Исследование и оптимизация процесса осаждения пленок поликристаллического кремния, легированного германием как изовалентной примесью Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

2004

Доклады Б ГУ ИР

январь-март

№ 3

УДК 621.315.5.592.3

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ГЕРМАНИЕМ КАК ИЗОВАЛЕНТНОЙ ПРИМЕСЬЮ

В.М. БОРИСЕВИЧ, А А. КОВАЛЕВСКИЙ, В В. НЕЛАЕВ, В С. МАЛЫШЕВ, В.Р. СТЕМПИЦКИЙ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Унитарное предприятие "Белмикросистемы"

Поступила в редакцию 19 ноября 2003

Проведено экспериментальное исследование кинетики роста пленок поликристаллического кремния, легированных изовалентной примесью — германием. Установлены закономерности влияния основных технологических параметров процесса на скорость роста и удельное электрическое сопротивление пленок. Тонкие пленки поликристаллического кремния, легированные германием и выращенные при температуре 620° С, при пониженном давлении обладают лучшими структурно-морфологическими свойствами по сравнению с нелегированными пленками. На основании экспериментальных результатов получена аппроксимацион-ная зависимость скорости осаждения, удельного электрического сопротивления от условий разложения моногидридов и состава газовой смеси. Приведены результаты решения задачи оптимизации значимых параметров исследованного процесса.

Ключевые слова: кинетика, изовалентная примесь, скорость осаждения, удельное электрическое сопротивление, аппроксимация, оптимизация.

Введение

Осаждение пленок поликристаллического кремния в настоящее время — составная часть технологического цикла при изготовлении практически всех типов биполярных ИС, значительной части МОП и КМОП ИС, дискретных приборов, ПЗС и ПИЗУ. Одной из ключевых проблем современной технологии осаждения пленок поликристаллического кремния является получение пленок с однородными свойствами. Особое значение эта проблема приобретает с ростом производительности оборудования и диаметра подложек.

Промышленные методы получения пленок поликристаллического кремния основаны на реакционной конденсации кремния из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются 81СЦ, 8ШСЬ. 81Н2С12. 81Н4, 812Н6, а также транспортирующие газы — водород, гелий, аргон, азот. Процессы осаждения проводятся в реакционных камерах проточного типа преимущественно при пониженном давлении. Наиболее распространенным способом осаждения пленок поликремния является гидридный процесс, основанный на эндотермической реакции пиролиза моносилана:

81Н4 <=> 81 + 2Н2.

В гидридном процессе пленки поликристаллического кремния с параметрами, соответствующими требованиям современной микроэлектроники, формируются, как правило, в кинетической области протекания гетерогенной реакции при температуре не выше 640 °С и пониженном давлении [1-8]. При таких условиях увеличивается значение энергии активации процесса. Макроскопическая скорость процесса определяется условиями химической реакции реагирующих веществ и продуктов реакции. Однородность параметров и качество пленок поликристаллического кремния определяются прежде всего геометрией реакционной зоны, составом газовой смеси, температурных и газодинамических условий [1-5].

Анализ кинетических характеристик основных систем парогазовых смесей [1, 3-5] свидетельствует о том, что существующие химические системы и режимы реализации процессов осаждения пленок поликристаллического кремния требуют серьезных усовершенствований составов вследствие низкой скорости осаждения и недостаточного качества осаждаемых пленок [1-8]. Решение этой задачи возможно только путем фундаментальных исследований и оптимизации процесса осаждения. Другим, не менее важным обстоятельством, стимулирующим интенсивные исследования в этой области, является широкое внедрение физического моделирования как на стадии отработки, так и на стадии использования технологического процесса.

Создание высококачественных пленок поликристаллического кремния невозможно без использования новых исходных материалов. К таким материалам относится газовая смесь мо-носилан-моногерман. В процессе осаждения из такой газовой фазы германий вводится в пленку поликристаллического кремния как изовалентная примесь. Примесные атомы германия принадлежат к той же группе периодической системы, что и замещаемые ими атомы кремния. Такое изовалентное легирование (замещение) представляет собой простейший вариант изова-лентной ситуации в кристалле, поскольку оно является одноатомным и не изменяет координационного числа замещаемой кристаллографической позиции.

Связывание носителя на германии изовалентной примесью можно рассматривать как следствие различия электроотрицательностей замещаемых атомов кремния и германия. Известно [9], что электроотрицательность атома кремния равна 1,64, а атома германия — 1,59. Если электроотрицательность атома изовалентной примеси меньше электроотрицательности замещаемого атома, как это имеет место в случае германия с кремнием, то связываться будет дырка и германий как изовалентная примесь должен проявлять донорные свойства, что важно с точки зрения свойств легированных пленок поликремния.

