Основы технологии электронной компонентной базы: моделирование технологических процессов получения тонкопленочных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2103 

Кафедра технологии материалов электроники

О.И. Рабинович 
Д.Г. Крутогин 
В.А. Евсеев 

Основы технологии электронной 
компонентной базы 

Моделирование технологических процессов  
получения тонкопленочных материалов 

Учебно-методическое пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2012 

УДК 539.216.2 
 
Р12 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук 

Рабинович, О.И. 
Р12  
Основы 
технологии 
электронной 
компонентной 
базы : моделирование технологических процессов получения тонкопленочных материалов : учеб.-метод. пособие / О.И. Рабинович, Д.Г. Крутогин, В.А. Евсеев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2012. – 81 с. 
ISBN 978-5-87623-566-4 

В пособии излагаются теоретические основы технологических процессов 
роста полупроводниковых материалов и методы контроля в рамках курса 
«Основы технологии электронной компонентной базы». 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100 
«Электроника и наноэлектроника» в качестве бакалавров, магистров и инженеров, при выполнении лабораторных работ, подготовке магистерских диссертаций и дипломных работ. 

УДК 539.216.2 

ISBN 978-5-87623-566-4 
© О.И. Рабинович,

Д.Г. Крутогин, 
В.А. Евсеев, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Процессы молекулярно-лучевой эпитаксии ......................................5 
1.1. Основные теоретические положения...........................................5 
1.2. Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок .................11 
1.3. Моделирование процесса МЛЭ..................................................16 
2. Методы контроля в установках молекулярно-лучевой  
эпитаксии.................................................................................................22 
2.1. Аппаратурная реализация процесса МЛЭ.................................23 
2.2. Физические процессы при МЛЭ ................................................26 
3. Исследование релаксации напряжений при гетероэпитаксии .......33 
Рекомендуемая литература к разделам 1–3......................................35 
4. Моделирование процесса получения пленок 
поликристаллического кремния осаждением из газовой фазы..........37 
4.1. Химические методы получения пленок ....................................37 
4.2. Восстановление трихлорсилана водородом..............................41 
4.3. Конструкция реактора.................................................................42 
4.4. Определение скорости осаждения пленки поликремния.........45 
5. Моделирование процесса оптимизации размера зерна  
и удельного сопротивления пленки поликристаллического  
кремния....................................................................................................50 
5.1. Структура пленок поликремния.................................................50 
5.2. Диффузионная теория роста зерна поликремния  
при термообработке............................................................................57 
5.3. Расчет концентрации вакансий ..................................................60 
5.4. Эффекты высокого уровня легирования ...................................61 
Рекомендуемая литература к разделам 4, 5......................................63 
Приложение для выполнения лабораторных работ ............................64 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Современное технологическое оборудование электронной промышленности характеризуется комплексом сочетающихся функциональных и контрольных процессов и требует высокопрофессионального обслуживания и длительной предпусковой подготовки. 
Физическое и математическое моделирование процессов формирования многослойных гетерокомпозиций, подкрепленное мультимедийными средствами иллюстрации физических явлений, обеспечивает возможность освоения ключевых процессов электронной технологии при значительной экономии времени и дорогих расходных 
материалов. В приложении к пособию объединено несколько лабораторных работ, связанных с технологией молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазного осаждения тонких полупроводниковых слоев и 
постэпитаксиального формирования структур требуемого качества. 
Объединяющим признаком служит компьютерное моделирование 
технологических процессов на персональных компьютерах. 
Лабораторные работы соответствуют программе курса «Основы 
технологии электронной компонентной базы» для направления подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника». В работах предусмотрен достаточно широкий выбор параметров технологических 
процессов (исходных веществ, легирующих примесей, рабочих концентраций, конструктивных параметров оборудования), допускающий индивидуализацию заданий по выполнению виртуального эксперимента. 

