложки. Свободные энергии образования галогенидных соединений кремния и примесей различны, что позволяет производить очистку в процессе эпитаксии. Использование APIVT для наращивания поликремния имеет ряд преимуществ, однако нет информации о применимости данного метода к наращиванию монокристаллических слоев. Также использование газообразных йодидов кремния в отечественной микроэлектронике затруднительно, т. к. отсутствует доступный производитель данных реагентов.
Разработанный метод газотранспортного хлоридного переноса (chloride vapor transport, CVT) кремния в сэндвич системе основывается на схожем механизме метода APIVT, однако обладает несколькими значительными отличиями, формирующими его преимущества по сравнению с аналогичными методами. Массоперенос кремния происходит в хлорсодержащей атмосфере в специальной сэндвич-системе, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.
Данная система состоит из двух пластин: подложки и пластины источника кремния, которые могут быть расположены друг против друга как в горизонтальной, так и в вертикальной ориентации. Пластина-источник Si располагается на графитовом подложкодержателе, покрытом слоем SiC. Подложка (кремниевая пластина или структура КСДИ) располагается над пластиной-источником через регулируемый зазор. Данный зазор обеспечивает температурный градиент между пластинами сэндвич-системы. Температурный градиент в свою очередь являектся движущей силой процесса газотранспортного массопереноса кремния — концентрационный градиент в области протекания реакции на рабочих поверхностях пластин.
Для определения термодинамических зависимостей в системе Si-H-Cl использовалась термодинамическая модель Левера [11]. Данная модель описывает состояние системы Si-H-Cl, рассматривая девять компонентов: H2, HCl, SiCl, SiCl2, SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl и SiH4 в диапазоне температур 800–1700 °K. Отмечено, что для практического применения оптимальным является атмосферное давление. Номограмма Левера, показанная на рис. 2, отражает зависимость соотношений Si/Cl и Cl/H от температуры. Начальные параметры процесса газотранспортного хлоридного переноса кремния были подобраны, руководствуясь данной номограммой.
Данная номограмма описывает состояние системы Si-H-Cl при давлении 1 атмосфера. Автор указывает, что в области низких значений соотношения Si/Cl (правый нижний угол) в системе преобладает HCl, а широкий гребень слева вызван избытком SiHCl3. Резко возрастающая зависимость в правом верхнем углу обусловлена повышением количества SiCl2, в то время как при высоких значениях соотношения Cl/H и температуре ниже 1200 °K повышается количество SiCl4 за счет избыточного образования и хлорирования SiHCl3. Также отмечено, что при использовании SiCl4 в качестве источника Si и Cl, оптимальным значением соотношения Si/Cl будет 0,25 (кривая соотношения обозначена выделенной линией, см. рис. 2). Области номограммы, лежащие выше выделенной линии, отражают условия, в которых происходит травление кремния. Можно отметить, что SiHCl3 может выступать в качестве реагента-травителя только в случае высоких соотношений Cl/H и температур свыше 1500 °К. В презентуемой работе процесс газотранспортного переноса в сэндвич-системе был исследован для парогазовых смесей HCl+H2 и SiCl4+H2.
Циклограмма процесса газотранспортного хлоридного переноса в сэндвич-системе показана на рис. 3 на примере парогазовой смеси HCl+H2. После расположения пластин в сэндвич-системе и загрузке в реактор происходит продувка азотом и наполнение реактора водородом. Далее следует нагрев подложкодержателя до температуры ~1200 °C. Парогазовая смесь HCl+H2 поступает в реактор, после чего происходит процесс газотранспортного переноса кремния от источника и роста слоя на поверхности подложки. После этапа роста происходит охлаждение, продувка реакционной камеры водородом и азотом.
По приведенному выше технологическому алгоритму были проведены процессы формирования поликристаллических и монокристаллических слоев на кремниевых подложках и структурах КСДИ.