В результате легирования пленки поликристаллического кремния германием как изовалентной примесью германий, концентрируясь по границам зерен, связывает оборванные связи в кремнии, не изменяя координационного числа замещаемой позиции. При этом образуется кова-лентная связь между кремнием и германием, что сдерживает эффект рекристаллизации в результате образования малоподвижных границ между зернами. Немаловажное влияние дополнительное введение германия (моногермана) в газовую смесь оказывает и на кинетику процесса формирования пленки поликристаллического кремния.

Кинетика процесса осаждения пленок поликристаллического кремния

Успех реализации того или иного технологического процесса зависит главным образом от того, насколько правильно определены зависимости кинетики процесса от контролирующих параметров, таких, как концентрации (парциальные давления) и соотношения реагентов, температуры подложки, потоков газов. Все кинетические закономерности, которые обсуждаются ниже, получены при таких условиях эксперимента, когда явления массопереноса являются некритичными.

Задача исследования кинетики любой реакции, в том числе и гетерогенного взаимодействия газа с поверхностью подложки, начинается с установления аналитической зависимости скорости реакции от концентрации активного газа (газов) и температуры подложки. Снижение температуры процесса осаждения пленок поликристаллического кремния может быть достигнуто за счет создания таких условий, при которых скорость осаждения пленки не изменяется, или, напротив, увеличивается. Так, добавление примеси-катализатора к моносилану приводит к увеличению скорости осаждения, что представляет важный практический интерес к осаждению

пленок поликристаллического кремния при более низкой температуре. Однако влияние компонентов, способных играть роль инициаторов, на закономерности роста пленок поликристаллического кремния в изотермической реакционной зоне реакторов пониженного давления, как и на свойства выращенных пленок, еще не исследовано. Исследованию и оптимизации параметров процесса осаждения пленок поликристаллического кремния при разложении моносилана в присутствии моногермана и посвящена настоящая работа.

Методика эксперимента

Осаждение пленок поликристаллического кремния проводилось в изотермической зоне горизонтального реактора пониженного давления с горячими стенками "Изотрон 4-150" при температуре 560-630 °С. В качестве основной температуры была выбрана температура 620±5°С. Температурный профиль поддерживался с точностью ±1°С. В экспериментах использовались 100%-ный моносилан и смесь, состоящая из 3% моногермана и 97% аргона классификации ОС.Ч. Кремниевые пластины диаметром 100 мм, покрытые термическим оксидом кремния (толщиной 20-40, 100 и 800 нм), помещались в камере перпендикулярно газовому потоку. Протяженность изотермической зоны реактора (/.,,,,) составляла 750 мм. Пластины равномерно размещались по изотермической зоне реактора на расстоянии 5мм друг от друга. Использовались кремниевые пластины с ориентациецй (100) и удельным сопротивление 12 и 20 Ом см, легированные соответственно бором и фосфором. Предварительно на пластинах выращивался термический оксид толщиной 20-40, 100 и 800нм.

Для заполнения реактора применялся азот, очищенный с помощью установки финишной очистки газов КФОГ-3. Регуляторы расхода газа позволяли контролировать и автоматически поддерживать расход используемых газов. Регулирующий кран в вакуумной линии в совокупности с электронным блоком регулировки давления давали возможность устанавливать и поддерживать требуемое рабочее давление в реакторе в процессе осаждения пленок поликристаллического кремния. Для сведения к минимуму погрешностей в определении скорости роста пленок поликристаллического кремния из-за нелинейности в начальной стадии роста время осаждения, как правило, было более 10 мин. Небольшие добавки аргона с моногерманом вводились в газовую смесь одновременно как для легирования поликристаллических пленок, так и для инициирования разложения моносилана моногерманом. Рабочее давление изменялось в пределах 10-140Па. Откачка реактора проводилась вакуумным агрегатом с быстротой откачки 150-300дм3/ч. Величина потока моносилана составляла 7,0±0,5 дм3/ч, а объемное соотношение между потоком моногермана и моносилана — 0,001-0,003. Соотношение между объемом моногермана и моносилана было принято равным 0,002±0,0005 в качестве базового.

Толщина осаждаемых пленок поликристаллического кремния (толщиной более 150 нм) измерялась по сколам в растровом электронном микроскопе "Hitachi-860", а также с помощью интерференционного микроскопа МИИ-11. Толщина пленок менее 150 нм определялась по цветовой таблице толщины поликристаллического кремния на кремниевой подложке, покрытой диоксидом кремния толщиной 100 нм.

Удельное электрическое сопротивление пленок поликристаллического кремния оценивалось четырехзондовым методом на измерителе ИУС-3 с блоком входного сопротивления 2 103 МОм и электрометром В7-30 с погрешностью ±5% при доверительной вероятности 0,97.