1. ПРОЦЕССЫ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ 
ЭПИТАКСИИ 

1.1. Основные теоретические положения 

С появлением микроэлектронной технологии изготовления электронных приборов и схем возникла необходимость на монокристаллической подложке получать монокристаллические автоэпитаксиальные или гетероэпитаксиальные тонкие слои. 
При недостаточно глубоком вакууме в реакторе наращиваемый слой 
загрязняется за счет остаточных газов в атмосфере реактора при одновременном осаждении напыляемого слоя. Концентрация примеси в наращиваемом слое СB определяется соотношением плотностей потоков 
на подложку примеси В (jB) и осаждаемого материала А (jA), которые 
пропорциональны их парциальным давлениям в реакторе (pB и pA): 

 
.
B
B
B

A
A

j
p
C
j
p
≈
=
 
(1.1) 

Снижение содержания примеси можно получить: 
– увеличением pА, но при этом увеличивается скорость роста слоя 
и число структурных дефектов в нем в результате трехмерного механизма роста, вплоть до роста поликристаллического слоя; 
– снижением остаточного давления газов в реакторе и достижением такого их минимального уровня, который определяется возможностями вакуумной аппаратуры. 
Глубокий вакуум позволяет осуществлять предэпитаксиальную 
обработку поверхности подложек с использованием ионно-лучевого, 
ионно-плазменного и лазерного их травления. 
Тонкие пленки металлов или полупроводников, получаемые вакуумным испарением, обычно имеют поликристаллическую или 
аморфную структуру, в них невозможна определенная кристаллографическая ориентация поверхности. 
Технология получения многослойных структур должна обеспечивать высокое качество слоистых структур и совершенство границ 
раздела между этими материалами. Только в этом случае могут быть 
реализованы потенциальные возможности, заложенные в полупроводниковых сверхрешетках и многослойных магнитных структурах. 
Сверхрешетка – твердотельная периодическая структура, в которой 
на носители заряда (электроны) помимо обычного потенциала кри

сталлической решетки действует дополнительный потенциал. Как 
правило, это одномерный потенциал V(r) с периодом d, меньшим 
длины свободного пробега электронов, но значительно большим периода оси решетки (от нескольких до десятков нанометров). 
Наиболее интенсивно исследуются полупроводниковые структуры, но наряду с ними возможно использование и металлических 
структур. Потенциал U(r) обычно создается искусственно путем чередования тонких полупроводниковых слоев, отличающихся по типу 
легирования и (или) химическому составу. В последнем случае 
сверхрешетки можно рассматривать как периодическую систему 
квантово-размерных ям, разделенных сравнительно узкими барьерными слоями с заметной туннельной прозрачностью для носителей 
заряда (волновые функции электронов перекрываются). 
Для получения высококачественных тонких пленок и многослойных структур используют чаще всего механизмы эпитаксиального 
роста материала пленки на соответствующей монокристаллической 
подложке. Широкое распространение получил метод молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющий формировать совершенные 
слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума. Этот 
метод успешно применяется для выращивания тонких пленок полупроводников, металлов, диэлектриков, высокотемпературных сверхпроводников и многих других веществ. Использование МЛЭ – достаточно дорогостоящий и трудоемкий процесс.  
В последние годы все большее распространение для выращивания 
полупроводниковых сверхрешеток приобретает технология роста из 
газовой фазы с использованием металлоорганических соединений 
(РГФ МОС). В этом методе используется процесс эпитаксиального 
роста материалов на нагретой подложке при термическом разложении металлоорганических соединений. Методом РГФ МОС успешно 
выращивают большинство полупроводниковых соединений типа 
AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI. 
Из методов эпитаксиального роста для получения полупроводниковых сверхрешеток может быть использована и жидкофазная эпитаксия, при которой монокристаллические слои получают из контактирующих с подложкой пересыщенных растворов. С понижением 
температуры избыточное количество полупроводника осаждается из 
раствора на подложку, что связано с уменьшением растворимости 
полупроводникового материала. Наилучшие результаты дает жидкофазная эпитаксия для полупроводниковых соединений типа AIIIBV и 
их твердых растворов. Многослойные полупроводниковые структу