В первую очередь исследовалась зависимость температурного градиента в сэндвич-системе от величины зазора (Spacing, рис. 4а) и влияние величины зазора на скорость роста (Vgrowth, рис. 4б). Температурный градиент измерялся с помощью оптического пирометра, толщина получаемых слоев контролировалась с помощью ИК-Фурье спектрометра ФСМ 1201. В качестве подложек использовались пластины КЭС 0,01 ∅ 100 мм, ориентацией (111) с рассогласованием 4°, для источника были выбраны пластины КДБ 10 ∅ 100 мм, (111).
Зависимости, приведенные на рис. 4, показывают, что с увеличением величины зазора температурный градиент между пластинами увеличивается, а скорость роста падает. Это позволяет определить оптимальный диапазон величин зазора равный 0,2–1 мм или температурный градиент величиной 80–100 °C. Стоит отметить, что использование кварцевых тепловых экранов, расположенных над подложкой, позволяет получить оптимальное значение температурного градиента между пластинами при величине зазора 3–4 мм.
На рис. 5 показаны основные зависимости скорости роста (Vgrowth) эпитаксиального слоя от соотношения Cl/H при температуре 1250 °C и зазоре 0,35 мм для различных ПГС, где (а) — для HCl+H2, (б) — для SiCl4+H2, (в) — для различных ПГС с разной величиной зазора; (г) — зависимость скорости роста от температуры пластины-источника (Tsource), усредненная для разных ПГС.
Из найденных зависимостей определено, что наибольшую скорость роста удается получить, используя HCl в качестве ПГС при величине зазора 0,3 мм. Также выяснено, что скорость роста кремниевого слоя повышается при увеличении соотношения Cl/H и росте температуры, что согласуется с данными номограммы Левера. Стоит отметить, что зависимости, показанные на рис. 5, были получены без каких либо тепловых экранов. В случае использования тепловых экранов в сэндвич-системе характер приведенных зависимостей остается прежним, однако скорость роста несколько возрастает вследствие повышения температуры процесса и уменьшения температурного градиента между пластинами. Таким образом, соотношения Cl/H и температурный градиент являются основными инструментами управления скоростью роста в данном процессе.
Зависимости, представленные на рис. 6, объединяют результаты исследования влияния соотношения Cl/H на скорость роста поликристаллических слоев Si на КСДИ структурах и монокристаллических слоев на кремниевых подложках.
На показанном выше графике видно, что скорость роста поликристаллических слоев достигает 12 мкм/мин при толщине слоев 300–600 мкм. Скорость роста монокристаллических слоев Si варьировалась в диапазоне 1–8 мкм/мин, при этом результирующая толщина слоев была 40–100 мкм. Разброс толщины Si-слоев на полученных структурах диаметром 100 мм не превышал 10 % по площади, разброс удельного сопротивления не превышал 15 % по площади. Обнаружено, что уменьшение зазора на 0,1 мм значительно увеличивает скорость роста поликристаллических слоев Si, что не наблюдалось в случае монокристаллического Si.
На рис. 7 представлены снимки поверхности эпитаксиальных слоев Si, полученных в сэндвич-системе с помощью газотранспортного хлоридного переноса. Обнаружено, что на поверхности слоев, сформированных на подложках КЭС 0,01 ∅ 100 мм ориентацией (111) с рассогласованием 4°, присутствуют характерные дефекты упаковки, связанные с недостаточно высокой температурой эпитаксиального роста. Плотность структурных дефектов на поверхности исследуемых структур, подсчитанная с помощью оптического микроскопа фирмы Leitz (Германия), составила 3–5 шт/см2.
В результате проведенных исследований CVT процесса в сэндвич-системе был разработан концепт реактора для промышленного производства толстых эпитаксиальных структур, показанный на рис. 8.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: проведено исследование газотранспортного хлоридного переноса кремния в сэндвич-системе для случаев формирования поликристаллических и монокристаллических слоев Si на структурах КСДИ и кремниевых подложках. При этом определено, что основными технологическими параметрами, определяющими скорость роста Si-слоев, являются температура пластины-источника, величина зазора между пластинами, а также соотношение Cl/H в атмосфере реактора. Скорость роста при оптимальных значениях Cl/H и величине зазора для поликристаллических Si-слоев на КСДИ структурах превышала 10 мкм/мин, а для монокристаллических слоев на кремниевых подложках достигала 8 мкм/мин. Плотность дефектов упаковки на поверхности получаемых монокристаллических слоев равнялась 3–5 шт/см2. Наиболее значимой особенностью процесса хлоридного газотранспортного переноса кремния с практической точки зрения является низкая себестоимость процесса изготовления, так как при формировании эпитаксиальных слоев в качестве источника кремния можно использовать отбракованные пластины и структуры, прошедшие различные циклы эпитаксиального производства (например, термоспутники). Высокая скорость роста поли- и монокристаллических слоев Si также является важным преимуществом, позволяющим сократить продолжительность процесса роста и, соответственно, снизить энергетические и материальные затраты на процесс.