Экспериментальные результаты и их интерпретация

Проведено исследование закономерностей изменения скорости осаждения пленок поликристаллического кремния от величины общего давления в камере при скорости потока моносилана 7,0±0,5 дм3/ч и температуре подложки 620 °С. При изменении общего (полного) давления в камере (реакторе) от 40 до 140 Па скорость осаждения снижается по линейному закону с 110 до 20А/мин. Разброс толщины осажденных пленок на пластинах по всей изотермической зоне реактора и площади пластин при зазоре между ними h=5 мм не превышал ±5%. Распределение толщины пленок поликристаллического кремния, осажденных при парциальном давлении моносилана 35 и 45 Па для скорости потока 7 и 10,5 дм3/ч вдоль диаметра пластин показы-

вает. что реальная неоднородность по толщине пленки снижается при уменьшении давления. Если разброс по толщине пленки, осажденной при давлении 45Па, составляет ±2,5-3 %. то аналогичная величина для пленки, осажденной при давлении 35 Па, снижается до ±1,5-2 %.

Отмечено, что снижение давления в реакторе благоприятно сказывается на уменьшении шероховатости микрорельефа поверхности пленок. К аналогичным результатам приводит дополнительное введение в газовую смесь моногермана в количестве 0,002 об. ч. по отношению к объему чистого моносилана. При этом скорость осаждения увеличивается в 1,5-2 раза по отношению к процессу разложения только чистого моносилана (рис. 1). Изменение парциального давления моносилана в реакторе от 10 до 40 Па приводит к увеличению скорости осаждения от 50 до 110 А/мин при прочих равных условиях (рис. 1, 1). Скорость реакции разложения моногидридов в реакторах пониженного давления в указанных условиях зависит от парциального давления и скорости потока моносилана и пропорциональна им.

V-, А/мин

225 215 205 195 185 175 165 155 145 135 125 115 105 95 S5 75 65 55 45

< ^^^^^

5 « 5 20 5 Ю 15 0 А

: neqf.SiB4

, Па

Рис. 1. Зависимость скорости (Vp) осаждения пленок поликристаллического кремния в LPCVD процессе от величины парциального давления моносилана. Полное давление в реакторе 40Па, температура в центре изотермической зоны 620°С: / - осаждение без GeH4; 2 - с GeH,

При скорости потока моногидридов 7,0 и 10,5 дм 7ч процесс адсорбции моногидрида диссоциативен, т.е. при адсорбции моносилана на поверхности подложки происходит диссоциация молекулы моносилана на SiH2 (ад) и Н2, моногермана на Gel l; (ад) и Н2, каждая из которых занимает свой адсорбционный центр:

SiH4(ra3) —> SiH:(afl) + Н:(газ); SiH:(afl) —» Si(tb) + Н:(газ); GeH4(ra3) -> ОеН2(ад) + Н2(газ), GeH: (ад) -> Ge(tb) + Н: (газ).

(1) (2)

(3)

(4)

Если на растущей поверхности пленки имеются радикалы 81Н2 и СсН2 или их аналоги типа 81Н3, веНз, 81Н. СеН. то они вступают во взаимодействие между собой, например, согласно реакции:

SiH + GeH ———»SiH + GeH + H. 142

В итоге адсорбированными частицами являются кремний и германий Si, Ge —> Si, Ge ад, Si, Ge ад-> Si, Gc(tb) . (6)

Таким образом, характер адсорбции не меняется при изменении скорости потока. Перевод процесса осаждения пленок поликристаллического кремния в область более низких давлений моногидрида представляет значительный практический интерес, поскольку способствует повышению стабильности процесса осаждения за счет перевода его в область, где скорость осаждения практически нечувствительна или малочувствительна к величине давления в объеме изотермической зоны.

Повышение однородности пленок поликристаллического кремния по толщине и, следовательно. по электрофизическим параметрам, с уменьшением общего давления в изотермической зоне реактора при одной и той же скорости потока газов обусловлено в первую очередь тем. что вероятность протекания реакции в гомогенном маршруте в газовой фазе становится достаточно малой и. кроме того, практически исключается полимеризация моногидридов и их производных с образованием кластеров кремния в газовой фазе, поскольку концентрация таких производных, как SiH2 и Gel l;, пропорциональна квадрату парциального давления SiH4 и GeH4 соответственно. Добавка моногермана к моносилану приводит к заметному повышению скорости осаждения (рис. 1.2).