ры получают в многокамерных реакторах для жидкофазной эпитаксии последовательным созданием контакта структуры с разными 
расплавами. 
Молекулярно-лучевая эпитаксия по существу является результатом совершенствования технологии вакуумного напыления тонких 
пленок. Ее отличие от классической технологии вакуумного напыления связано с более высоким уровнем контроля технологического 
процесса. В методе МЛЭ тонкие монокристаллические слои формируются на нагретой монокристаллической подложке в результате реакций между молекулярными или атомными пучками и поверхностью подложки. Высокая температура подложки способствует миграции атомов по поверхности, в результате которой атомы занимают строго определенные положения. Этим определяется ориентированный рост кристалла формируемой пленки на монокристаллической подложке. 
Успешный результат применения процесса эпитаксии зависит от 
соотношения между параметрами решетки пленки и подложки, правильно выбранных соотношений между интенсивностями падающих 
пучков и температуры подложки. Когда монокристаллическая пленка 
растет на подложке, отличающейся от материала пленки, и не вступает с ним в химическое взаимодействие, такой процесс называется 
гетероэпитаксией. Когда подложка и пленка по химическому составу не отличаются или незначительно отличаются друг от друга, то 
процесс называется гомоэпитаксией, или автоэпитаксией. Ориентированное наращивание слоев пленки, которая вступает в химическое взаимодействие с веществом подложки, называют хемоэпитаксией. Граница раздела между пленкой и подложкой имеет ту же кристаллическую структуру, что и подложка, но отличается по составу 
как от материала пленки, так и от материала подложки. При МЛЭ 
происходит не объемное широкоугольное, а направленное напыление материала, самоочищающийся от автолегирования процесс (узкий высокоплотный поток атомов выходит из ячейки Кнудсена в остаточном вакууме). 
По сравнению с другими технологиями, используемыми для выращивания тонких пленок и многослойных структур, МЛЭ характеризуется прежде всего малой скоростью и относительно низкой температурой роста. К достоинствам этого метода следует отнести возможность резкого прерывания и последующего возобновления поступления на поверхность подложки молекулярных пучков различ

ных материалов, что наиболее важно для формирования многослойных структур с резкими границами между слоями. 
Упрощенная схема ростовой камеры МЛЭ показана на рис. 1.1. 
Испарение материалов, осаждаемых в сверхвысоком вакууме на подложку, закрепленную на манипуляторе с нагревательным устройством, осуществляется с помощью эффузионных ячеек (эффузия – 
медленное истечение газов через малые отверстия). Схема эффузионной ячейки приведена на рис. 1.2. Эффузионная ячейка представляет собой цилиндрический стакан, выполненный из пиролитического нитрида бора или высокочистого графита. Поверх тигля располагаются нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой 
экран, изготовленный обычно из танталовой фольги. 

 

Рис. 1.1. Блок-схема ростовой камеры метода МЛЭ 

Эффузионные ячейки (ячейки Кнудсена) могут работать в области 
температур до 1400 °С и выдерживать кратковременный нагрев до 
1600 °С. Для испарения тугоплавких материалов, которые используются в технологии многослойных структур, нагревание испаряемого 
материала осуществляется электронной бомбардировкой. Температура испаряемого вещества контролируется вольфрам-рениевой термопарой, прижатой к тиглю. Испаритель крепится на отдельном 
фланце, на котором имеются электрические выводы для питания нагревателя и термопары. Как правило, в одной ростовой камере располагается несколько испарителей, в каждом из которых размещены 
основные компоненты пленок и материалы легирующих примесей. 
Подложка крепится на подложкодержателе. Испарители различных материалов в виде ячеек Кнудсена с индивидуальным нагревом 

направлены в сторону подложки. На пути потока паров вещества установлены индивидуальные заслонки и одна общая заслонка для всех 
испарителей. Для смены образцов используется шлюз, позволяющий 
загружать пластины без нарушения вакуума в камере. Установка оснащена контрольно-измерительным оборудованием в виде дифрактометра и экрана для наблюдения за процессом роста эпитаксиального слоя. Подложки располагаются на манипуляторе, вмещающем несколько подложек и позволяющем поочередно проводить на них 
процесс эпитаксии. 

