Плазмалық күшейтілген химиялық бу тұндыруының негізгі технологиясы (PECVD)

1. Плазмалық күшейтілген химиялық бу тұндыруының негізгі процестері

Плазмалық күшейтілген химиялық бу тұндыру (PECVD) - жарқыраған разряд плазмасының көмегімен газ тәрізді заттардың химиялық реакциясы арқылы жұқа қабықшаларды өсірудің жаңа технологиясы. PECVD технологиясы газ разрядтау арқылы дайындалатындықтан, тепе-тең емес плазманың реакция сипаттамалары тиімді пайдаланылады және реакция жүйесінің энергиямен жабдықтау режимі түбегейлі өзгереді. Жалпы алғанда, PECVD технологиясы жұқа қабықшаларды дайындау үшін қолданылған кезде, жұқа қабықшаларды өсіру негізінен келесі үш негізгі процесті қамтиды.

Біріншіден, тепе-теңдіксіз плазмада электрондар бастапқы сатыда реакция газымен әрекеттесіп, реакция газын ыдыратады және иондар мен белсенді топтардың қоспасын түзеді;

Екіншіден, барлық белсенді топтардың түрлері пленканың бетіне және қабырғасына диффузияланып, тасымалданады, ал реагенттер арасындағы екінші реттік реакциялар бір уақытта жүреді;

Соңында, өсу бетіне жеткен барлық бастапқы және қайталама реакция өнімдері адсорбцияланады және бетпен әрекеттеседі, бұл газ тәрізді молекулалардың қайта бөлінуімен қатар жүреді.

Атап айтқанда, жарқыл разрядтау әдісіне негізделген PECVD технологиясы сыртқы электромагниттік өрістің қоздыруы кезінде реакция газының ионданып, плазма түзуіне мүмкіндік береді. Жарқыл разрядтау плазмасында сыртқы электр өрісімен үдетілген электрондардың кинетикалық энергиясы әдетте шамамен 10 эВ немесе одан да жоғары болады, бұл реактивті газ молекулаларының химиялық байланыстарын бұзуға жеткілікті. Сондықтан, жоғары энергиялы электрондар мен реактивті газ молекулаларының серпімсіз соқтығысуы арқылы газ молекулалары бейтарап атомдар мен молекулалық өнімдерді алу үшін иондалады немесе ыдырайды. Оң иондар ион қабатының үдеткіш электр өрісімен үдетіліп, жоғарғы электродпен соқтығысады. Төменгі электродтың жанында кішкентай ион қабатының электр өрісі де бар, сондықтан субстрат белгілі бір дәрежеде иондармен бомбаланады. Нәтижесінде, ыдырау нәтижесінде пайда болған бейтарап зат түтік қабырғасы мен субстратқа диффузияланады. Дрейф және диффузия процесінде бұл бөлшектер мен топтар (химиялық белсенді бейтарап атомдар мен молекулалар топтар деп аталады) қысқа орташа еркін жолға байланысты ион молекуласының реакциясына және топ молекуласының реакциясына ұшырайды. Субстратқа жетіп, адсорбцияланатын химиялық белсенді заттардың (негізінен топтардың) химиялық қасиеттері өте белсенді, ал қабықша олардың арасындағы өзара әрекеттесу арқылы түзіледі.

2. Плазмадағы химиялық реакциялар

Жарқыл разряд процесіндегі реакция газының қоздырылуы негізінен электрондардың соқтығысуы болғандықтан, плазмадағы элементар реакциялар әртүрлі, ал плазма мен қатты дене бетінің өзара әрекеттесуі де өте күрделі, бұл PECVD процесінің механизмін зерттеуді қиындатады. Қазіргі уақытта көптеген маңызды реакция жүйелері идеалды қасиеттері бар пленкаларды алу үшін эксперименттер арқылы оңтайландырылды. PECVD технологиясына негізделген кремний негізіндегі жұқа пленкаларды тұндыру үшін, егер тұндыру механизмін терең ашуға болатын болса, материалдардың тамаша физикалық қасиеттерін қамтамасыз ету негізінде кремний негізіндегі жұқа пленкалардың тұндыру жылдамдығын айтарлықтай арттыруға болады.

Қазіргі уақытта кремний негізіндегі жұқа қабықшаларды зерттеуде сутегімен сұйылтылған силан (SiH4) реакция газы ретінде кеңінен қолданылады, себебі кремний негізіндегі жұқа қабықшаларда белгілі бір мөлшерде сутегі бар. Н кремний негізіндегі жұқа қабықшаларда өте маңызды рөл атқарады. Ол материал құрылымындағы салбыраған байланыстарды толтыра алады, ақаулық энергия деңгейін айтарлықтай төмендетеді және материалдардың валенттік электронды бақылауын оңай жүзеге асыра алады. Спир және т.б. алғаш рет кремний жұқа қабықшаларының легирлеу әсерін түсініп, алғашқы PN түйіспесін дайындағаннан бері, PECVD технологиясына негізделген кремний негізіндегі жұқа қабықшаларды дайындау және қолдану бойынша зерттеулер үлкен жетістіктерге жетті. Сондықтан, PECVD технологиясымен тұндырылған кремний негізіндегі жұқа қабықшалардағы химиялық реакция төменде сипатталады және талқыланады.

Жарқырау разряды жағдайында, силан плазмасындағы электрондар бірнеше EV энергиясынан артық болғандықтан, H2 және SiH4 электрондармен соқтығысқан кезде ыдырайды, бұл бастапқы реакцияға жатады. Егер аралық қозған күйлерді ескермесек, sihm (M = 0,1,2,3) H-мен келесі диссоциациялану реакцияларын алуға болады.

e+SiH4→SiH2+H2+e (2.1)

e+SiH4→SiH3+ H+e (2.2)

e+SiH4→Si+2H2+e (2.3)

e+SiH4→SiH+H2+H+e (2.4)

e+H2→2H+e (2.5)

Негізгі күйдегі молекулалардың стандартты жылу өндірісіне сәйкес, жоғарыда көрсетілген диссоциация процестері үшін қажетті энергиялар (2.1) ~ (2.5) сәйкесінше 2.1, 4.1, 4.4, 5.9 ЭВ және 4.5 ЭВ құрайды. Плазмадағы жоғары энергиялы электрондар келесі иондану реакцияларына да ұшырауы мүмкін:

e+SiH4→SiH2++H2+2e (2.6)

e+SiH4→SiH3++ H+2e (2.7)

e+SiH4→Si++2H2+2e (2.8)

e+SiH4→SiH++H2+H+2e (2.9)

(2.6) ~ (2.9) теңдеулері үшін қажетті энергия сәйкесінше 11.9, 12.3, 13.6 және 15.3 ЭВ құрайды. Реакция энергиясының айырмашылығына байланысты (2.1) ~ (2.9) реакцияларының ықтималдығы өте біркелкі емес. Сонымен қатар, (2.1) ~ (2.5) реакция процесімен түзілген сигм иондалу үшін келесі екінші реттік реакцияларға ұшырайды, мысалы:

SiH+e→SiH++2e (2.10)

SiH2+e→SiH2++2e (2.11)

SiH3+e→SiH3++2e (2.12)

Егер жоғарыда аталған реакция бір электронды процесс арқылы жүргізілсе, қажетті энергия шамамен 12 эВ немесе одан да көп болады. Кремний негізіндегі пленкаларды дайындау үшін атмосфералық қысым кезінде (10-100па) электрон тығыздығы 1010 см-3 әлсіз иондалған плазмада 10 эВ-тан жоғары жоғары энергиялы электрондар саны салыстырмалы түрде аз екенін ескере отырып, кумулятивті иондану ықтималдығы әдетте қозу ықтималдығынан аз болады. Сондықтан, силан плазмасындағы жоғарыда аталған иондалған қосылыстардың үлесі өте аз, ал sihm бейтарап тобы басым. Массалық спектрлік талдау нәтижелері де бұл қорытындыны дәлелдейді [8]. Буркуард және т.б. Әрі қарай sihm концентрациясы sih3, sih2, Si және SIH ретімен төмендегенін, бірақ SiH3 концентрациясы SIH концентрациясынан ең көбі үш есе болғанын атап өтті. Робертсон және т.б. Сигмнің бейтарап өнімдерінде таза силан негізінен жоғары қуатты разряд үшін, ал сигм3 негізінен төмен қуатты разряд үшін пайдаланылғаны туралы хабарланды. Концентрацияның жоғарыдан төменге дейінгі реті SiH3, SiH, Si, SiH2 болды. Сондықтан плазмалық процесс параметрлері сигм бейтарап өнімдерінің құрамына қатты әсер етеді.

Жоғарыда аталған диссоциация және иондану реакцияларынан басқа, иондық молекулалар арасындағы екінші реттік реакциялар да өте маңызды.

SiH2＋+SiH4→SiH3++SiH3 (2.13)

Сондықтан, ион концентрациясы тұрғысынан sih3+ sih2+-тан көп. Бұл SiH4 плазмасында sih2+ иондарына қарағанда sih3+ иондарының көп болуын түсіндіре алады.

Сонымен қатар, плазмадағы сутегі атомдары SiH4-тегі сутекті ұстап алатын молекулалық атомдардың соқтығысу реакциясы болады.

H+ SiH4→SiH3+H2 (2.14)

Бұл экзотермиялық реакция және si2h6 түзілуінің алғышарты. Әрине, бұл топтар тек негізгі күйде ғана емес, сонымен қатар плазмада қозған күйден қозған күйге де болады. Силан плазмасының эмиссиялық спектрлері Si, SIH, h оптикалық тұрғыдан рұқсат етілген өтпелі қозған күйлерінің және SiH2, SiH3 тербелмелі қозған күйлерінің бар екенін көрсетеді.