V,, А/мин

260 ----1---

240

220

200

180

Объемно«1 соотношение ОеН4

Рис. 2. Зависимость скорости осаждения пленок поликристаллического кремния от объемного соотношения моногермана к моносилану. Температура в центре изотермической зоны реактора 620 "С, общее давление газовой смеси 35 Па. скорость потока газов 7 дм7ч

На рис. 1, 2 показано влияние добавки моногермана на скорость осаждения пленок поликристаллического кремния. Из рисунков видно, что добавление моногермана к моносилану в количестве 0,002 об. ч. по отношению к объем} моносилана при прочих равных условиях приводит к увеличению скорости осаждения практически в 2 раза в центре изотермической зоны. Эта зависимость позволила определить эффективный порядок реакции по моногерману (п А1% Ур/А/£ Соет), величина которого равна п= 1,25±0.02 для температуры 620 "С и не изменяется по всей зоне роста пленок поликристаллического кремния. Дробный порядок характерен для сложных химических реакций, а его положительное значение указывает на увеличение скорости реакции. В исследуемом процессе — это усиление гетерогенного маршрута процесса разложения моносилана. Таким образом, при температуре 620 "С преобладает гетерогенный маршрут реакций. При этом гетерогенный маршрут является более эффективным поставщиком радикалов 81Н2, для которых моногерман служит инициатором их образования.

-4

S 10

О

0.0015

D.0025

Диапазон температур процесса осаждения пленок поликристаллического кремния "сверху" ограничивается процессом преобразования структуры пленок в результате их рекристаллизации. а "снизу" — очень малой скоростью их осаждения.

Фундаментальные исследования процесса разложения моносилана показали, что реакции его термического разложения являются многомаршрутными и многостадийными, зависящими от условий разложения. Как уже отмечалось выше, процесс разложения гидридов может протекать по двум маршрутам - гетерогенному и гомогенному, имеющим разные кинетические временные характеристики. Эти различия позволяют разделить составляющие процесса. Величины энергии активации гетерогенного (Еа и гомогенного (,<пт) процессов различны и

зависят от условий разложения гидридов, в первую очередь, от температуры подложки. Для определения энергии активации используется зависимость скорости осаждения от температу-

£,„=-8.3-10

2,3 lg —

6 к

Т

т,

кДж/моль,

(7)

1 J

где Еак* - энергия активации процесса, кДж/моль; У2, К; - скорость реакции осаждения при температуре подложки Тг и '/'/ соответственно.

В физическом смысле энергия активации - это то избыточное количество энергии (по сравнению со средней величиной), которой должна обладать молекула в момент столкновения для ос ществления химического взаимодействия. В большинстве случаев увеличение температуры способствует усилению такого взаимодействия. При повышении температуры скорость химических реакций увеличивается весьма значительно (рис. 3).

240 220 200 ISO 160 140 120 100 SO 60 40

V.. А/мин

7

570 S7S 580 585 590 595 600 605 610 615 620 625 6S0 635 640

тп. с

Рис. 3. Зависимость скорости (Ур) осаждения слоев поликристаллического кремния в LPCVD-процессе от температуры подложки. Полное давление в реакторе 40 Па. парциальное давление моносилана 35 Па, скорость потока газов 7 дм3/ч: 1 - осаждение с GeH4; 2 - осаждение без GeH4.

Скорость реакции в большей степени изменяется с температурой в тех реакциях (процессах), в которых энергия активации больше. И наоборот, если в данной реакции энергия активации незначительна, то скорость этой реакции (процесса) слабо изменяется с температурой.

Эффективная энергия активации, рассчитанная согласно уравнению (7), составляет 175 кДж/моль при отсутствии моногермана в зоне реакции и 135 кДж/моль при его наличии в кинетической области, и соответственно 33,5 и 28,0 кДж/моль в диффузионной области. Параметры процесса: полное давление в реакторе 40 Па, парциальное давление моносилана 35 Па и скорость потока газов 7 дм3/ч. Снижение скорости потока газов в реакторе до 3,5 дм3/ч при прочих равных условиях приводит к увеличению энергии активации до 207 кДж/моль, а повышение ее до 10,5 дм3/ч - к снижению энергии активации до 188 кДж/моль. Таким образом, малые скорости потока газов способствуют усилению температурной зависимости скорости осаждения пленок поликристаллического кремния, и напротив, повышение скорости потока газов снижает степень этой зависимости.

Увеличение парциального давления моносилана до 40 Па при общем давлении в реакторе 50 Па и прочих равных условиях в отсутствие моногермана приводит к уменьшению энергии активации до 104 кДж/моль, а при наличии моногермана - до 133кДж/моль в кинетической области и до 11.6и56 кДж/моль соответственно в диффузионной области (табл. 1). Анализируя эти результаты, можно констатировать, что при давлениях моносилана больших чем 35 Па и общем давлении в реакторе больше чем 40 Па, усиливается влияние наличия моногермана на процесс осаждения с повышением температуры в изотермической зоне реактора.