 

Рис. 1.2. Схематическое изображение эффузионной ячейки, 
используемой в современной системе МЛЭ:  
а – разрез центральной части узла ячейки; б – весь узел эффузионной 
ячейки с частичным разрезом; 1 – конический тигель  
из пиролитического BN, графита или стеклоуглерода;  
2 – нагревательное устройство с «перегретым концом»;  
3 – радиационные экраны; 4 – термопара W/Re, прижатая пружиной; 
5 – оболочка нагревателя; 6 – водяное охлаждение; 7 – трубка  
из фольги; 8 – выводы термопары; 9 – силовой ввод 

Важнейшим условием проведения МЛЭ является достижение 
сверхвысокого вакуума (СВВ). Остаточное давление должно быть не 
ниже 10–9...10–11 мм рт. ст. При этом рост реализуется практически 
атомными монослоями. Время роста одного монослоя порядка 1 с. 
Более высокое давление остаточных газов приводит к повышению 
концентрации фоновой примеси в растущем слое. 
Наиболее важная для технологического процесса область ростовой камеры находится между эффузионными ячейками и подложкой 
(рис. 1.3). Эту область можно разделить на три зоны, которые обозначены на рисунке цифрами I, II и III. 

 

Рис. 1.3. Схема простейшей установки МЛЭ: 1 – держатель образца  
с нагревателем; 2 – образец; 3 – масс-спектрометр;  
4 – эффузионная ячейка; 5 – заслонки; 6 – манипулятор;  
7 – электронная пушка ДОБЭ; 8 – люминесцентный экран 

Зона I – зона генерации молекулярных пучков, в этой зоне молекулярные пучки, формируемые каждой из эффузионных ячеек, не пересекаются и не влияют друг на друга. В зоне II – зоне смешения испаряемых элементов – молекулярные пучки пересекаются и происходит 
перемешивание различных компонентов. В непосредственной близости от поверхности подложки располагается зона III – зона кристаллизации. В этой зоне происходит эпитаксиальный рост в процессе моле

кулярно-лучевой эпитаксии. Подробно процессы, происходящие в 
зоне кристаллизации, будут рассмотрены в следующем разделе. 
В промышленности, научно-исследовательских лабораториях широкое распространение в настоящее время получили автоматизированные многомодульные комплексы для молекулярно-лучевой эпитаксии. Модуль – это часть установки, выделенная по функциональным и конструктивным признакам. Модули подразделяются на технологические и вспомогательные. Каждый технологический модуль 
предназначен для проведения определенного технологического процесса (очистка подложек и анализ состояния их поверхности, эпитаксия полупроводниковых пленок, осаждение металлов и диэлектриков 
и т.д.). Вспомогательными модулями являются, например, модуль 
загрузки-выгрузки подложек, модуль предварительной откачки вакуумных камер и др. Комплекс для МЛЭ в зависимости от технологических задач может быть укомплектован различным количеством 
специализированных модулей, соединенных между собой шлюзовыми устройствами и системой перемещения подложек и образцов из 
одного модуля в другой без нарушения вакуума. 
Тенденции развития разработок в направлении создания установок для МЛЭ связаны со все более широким применением встроенного аналитического оборудования и автоматизацией технологического процесса, что позволяет улучшать воспроизводимость свойств 
выращиваемых эпитаксиальных структур и создавать сложные многослойные структуры. 
Другим направлением методов выращивания полупроводниковых 
структур является технология осаждения слоев МЛЭ с применением 
газообразных источников ростовых компонентов, таких как AsH3 и 
PH3, и высокотемпературной диафрагмы, на которой происходит их 
дислокация. 

1.2. Механизмы эпитаксиального роста  
тонких пленок 

Вопросы, связанные с механизмами роста, приобретают чрезвычайно важное значение при создании гетероструктур и многослойных структур, для которых требуется высшая степень однородности 
состава при толщине менее 10 нм. 
Наиболее значимые индивидуальные атомные процессы, сопровождающие эпитаксиальный рост, следующие: