[11] Методы Выращивания Кристаллов В Электронной Технике (Материалы с сайта Арсеньева), страница 26

N_z=N_s e^-φz

а второй процесс—формулой

N_z=N_E (1-e^-φz)

где N_z — концентрация примеси в эпитаксиальном слое;

N
_s — концентрация примеси в подложке; N_E — равновесная концентрация в достаточно толстом эпитаксиальном слое;

Рис. 11.6.12. Влияние автолегирования на аспределение примеси в эпитаксиальных слоях: а—п. на n⁺; б—п на р

z—расстояние, отмеренное от стыка подложки с эпитаксиальным слоем по перпендикуляру вверх от подложки; φ— экспериментально определяемый фактор роста. Фактор роста меняется в зависимости от вида установки и обычно обратно пропорционален температуре. На рис. 11.6.11 показана зави­симость φ от Т для подложек, легированных мышьяком и бо­ром. Суперпозиция этих процессов дает

N_z= (N_s -N_E ) e^-φz+ N_E

где N_s и N_E имеют одинаковые знаки для добавок одинако­вого. типа и противоположные знаки для добавок противоположных типов.

На рис. 11.6.12 для описания ситуаций «n-слоя на п⁺-слое и n-слоя на р-подложке» показан график суперпозиции ука­занных выше процессов. В расчетах, на основании которых построены графики рис. 11.6.12, принято, что (φ=0,5 мкм^-1. Как правило, эпитаксиальное выращивание проводится при тем­пературе выше 1200° С, при этом значение φ несколько выше. Для структуры типа п—п⁺ при концентрации примесей в под­ложке около 10¹⁸ см^-3 и идеальной концентрации примеси в слое порядка 10¹⁶ см^-3 эффект автолегирования хорошо проявляется в эпитаксиальном слое, увеличивая концентра­цию атомов—доноров до величин больше нормы.

В случае п. на р при концентрации примеси в подложке около 10¹⁵ см^-3 и идеальной концентрации в слое порядка 10¹⁶ см^-3, р—n-переход будет слегка смещен (около 0,2 мкм) в толщу эпитаксиального слоя.

В

случае n-слоя на р-подложке, р—n-переход образуется в эпитаксиальном слое на расстоянии Z_п от поверхности подложки. Это расстояние называется смещением р—n-перехода

Чем больше фактор роста, тем меньше смещение перехода, поэтому для минимизации 2п желательно выращивать эпитаксиальные слои при как можно более высокой температуре.

О

саждение эпитаксиального слоя проходит при высокой температуре, и последующее нанесение примеси и диффузия также ведутся при высокой температуре, поэтому следует ожидать действия этих процессов на профили примеси вблизи зоны соприкосновения эпитаксиальный слой—подложка. Как и в случае автолегирования, общий механизм явления сла­гается из двух: 1) диффузия из легированной подложки в нелегированный эпитаксиальный слой; 2) диффузия из леги­рованного эпитаксиального слоя в нелегированную подлож­ку. Можно оба эти случая рассматривать как диффузию из равномерно легированного полубесконечного слоя в нелеги­рованный полубесконечный слой. Формула (11.6.1) дает реше­ние уравнения диффузии для первого случая. Она представ­ляет собой выражение концентрации примеси N_δ в беспримес­ном эпитаксиальном слое через начальную концентрацию при­меси в, подложке N_s, расстояние от подложки z и коэффи­циент диффузии для примеси в подложке D_s:

(11.6.1)

Д

ля того чтобы вычислить профиль распределения примеси во втором случае, вычтем предыдущий результат (формула 11.6.1) из теоретического значения идеального профиля примеси , в эпитаксиальном слое, получим

(11.6.2)

где N_D—концентрация примеси в легированном эпитакси­альном слое на беспримесной подложке; n_e—концентрация вблизи поверхности эпитаксиального слоя в предположении, что он имеет достаточную толщину; D_E—коэффициент диф­фузии для примесей в эпитаксиальном слое.

Р
ис.11.6.13. Влияние диффузии на распределение при­меси в эпитаксиальных слоях: а—п на п+; б—п на р

Если z >> 2√(D_Et), то N_D≈N_E

Перераспределение примеси, происходящее в - процессе эпитаксии, пренебрежимо мало по сравнению с перераспре­делением, происходящим при дальнейшей обработке.

Чтобы рассчитать перераспределение примеси, происхо­дящее из-за диффузии в процессе обработки, следует вычис­лить эффективное произведение коэффициента диффузии на время (D_Е)_эффt. Для этого приравняем (D_Е)_эффt к сумме произведений соответствующих коэффициентов диффузии иа время протекания каждого этапа высокотемпературной обра­ботки. На рис. 11.6.13 показаны перераспределения примеси из-за диффузии в структуре п на n⁺ с мышьяком в качестве примеси и в структуре п на р с мышьяком и бором в качестве примеси.

В структуре п на п⁺ получается резкий переход между подложкой и эпитаксиальным слоем. В структуре п на р этот переход несколько сдвигается в сторону подложки, компен­сируя эффект смещения перехода вследствие автолегирова­ния. Чтобы минимизировать эффекты диффузии при исполь­зовании скрытых слоев применяют примеси с малыми коэф­фициентами диффузии, например такие, как сурьма или мышьяк (и для скрытого, и для эпитаксиального слоя).

11.6.6. Дефекты в эпитаксиальных структурах

Основными дефектами, возникающими в эпитаксиальных пленках при их росте являются дислокации и дефекты упа­ковки.

