СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК НА ПОДЛОЖКЕ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/205 

Изобретение относится к области получения пленок на подложках, конкретнее к способам осаждения из газовой фазы, особенно к плазмохимическим методам осаждения полупроводниковых, диэлектрических или проводящих пленок различной кристаллической структуры (моно-, поли-, микрокристаллических или аморфных) и может быть использовано для оптимизации параметров технологического процесса.

Известно, что большинство газофазных способов получения пленок зависит от совокупности определенного числа внешних параметров процесса: температуры подложки, состава газовой фазы, скорости подачи газообразных реагентов, рабочего давления в реакторе, наложения внешних электрических, магнитных полей или различного рода излучений. Для плазмохимических процессов осаждения существенными параметрами являются частота и мощность источника возбуждения плазмы, геометрия системы газоподачи и тип разбавляющих инертных газов. Поэтому оптимизация технологических режимов получения пленки является технически сложным, трудоемким и длительным процессом.

Известны способы выбора оптимальных параметров работы различных устройств (механизмов, машин), а также режимов технологических процессов, которые являются сложными многокритериальными задачами [1]
В основном эти способы основываются на различных видах математического анализа таких, как, например, зондирование пространства параметров, оценка различных критериев путем составления математической модели и алгоритма анализа на ЭВМ. Для оптимизации параметров технологических процессов часто используют традиционные способы, основанные на последовательных приближениях к оптимальному результату.

Недостатком известных способов является длительность этапа подбора оптимальных параметров процессов, связанных с необходимостью проведения большого числа экспериментов, а также сложность установления точных математических зависимостей для проведения расчетов на ЭВМ, что не всегда является пригодным для оптимизации многопараметрических процессов.

Наиболее близок к заявляемому способу способ оптимизации режимов осаждения аморфного кремния путем разложения моносилана в тлеющем разряде при изготовлении солнечных элементов [2]
Недостатком данного способа является то, что в многомерном пространстве внешних регулируемых технологических параметров подбор оптимальных режимов осаждения пленки проводится также за счет большого числа экспериментов, а это достаточно длительный и трудоемкий процесс, требующий больших затрат расходных материалов.

Технический результат изобретения ускорение процесса оптимизации технологических режимов получения пленок за счет сокращения числа необходимых экспериментов, что позволяет существенно снизить энерго- и материалоемкость процесса.

Предлагаемый способ позволяет в многомерном пространстве внешних, регулируемых технологических параметров, например, плазмохимического процесса, при ограниченном числе экспериментов определить область параметров, обеспечивающую высокую скорость осаждения пленки, точно заданный уровень легирования или другие оптимальные характеристики пленки. Способ также дает возможность получения многослойных структур с программным изменением толщины отдельных слоев при точном уровне легирования каждого из них.

Технический результат достигается тем, что в процессе газофазного осаждения пленок на подложки в газовую фазу вводят по крайней мере одну газообразную примесь-индикатор и периодически или ступенеобразно изменяют ее концентрацию при синхронном изменении одного из оптимизируемых технологических параметров процесса осаждения.

Технический результат достигается также тем, что в качестве примеси-индикатора используют простое или сложное вещество.

Результат достигается также тем, что в качестве примеси-индикатора используют одну или несколько легирующих примесей либо их газообразные соединения.

Результат достигается также тем, что тип примеси-индикатора и/или изменение ее концентрации выбирают в интервале величин, не изменяющих скорость осаждения пленки.

Результат достигается также тем, что длительность этапа осаждения отдельных слоев с постоянной концентрацией примеси устанавливают одинаковой или изменяющейся по определенному закону.

Предлагаемый способ может быть реализован путем использования в качестве примеси-индикатора легирующей примеси, при этом изменение концентрации легирующей примеси (легирующего вещества) происходит монотонно ступенеобразно в сторону увеличения или уменьшения. Время осаждения каждого из составляющих пленку слоев, соответствующее каждой следующей ступени изменения лигатуры, выбирают в зависимости от условий эксперимента.

Кроме того, в случае использования в качестве примеси-индикатора легирующей примеси способ позволяет установить оптимальный уровень прецизионного легирования как в случае использования одной, так и нескольких типов лигатуры.

Заявляемый способ позволяет также установить оптимальный уровень разбавления реакционных газов для получения заданного уровня и эффективности легирования (результирующее вхождение примеси в твердую фазу), а также дает возможность производить градуировку контрольно-измерительных устройств (расходомеров на газовых линиях).

Кроме того, в рамках одного процесса осаждения можно производить последовательно или одновременно синхронное изменение одного либо нескольких регулируемых технологических параметров процесса для определения области оптимальных режимов для получения заданной совокупности параметров пленки.

Тем же способом могут быть выявлены различные конструктивные особенности и недостатки конструкции плазмохимического реактора при контроле профиля распределения примеси в пленках, полученных на различных участках подложкодержателя, и можно оптимизировать параметры для увеличения однородности толщины и т.п. по всей площади подложкодержателя.

Таким образом, все отличительные признаки изобретения способствуют значительному сокращению числа пробных процессов при отработке и определении оптимальных технологических режимов, что снижает затраты при научных исследованиях и разработке промышленной технологии, в том числе за счет уменьшения материалоемкости.