Авторы выражают искреннюю благодарность А. Ф. Волкову, который внес большой теоретический и практический вклад в разработку и организацию данного метода на производственном участке АО «Эпиэл».
Работа выполнялась при частичной финансовой поддержке Российского научного фонда при выполнении проекта 16-19-00177 «Исследование и разработка интеллектуальных МЭМС датчиков с функциями самокалибровки и автоматизированных испытательных комплексов» (2016–2017 гг.), а также за счет внутренних средств АО «Эпиэл».
ЛИТЕРАТУРА
1. Fisher G., Seacrist M. R., Standley R. W. Silicon Crystal Growth and Wafer Technologies // Proceedings of the IEEE, Vol. 100, 2012, pp. 1454–1474.
2. Faller F. R., Henninger V., Hurrle A., Schillinger N. “Optimization of the CVD Process for Lowcost Crystalline-Silicon Thin-Film Solar Cells”. The 2nd World Conference on PV Solar Energy Conversion, Vienna,P. 1278, (1998).
3. Rosa M. Thick Epitaxial Silicon Enhances Perfomance of Power and Mems Devices // Nanochip FAB Solution (Applied Materials), 2014, Vol. 9, Iss. 1, pp. 24–29.
4. Ng E. J., Wang S., Buchman D. et al. Ultra-Stable Epitaxial Polysilicon Resonators // Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop Hilton Head Island, South Carolina, June 3–7, 2012,pp. 271–274.
5. Yasaitis J. et al. A Modular Process for Integrating Thick Polysilicon MEMS Devices with Sub-Micron CMOS // Micromachining and Microfabrication Process Technology VIII, Proceedings of SPIE Vol. 4979 (2003), pp. 145–154.
6. Способ формирования полупроводниковых структур: пат. 2393585С1 Рос. Федерация: МПК51 H01L 21/76 / А. Ф. Волков, В. В. Козихин, Е. М. Соколов, В. Н. Стаценко, В. Н. Степченков, К.-Г. М. Шварц; заявитель и патентообладатель ЗАО «ЭПИЭЛ». — № 2009115834/28; заявл. 28.04.2009; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.
7. Wang T. H. and Ciszek T. F. “Growth of Large-Grain Silicon Layers by Atmospheric Iodine Vapor Transport”, J. Electrochem. Society, 147 (5) (2000), pp. 1945–1949.
8. Glang R. and Wajda E. S. “Silicon” in The Art and Science of Growing Crystals, Ed. J. J. Gilman, John Wiley & Sons, New York, pp. 80–92, (1963).
9. Wang T. H., Ciszek T. F., Page M. R., Bauer R. E., Wang Q. and Landry M. D. “APIVT-Grown Silicon Thin Layers and PV Devices” to be Presented at the 29th IEEE PV Specialists Conference, New Orleans,Louisiana, May 20–24, 2002, NREL/CP-520-31441.
10. Ciszek T. F., Wang T. H., Page M. R., Menna P., Bauer R. E., Good E. A. and Landry M. D. “Alternative Solar-Grade Silicon Feedstock Approaches” to be Presented at the NCPV Program Review MeetingLakewood, Colorado, 14–17 October 2001, NREL/CP-520-31007.
11. Lever R. F. The Equilibrium Behavior of the Silicon-Hydrogen-Chlorine System // IBM Journal, Sept. 1964, pp. 460–465.
Отзывы читателей