Таблица 1. Значение энергии активации процесса осаждения пленок поликристаллического кремния в ЬРСУБ-процессе в кинетической и диффузионной областях

Па раметры процесса Энергия активации Еш*, кДж/моль

Роб; Па Рщщ; Па Wn, 7,0 дм7ч в кинетической области в диффузионной области

без Ge с Ge без Ge с Ge

40 35 7,0 175 137 33,5 28

40 35 3,5 104 133 11,6 56

50 40 10,5 207 188 16,0 72

Оценка эффективной энергии активации процесса разложения моносилана для условий проведенных экспериментов показала, что в отсутствие моногермана в зоне реакции ее величина составляет 104-207 кДж/моль. В этом случае существенный вклад в ее величину вносят парциальное давление моносилана и скорость потока газов в изотермической зоне реактора. В связи с этим они являются важнейшими технологическими параметрами процесса осаждения пленок кремния, которые позволяют управлять как скоростью осаждения, так и структурно-морфологическими и электрофизическими свойствами пленок поликристаллического кремния. При наличии моногермана в зоне реакции и относительной величине объема моногермана к объему моносилана GcHV SiH4=0,002 энергия активации снижается с 175 до 137 кДж/моль при условиях процесса: скорость газового потока 7 дм3/ч, парциальное давление моносилана 35 Па и общее давление газовой смеси в реакторе 40 Па. Таким образом, скорость осаждения пленок поликристаллического кремния в меньшей степени зависит от температуры в изотермической зоне реактора при указанных режимах процесса. Однако увеличение парциального давления моносилана до 40 Па и выше, а общего давления до 50 Па и выше в реакторе, напротив, в присутствии моногермана способствует увеличению эффективной энергии активации от 104 до 135 кДж/моль, т.е. приводит к увеличению зависимости процесса осаждения пленок поликристаллического кремния от температуры.

К аналогичным результатам, но только в диффузионной области, приводит увеличение скорости потока газов до 10,5 дм3/ч. Увеличение давления в реакторе выше 40 Па при температуре подложек >640 °С приводит к тому, что появляется матовость поверхности слоев поликристаллического кремния, что является критическим фактором в отношении качества пленки. Это указывает на увеличение вклада гомогенного маршрута разложения гидридов. Во всех остальных случаях имел место гетерогенный маршрут разложения моногидридов.

Таким образом, величины скорости потока газов, общего давления в реакторе, парциального давления моносилана в реакторе и величина объемного соотношения моногерман-моносилан, как и температура в изотермической зоне реактора (камеры), являются важнейшими технологическими параметрами процесса осаждения пленок поликристаллического крем-

ния, которые позволяют регулировать как скорость осаждения, так и структурно-морфологические и, следовательно, электрофизические свойства осаждаемых пленок. Эти параметры технологического процесса осаждения поликристаллического кремния, легированного германием, выбраны в качестве значимых факторов в математической процедуре исследования воспроизводимости и стабильности скорости осаждения и удельного сопротивления пленки поликремния.

Оценка технологичности процесса осаждения пленки поликремния на воспроизводимость и стабильность скорости осазвдения и удельного сопротивления

Эффективным средством решения задачи оптимизации любого технологического процесса и, в частности, процесса осаждения поликремния является метод поверхности откликов, в котором взаимосвязь между входными и выходными параметрами исследуемого процесса рассматриваются как "черный ящик", а поверхность выходных характеристик аппроксимируется в виде полиномиальной зависимости от значимых факторов, т.е. тех технологических параметров процесса, которые оказывают наибольшее влияние на выходные характеристики. Методика и иллюстрации результатов ее использования изложены в работах [10, 11].

Использование аппроксимационных зависимостей позволяет заменить дорогостоящие и трудоемкие натурные эксперименты компьютерными экспериментами, посредством которых можно провести, например, анализ чувствительностей выходных характеристик от изменений всех значимых входных факторов при любых их разумных разбросах.

Проведен статистический анализ экспериментальных данных, полученных в опытном производстве УП "Белмикросистемы", по результатам измерений толщины (скорости осаждения) и удельного электрического сопротивления слоев поликристаллического кремния, легированных изовалентной примесью - германием. Для каждого выходного параметра проведено по 32 измерения (полный факторный эксперимент), в которых варьировались согласно выбранному плану эксперимента, 5 значимых факторов (табл. 2), оказывающих наибольшее влияние на скорость осаждения и удельное сопротивление поликристаллических пленок кремния: полное давление газов в камере Paiobai (среднее значение 35 Па, разброс ±15 Па); парциальное давление моносилана iVonosü (среднее значение 35 Па, разброс ±5 Па); объемное соотношение потока моногермана к потоку моносилана VoCon: (среднее значение 0,02, разброс ± 0,0005);

скорость потока газов в реакторе Flow Speed (среднее значение 6,96 дм3/ч, разброс ±0,5 дм3/ч);

температура подложки Tsub (среднее значение 620 °С, разброс ±5 °С). Измеренные выходные характеристики: скорость осаждения, Ä/мин, и удельное электрическое сопротивление слоев поликристаллического кремния, Ом-см, в том числе

скорость осаждения нелегированных слоев поликристаллического кремния Sp„ieg; скорость осаждения легированных германием слоев поликристаллического кремния

Spieg;

удельное электрическое сопротивление нелегированных слоев поликристаллического КреМНИЯ R„ieg,

удельное электрическое сопротивление легированных германием слоев поликристаллического кремния Rüg.

Таблица 2. Результаты "натурного" эксперимента по исследованию влияния значимых факторов процесса осаждения поликремния на скорость осаждения и удельное сопротивление пленки поликремния

Номер эксперимента Pt -PsiH4 GeHV SiH4 F T 1 s Vod vG Pd P

1 35 35 0,0020 6,96 620 103,759 199,069 9,803E+05 9,803E+03

2 30 25 0,0015 6,46 625 99,7770 191,324 l,004E+06 l,004E+04

Продолжение табл. 2

Номер эксперимента Л -PsiH4 GeHV SÍH4 F Т 1 s vod Va Pd P

3 30 25 0,0015 7,46 615 98,3340 189,954 l,026E+06 l,026E+04

4 30 25 0,0015 7,46 625 99,7510 192,472 l,040E+06 l,040E+04

5 30 25 0,0025 6,46 615 101,782 198,125 9,560E+05 9,560E+03

6 30 25 0,0025 6,46 625 103,200 200,643 9,698E+05 9,698E+03

7 30 25 0,0025 7,46 615 101,757 199,273 9,920E+05 9,920E+03

8 30 25 0,0025 7,46 625 103,175 201,791 l,006E+06 l,006E+04

9 30 28 0,0015 6,46 615 99,3670 189,670 9,845E+06 9,845E+03

10 30 28 0,0015 6,46 625 100,785 192,188 9,984E+05 9,984E+03

11 30 28 0,0015 7,46 615 99,3420 190,818 l,021E+06 l,021E+04

12 30 28 0,0015 7,46 625 100,760 193,336 l,034E+06 l,034E+04

13 30 28 0,0025 6,46 615 102,790 198,989 9,506E+05 9,506E+03

14 30 28 0,0025 6,46 625 104,208 201,507 9,644E+05 9,644E+03

15 30 28 0,0025 7,46 615 102,765 200,137 9,866E+05 9,866E+03

16 30 28 0,0025 7,46 625 104,183 202,654 l,000E+06 l,000E+04

17 50 25 0,0015 6,46 615 96,8830 192,369 9,911E+05 9,911E+03

18 50 25 0,0015 6,46 625 98,3010 194,886 l,005E+06 l,005E+04

19 50 25 0,0015 7,46 615 96,8580 193,516 l,027E+06 l,027E+04

20 50 25 0,0015 7,46 625 98,2750 196,034 l,041E+06 l,041E+04

21 50 25 0,0025 6,46 615 100,306 201,687 9,571E+05 9,571E+03

22 50 25 0,0025 6,46 625 101,724 204,205 9,710E+05 9,710E+03

23 50 25 0,0025 7,46 615 100,281 202,835 9,931E+05 9,931E+03

24 50 25 0,0025 7,46 625 101,699 205,353 l,007E+06 l,007E+04

25 50 40 0,0015 6,46 615 101,924 196,688 9,643E+05 9,643E+03

26 50 40 0,0015 6,46 625 103,342 199,205 9,781E+05 9,781E+03

27 50 40 0,0015 7,46 615 101,899 197,836 l,000E+06 l,000E+04

28 50 40 0,0015 7,46 625 103,317 200,353 l,014E+06 l,014E+04

29 50 40 0,0025 6,46 615 105,348 206,007 9,304E+05 9,304E+03

30 50 40 0,0025 6,46 625 106,765 208,524 9,442E+05 9,442E+03

31 50 40 0,0025 7,46 615 105,322 207,154 9,664E+05 9,664E+03

32 50 40 0,0025 7,46 625 106,740 209,672 9,802E+05 9,802E+03

Аппроксимация зависимости выходных характеристик от входных параметров осуществлялась в виде полинома первой степени:

Y=b0+Xlbl+X2b2+X3b3+ Х464+ Х5 Ь5, (8)

где X¡, Х2, Х3, Х4, X¡ — значимые факторы эксперимента Раььы, Рмогюм, VolCorr, FlowSpeed и Tsub, bj - коэффициенты полинома; Y - измеренные в серии натурных экспериментов выходные характеристики Spn¡eg, Spieg, R„¡es и Ríeg.

Справедливость линейной формы аппроксимационного полинома подтверждается корреляционными зависимостями (рис. 4, а-г) между результатами натурного эксперимента и расчетами согласно выражению (8), а также рассчитанными статистическими критериями (табл. 3).

. 1.02Е+02

9.90Е+01

9.80Е+01

9.70Е+01

*

*

**

ф 4 4

♦ *

•

ЭI80Е+01 1.00Е+02 1.02E+02 1.04E+02 1.06E+02 Sp_nleg, Experimental

1.95E+02 2.00E+C2 2.05E+02

Sp leg, Experimental

I.□6E+02

1.05E+02

1.04E+02

l. изЕ+и^

1.□1E+02

1.00E+02

1.03E+06

1.02E+06

1.01E+06

1.00E+06

9.90E+05

9.8DE+05

9.70E+05

9.60E+0S

9.50E+05

9.40E+0S

*

•

✓

* л

*

♦ *

9.5DE+0S l.OOE+06

H nleg, Exper mental

3.3 0E+05

1.04E+04 1.03E+04 1.02E+04 1.D1E+04 1.00E+04 9.90Е+0Э , Э.80П0Э 9.7DE4U3 ?.60Е+0Э . 50Е+0Э 9. 40E+C3

S.50E+03 1.Q0E+04

R leg, Experimental

3 0E+D3

в г

Рис. 4. Корреляционная зависимость для Sp„ieg (a), Sp]eg (б), R„!eg (в), Rteg (г)

Таблица 3. Основные статистические характеристики полученных аппроксимационных зависимостей

Характеристика SPnleg Spiee ^nleQ Rles

Среднеквадратическая ошибка 0,00027357 0,00029820 176,17101396 1,76171014

Коэффициент детерминации 0,99999999 1,0 0,99996765 0,99996765

Приведенный коэффициент детерминации 0,99999999 1,0 0,99996143 0,99996143

Средняя ошибка, % 0,00018831 0,00011373 0,01075124 0,01075124

Максимальная ошибка, % 0,00060494 0,00026173 0,04210727 0,04210727

Решена задача аппроксимации зависимости скорости осаждения, удельного электрического сопротивления от условий разложения моногидридов и состава газовой смеси на основании результатов эксперимента и определения диапазона изменения каждого из выходных параметров технологического процесса осаждения слоев поликристаллического кремния, обеспечивающих получение скорости осаждения, удельного электрического сопротивления, температурного коэффициента сопротивления в заданном интервале от разбросов.

Типичные поверхности откликов для полученных аппроксимационных зависимостей параметров Sp„!eg, Spieg, R„iegи Rieg приведены на рис. 5, а-г.

P Monosil

4.00Е+01 5.00Е+01

Р Global

7. ООЕ- '00

Flow_Speed

2.50Е+01 3.00E+01 3.50Е-Ю1 4.00Е+01 F Bonos 11

Рис. 5. Зависимость Sp„iegот TSllbmPGiobai (a). Spiegот РМо,юы и Раъъл (б), R„iegот VolCorr и I''lowSpiyJ

(в), Rieg от РMonosil и РGlobal («')

Анализ результатов построения аппроксимационной зависимости показал ее линейность. Следует отметить строгое соответствие экспериментальных данных значениям, полученным с использованием аппроксимирующего полинома (ошибка не превышает величины 0,1 %). Это также подтверждают рассчитанные значения коэффициентов детерминации. Таким образом, можно сделать вывод о правильности выбора полного факторного эксперимента (ПФЭ) 2П = 32, который обычно используется для линейных моделей и нецелесообразности проведения ПФЭ З5 = 243, наиболее адекватного в случае исследования квадратичной зависимости.

Полученные выражения для аппроксимирующих полиномов могут эффективно использоваться в процессе оптимизации параметров процесса осаждения пленок поликристаллического кремния, легированного германием как изовалентной примесью для определения диапазонов входных параметров, обеспечивающих изменение выходных характеристик в заданном исследователем интервале. Методика и результаты аналогичных расчетов подробно описаны в [10,11]. В качестве условий для проведения процедуры оптимизации были выбраны следующие допустимые диапазоны выходных характеристик (табл. 4).

Таблица 4. Допустимые диапазоны выходных характеристик

Выходная характеристика Минимальное допустимое значение Максимальное допустимое значение

Скорость осаждения нелегированных пленок, А/мин 99,0 101,0

Продолжение табл. 4

Скорость осаждения легированных пленок, А/мин 199,0 201,0

Удельное сопротивление нелегированных пленок, Ом см 0,99-104 1,1-104

Удельное сопротивление легированных пленок, Ом см 0,99-104 0,99-104

В табл. 5-7 приведены результаты оптимизации параметров для выбранных диапазонов изменения входных параметров.

Таблица 5. Результаты оптимизации для скорости осаждения нелегированных пленок

Входной параметр Минимальное допустимое значение Максимальное допустимое значение

Рв1оЬа1 39,4 33,4

РМопгт] 28,6 28,9

УОсогг 0,00154 0,0015

7,04 7,24

ТзиЬ 615,2 621,7

Таблица 6. Результаты оптимизации для скорости осаждения легированных пленок

Входной параметр Минимальное допустимое значение Максимальное допустимое значение

Рв1оЬа1 40,4 33,3

РмопозИ 33,06 28,1

УОсогг 0,00197 0,0024

6,94 6,71

ТйиЪ 620,1 625,0

Таблица 7. Результаты оптимизации для удельного сопротивления нелегированных пленок

Входной параметр Минимальное допустимое значение Максимальное допустимое значение

Рв1оЬа1 37,5 47,9

РмопояН 28,1 25,5

УОсогг 0,0025 0,0016

Р1()М>8реес1 7,21 6,77

?5иЬ 623,3 624.1

Таблица 7. Результаты оптимизации для удельного сопротивления легированных изовалент- ной примесью пленок

Входной параметр Минимальное допустимое значение Максимальное допустимое значение

Ро1оЬа1 37,5 47,9

р 1 МопояН 28,1 25,5

УОсогг 0,0025 0,0016

¡'ЪЫяреес! 7,21 6,77

ТзиЬ 623,3 624,1

INVESTIGATION AND OPTIMIZATION OF THE DEPOSITION PROCESS OF POLYCRYSTALLINE SILICON FILMS DOPED BY GERMANIUM AS AN

ISO VALENT IMPURITY

V.M. BORISEVICH, A A. KOVALEVSKY, V.V. NELAYEV, V S. MALYSHEV,

V.R. STEMPITSKY

Abstract

Experimental study of the growth kinetics of polycrystalline silicon films doped by germanium as an isovalent impurity is performed. The regularities of the influence of main technological parameters of process on the growth rate and resistivity of films are stated. Thin films of polycrystalline silicon films doped by germanium and grew at the temperature 620°C under low pressure process are characterized by flying structural and morphological properties in comparison with undoped films. Approximation dependency of deposition rate and resistivity on conditions of the monohydrids decomposition and composition gas mixture is obtained on the base of experimental results. Results of the problem solution of the significant parameters optimization of investigated process are presented.

Литература

1. Колешко B.M., Ковалевский A.A. Поликристаллические пленки полупроводников в микроэлектронике. Мн.: Наука и техника, 1978. 344с.

2. Ковалевский А.А., Колешко В.М. Исследование процесса получения поликристаллических пленок кремния, легированных кислородом // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. 1981. Т. 17, №1. С.5-9.

3. Ковалевский А.А., Колешко В.М., Лапицкий Е.И. Влияние добавок редкоземельных элементов на свойства поликристаллических пленок кремния, легированных кислородом в процессе разложения моносила-на // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника. 1984. Вып. 5. С.78-83.

4. Ковалевский А.А. Интенсификация реакции разложения моногермана германием // Техника средств связи. Сер. Микроэлектронная аппаратура. 1987. Вып 1(8). С. 96-100.

5. Ковалевский А.А. Кинетика совместного разложения моносилана и метана при пониженном давлении // Электронная техника. Сер. 6. Материалы. 1988. Вып. 7. С. 33-37.

6. Ковалевский А.А. Подавление рекристаллизационных процессов в поликристаллических пленках кремния тонкими слоями аморфного кремния//Микроэлектроника. 1998. Т.27, №4. С.16-21.

7. Kovalevsky А.А. Structure and Morphology of Si Films Grown on porous Silicon by Reduction of Dichlorosi-lane // Inorganic Materials. 1999. Vol.15, №2. P. 102-105.

8. Ковалевский A.A. Легирование поликристаллического кремния при газотранспортном осаждении изо-валентной примесью // Сб. тр. Мсждунар. научн.-техн. конф. "Новые технологии изготовления многокристальных модулей". 30 сентября - 4 октября 2002г. Минск, Нарочь. С. 48-52.

9. Chelikowsky J.R., Philips J. С. II Phys. Rev. В. 1978. Vol. 17, №8. P. 2453 - 2447.

10. Kuzmicz W.B., Malyshev V.S., Nelayev V.V., Stempitsky V.R. Optimization of the integrated circuit technology //Proc. of SPIE. 2001. Vol. 4348. P. 431-434.

11. Кулешов А.А., Малышев B.C., Нелаев В.В., Стемпицкий В.Р. Статистическое проектирование и оптимизация технологии производства интегральных микросхем // Микроэлектроника. 2003. Т. 32, № 1. С. 47-61.