Архив за Декабрь, 2013

Реакции в газовой фазе

При изучении микроструктуры плёнок a-SiC:H необходимо обладать знаниями о протекании первичных и вторичных реакций в газовой фазе по причине их определяющей роли в формировании структуры. К первичным реакциям в газовой фазе относятся процессы диссоциации, возбуждения и ионизации молекул исходных газов в результате их неупругих столкновений с электронами. В случае исходной смеси (SiH4 + CH4), часто используемой для получения плёнок a-SiC:H, продуктами первичных реакций являются радикалы SiH3, SiH2, SiH, Si в основном и возбуждённом состояниях, ионы, электроны, фотоны и пр. Как показали экспериментальные исследования, наиболее существенный вклад в формирование пленок аморфного кремния приборного качества вносит радикал силил SiH3. Значения концентраций радикалов в разряде не превышают 0,001% от концентрации плазмообразующего газа [ 1 ].

Образование CHx-радикалов в смеси (SiH4+CH4) определяется процессом диссоциации метана прямым электронным ударом [ 2 ]:


CH4 + e –> CH*4 –> CH3 + H;

–> CH2 + H2;

–> CH + H2 + H;

–> C + 2H2.

Из всех каналов этой реакции наиболее вероятным считается первый (вероятность появления продуктов 0,6-0,8) [ 3 ].

В работе [ 4 ] авторы с помощью оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) определили химический состав силано-метановой плазмы. На рис. 3.1 приведены зависимости ОЭС-интенсивностей радикалов SiH, CH и H от состава газовой смеси в ВЧ разряде.

Закономерности формирования пленок a-SiС:H в плазме

Одним из традиционных способов получения пленок a-Si:H и сплавов на его основе является разложение смеси газов в ВЧ разрядной плазме. Существуют несколько типов таких систем, получивших название PECVD-реакторов (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).

Исследования взаимосвязи между параметрами технологического процесса получения a-Si:H и a-SiС:H и структурной неоднородностью пленок (в виде зёрен колончатой морфологии, пузырьков, пор, шероховатостей поверхности) позволили установить, что на неоднородность пленки оказывают влияние:

- разбавление силана газом, при этом размеры неоднородностей структуры в ряду H2, Ne, He, Ar, Kr возрастают;

- увеличение мощности разряда;

- уменьшение температуры подложки.

Существуют определённые области технологических параметров, при синтезе в которых плёнки проявляют значительную неоднородность структуры. Например, плёнки a-Si:H, полученные в оптимальных условиях в тлеющем разряде при минимальной мощности, температуре подложки от 200 до 300 0С, и с использованием чистого силана, содержат минимальное число дефектов.

Оптимальные условия роста плёнок a-Si:H соответствуют температуре подложки Тп=200-300 0С. При этих условиях концентрация водорода составляет 12-16 ат. %. С повышением температуры подложки количество водорода в плёнке не достаточно для пассивации оборванных связей, что приводит к образованию дополнительного числа дефектов, связанных с водородными комплексами.

На общее содержание и формы вхождения водорода оказывают влияние технологические параметры процесса синтеза, примеси, содержащиеся в реакционной камере и т.д. Было отмечено, что с увеличением температуры подложки содержание водорода в плёнках a-Si:H уменьшается. При этом в a-Si:H происходит реконструкция связей от полигидридных форм на моногидридные

Физико-химические основы процесса осаждения слоев из газовой фазы

Рассмотрим технологию и реакции в газовой фазе на примере формирования плёнок a-Si:H (аморфного гидрогенизированного кремния) и a-SiC:H (аморфного гидрогенизированного сплава кремния с углеродом) из смеси газов SiH4 (силана) и CH4 (метана) в плазме тлеющего разряда.

Микроструктура и морфология плёнки формируются в процессе протекания реакций как в газовой фазе, так и на поверхности. Процесс формирования пленки включает в себя следующие стадии:

- образование химически активных частиц (ионов, радикалов и др.) в результате протекания первичных и вторичных реакций в газовой фазе;

- адсорбция частиц на поверхности и их поверхностная диффузия;

- протекание поверхностных реакций адсорбированных частиц;

- релаксация структуры образовавшейся пленки.

Таким образом, возникает необходимость в подробном рассмотрении всех этапов процесса роста плёнки для установления закономерностей формирования её микроструктуры и нахождения способов управлять ею посредством изменения параметров осаждения для получения плёнок приборного качества

Оборудование для осаждения слоев из газовой фазы

Для реализации процессов осаждения слоев из газовой фазы, как уже отмечалось в предыдущем разделе, перспективны ICP-источники (генераторы высокоплотной плазмы), позволяющие не только осуществлять процессы травления материалов, но и осаждать слои из парогазовых смесей (плазменно-стимулированный CVD-процесс – Chemical Vapor Deposition), обеспечивая при этом высокую эффективность и качество проведения процесса.

Поэтому описанные выше генераторы высокоплотной плазмы, использующиеся в установках для плазмохимического и ионно-химического травления «Каролина РЕ -4», «Каролина РЕ-11» и «Каролина РЕ-15», представляются весьма перспективными в качестве генераторов плазмы для стимуляции процесса осаждения из газовой фазы.

С помощью незначительных доработок, в основном касающихся конструкции столов-подложкодержателей (столы должны быть прогреваемыми) и систем газонапуска (газораспределители и регуляторы расхода газа должны быть предназначены для работы с моносиланом), любая из описанных выше установок может быть использована для реализации плазменно-стимулированного осаждения из газовой фазы.

В частности, фирмой «ЭСТО-Вакуум» была проведена модернизация установки RDE-300 фирмы «Алкатель», в которую был встроен ICP-источник. Целью модернизации было увеличение скорости и улучшение качественных параметров осаждаемой пленки нитрида кремния.

ICP-источник с согласующим устройством и системой лазерного контроля толщины наносимого диэлектрика был установлен на верхнем фланце рабочей камеры. Питание осуществлялось от ВЧ-генератора стандартной промышленной частоты 13,56 МГц, мощность варьировалась от 100 до 1000 Вт.

Применение ICP-источника фирмы «ЭСТО-Вакуум» позволило отработать на установке следующие технологии:

· Осаждение диоксида кремния в смеси моносилана с кислородом на кремниевые и сапфировые подложки при температуре процесса не выше 2000С со скоростями до 0,2 мкм/мин.;

· Осаждение стехиометрического и нестехиометрического нитрида кремния из смеси моносилана с азотом на полиимидный лак, нанесенный на кремниевую подложку с температурой подложки не выше 2000С.

В результате отработки технологий было показано, что:

· неравномерность по толщине осаждаемых слоев на диаметре 150 мм не превышает ±3%;

· возможна планаризация рельефа подложки при осаждении диэлектрика с одновременным травлением (за счет некоторого снижения скорости осаждения).

Аналогичная установка для плазменно-стимулированного газофазного осаждения диоксида кремния была разработана на базе установки «Каролина РЕ-4» («Эра-3М») с лазерным контролем толщины осаждаемой пленки. В технологии применялся гексометилдисилоксан в смеси с кислородом, что ограничило скорость