Пример 1. Пленки аморфного гидрирования кремния a-Si:H были осаждены методом плазмохимического разложения моносилана (SiH₄), разбавленного аргоном (Ar) в плазме ВЧ-тлеющего разряда частотой 13,56 МГц в реакторе диодного типа. В качестве примеси-индикатора в данном случае выбран бор, который вводился путем добавления легирующего газообразного соединения - диборана (B₂H₆). При этом пленки были получены при следующих технологических параметрах процесса:
температура подложки T_S порядка 250 330^oC;
удельная мощность W порядка 0,01 0,10 Вт/см²;
рабочее давление P порядка 0,1 0,2 Topp;
концентрация SiH₄ в смеси 10%
расход рабочей смеси с моносиланом Q SiH₄ порядка 50 100 см³/мин;
расход легирующей смеси Q SiH₄ порядка 5 20 см³/мин.

Концентрация легирующего вещества диборана (B₂H₆) выбиралась в диапазоне, обеспечивающем концентрацию легирующей примеси в твердой фазе в диапазоне 1•10¹⁷ см^-3 1•10²⁰ см^-3, причем в данном примере концентрация бора в пленке изменялась в интервале 2•10¹⁹ 1•10²⁰ см^-3.

На фиг. 1 представлен профиль распределения бора в пленке аморфного гидрированного кремния, определенный методом локального микроанализа (масс-спектрометрия вторичных ионов МСВИ). Изменение концентрации диборана проводили через равные промежутки времени при одновременном синхронном изменении одного из параметров, например, мощности, подводимой к реактору. Изменение ширины каждой из ступеней на кривой распределения концентрации примеси в твердой фазе (пленке) по толщине характеризует зависимость скорости роста пленки от мощности разряда. Интервал изменения легирующего вещества может быть выбран сколь угодно малым в пределах чувствительности аппаратуры метода контроля (МСВИ).

Пример 2. Пленки аморфного гидрированного кремния были выращены по методу, указанному в примере 1, при следующих режимах:
температура подложки T_S порядка 250 330^oC;
удельная мощность W порядка 0,01 0,10 Вт/см²;
рабочее давление P порядка 0,1 0,2 Topp;
концентрация SiH₄ в баллоне порядка 100%
расход моносилана Q SiH₄ порядка 0,5 5,0 см³/мин;
расход легирующей смеси Q B₂H₆ порядка 10 25 см³/мин.

В этом примере как и в примере 1 в качестве примеси-индикатора была использована примесь бора, вводимая добавлением диборана.

Процессы получения пленок из смесей с различным фиксированным содержанием моносилана проводились со ступенеобразным изменением концентрации легирующего вещества диборана в пределах, обеспечивающих концентрацию бора в пленке от 7•10¹⁷ до 3•10¹⁸ см^-3.

На фиг. 2 и 3 представлен вид профилей легирования пленок a-Si:H, полученных при различных давлениях в реакторе, на основании которых установлена величина давления, обеспечивающая наиболее однородное поле скоростей роста пленки a-Si:H по площади электрода реактора с требуемыми параметрами. Кроме того, могут быть построены градуировочные кривые зависимости содержания примеси в твердой фазе пленке a-Si:H от содержания легирующего вещества в газовой фазе при различных сочетаниях технологических параметров.

На фиг.4 представлен профиль распределения примеси бора в a-Si:H пленке с параметрами, которые были получены путем выбора оптимальных режимов осаждения с помощью описанного выше заявляемого способа. Полученные таким образом пленки a-Si:H или базовые слои i-го типа для различных a-Si:H-структур имели следующие параметры:
темновое удельное сопротивление ρ_т порядка 5•10¹⁰ - 5•10¹¹ см^-3;
фотоотклик отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещении ρ_т/ρ_свет:
a) светом, по составу близким к AM-1 и интенсивностью 50 мВт/см² порядка 1•10⁶ 7•10⁶;
б) при освещении He-Ne-лазером с интенсивностью 0,1 0,3 мВт/см² (λ около 632,8 нм) порядка 1•10⁴;
максимум спектральной чувствительности находится в диапазоне длин волн l порядка 630 700 нм.

Пример 3. На фиг. 5 и 6 представлены профили распределения примеси бора в пленках a-Si:H, осажденных на подложках, размещенных на различных участках подложкодержателя. Различная длина "ступенек" одного и того же уровня легирования на кривых, изображенных на фиг. 5 и 6, свидетельствует о неоднородности поля скоростей роста в реакторе, что дает возможность применять заявляемый способ как метод выявления конструктивных особенностей используемого оборудования для осаждения пленок.

Использование: для оптимизации параметров технологического процесса осаждения пленок из газовой фазы. Сущность изобретения: способ позволяет при ограниченном числе экспериментов в многомерном пространстве внешних регулируемых технологических параметров определить область параметров, обеспечивающую высокую скорость осаждения и оптимальные заданные параметры пленки с высокой однородностью по площади подложкодержателя. В процессе газофазного осаждения пленок на подложки в газовую фазу вводят, по крайней мере, одну газообразную примесь - индикатор и периодически или ступенеобразно изменяют ее концентрацию при синхронном изменении одного из оптимизируемых технологических параметров процесса осаждения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ оптимизации параметров процесса газофазного осаждения пленок на подложки, отличающийся тем, что в процессе осаждения пленки в газовую фазу вводят по крайней мере одну примесь-индикатор и периодически или ступенеобразно изменяют ее концентрацию при синхронном изменении одного из оптимизируемых технологических параметров процесса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве примеси-индикатора используют простое или сложное газообразное вещество. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве примеси индикатора используют одну или несколько легирующих примесей либо их газообразные соединения. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что тип примеси-индикатора и/или диапазон изменения ее концентрации в газовой фазе выбирают в интервале величин, не изменяющих скорость осаждения пленки. 5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что длительность этапа осаждения отдельных слоев с постоянной концентрацией примеси устанавливают одинаковой или изменяющейся по определенному закону.