О совершенстве структуры пленки можно судить по фи­гурам и ямкам травления на поверхности контрольного об­разца, а также по величине подвижности носителей заряда, которая при определенных концентрации примеси и темпе­ратуре зависит от плотности дефектов. Плотность дефектов определяется как число дефектов на 1 см² поверхности от­дельно для дефектов упаковки (фигуры травления) и дисло­каций (ямки травления). Обычно плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях не превышает 10³ см^-2, а плотность дефектов упаковки—10² cм^-2. Плотность дислокации в ис­ходных пластинах в соответствии с ГОСТом не должна быть более 10 см^-2.

При эпитаксиальном росте пленок воспроизводится морфо­логия подложки, поэтому дислокации, имевшиеся в пластине исходного полупроводника, наследуются эпитаксиальной плен­кой. Плотность дислокаций максимальна на границе раздела эпитаксиального слоя и подложки. Для получения слоев с малой плотностью дислокаций требуются тщательная меха­ническая обработка, очистка поверхности пластин, химичес­кое жидкостное или газовое травление.

Одной из причин образования дислокаций в эпитаксиальных слоях являются также термические и механические на­пряжения, возникающие на различных стадиях обработки структур. Механические напряжения возникают при значи­тельном различии параметров кристаллической решетки и концентрации легирующей примеси в подложке и растущем слое. Так, например, при введении в кремний атомов бора или фосфора, имеющих ковалентные радиусы меньшие, чем у атомов кремния, параметры решетки уменьшаются. При введении атомов сурьмы с большим ковалентным радиусом наблюдается обратный эффект. В процессе наращивания эпитаксиального слоя возникают напряжения, структура изгибается и генерируются дислокации поверхности раздела. Образование дислокаций поверхности раздела исключается применением легирования эпитаксиального слоя двумя приме­сями, ковалентный радиус одной из которых больше, чем у кремния, а у другой—меньше. В этом случае, постоянную решетки эпитаксиального слоя можно приблизить к постоян­ной решетки подложки. Рост монокристаллического эпитаксиального слоя состоит из зарождения центров кристаллиза­ции, присоединения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое целое. Если какой-либо атом выдвигается из своего слоя, то он слу­жит исходной точкой развития дефекта упаковки, ибо окру­жающие его атомы в процессе последующего роста также будут сдвинуты относительно моноатомных слоев всего объема.

Дефекты упаковки на поверхности эпитаксиального слоя образуют плоские фигуры: равносторонние и равнобедрен­ные треугольники, квадраты, прямые линии, незамкнутые тре­угольники и квадраты. Форма дефектов упаковки зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. Например, в слоях, которые выращены на подложках, ориен­тированных в плоскости (111), дефекты упаковки проявля­ются в виде равносторонних треугольников и отдельных углов. На слоях с ориентацией (110) возникают равнобедренные тре­угольники, на плоскости (100)—квадраты и их комбинации.

11.6.7. Выращивание эпитаксиальных пленок полупроводниковых соединений типа А^IIIB^V

Выращивание эпитаксиальных пленок соединений АIIIBV является одной из наиболее актуальных проблем технологии современной микроэлектроники. Решение этой задачи нераз­рывно связано с прогрессом в областях создания оптоэлектpoнныx систем, включающих полупроводниковые лазеры, приемники излучения, быстродействующие компьютеры и т. д.

Для получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия из парогазовой смеси используют реакции с водородом газооб­разных хлоридов и гидридов:

4GaCl₃+As₄+6H₂↔4GaAs+12HCJ;

2Ga+2HC1↔2GaCl_пap+H₂;

3GaCl_nap+6AsCl₃+3H₂↔3GaAs+12HCl;

2Ga+2AsH₃↔2GaAs+3H₂.

Наряду с летучими соединениями мышьяка в систему может подаваться и ряд других соединений элементов, которые мо­гут легировать образующиеся эпитаксиальные слои. В случае использования, например, гидрида фосфора, возможно полу­чение пленок состава GaAs_1-хР_х,. В настоящее время пред­принимаются интенсивные усилия для реализации гетероэпитаксиальных структур, т. е. использования иных, нежели арсенид галлия GaAs, подложек, что особенно важно для по­лучения оптоэлектронных интегральных схем. Для получения легированных пленок n-типа в качестве доноров применяют серу или теллур, для р-типа.—пары цинка. Сера или теллур вводятся в систему в виде сернистого водорода и диэтилтеллура. Обычно для каждого вида газообразного агента имеется ввод в реактор.

Д
остоинством системы Ga—AsCl₃—Н₂ для получения эпи­таксиальных пленок арсенида галлия GaAs является воз­можность использования реагентов, которые сравнительно просто с помощью опробованных и налаженных методик мож­но очистить от посторонних примесей до требуемого уровня чистоты. Галлий очищается ректификацией металла или хло­рида, вытягиванием кристаллов из расплава или зонной плав­кой. AsCl₃ для удаления примесей подвергают ректификации, причем высокая чистота этого продукта обеспечивает соот­ветственно отсутствие примесей образовавшихся в системе НСl и As. Схема установки, применяемой для получения эпи­таксиальных слоев арсенида галлия, приведена на рис. 11.6.14.

Рис. 11.6.14. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок GaAs в системе Ga—AsCl₃—H₂: 1— зона мышьяка 425° С; 2 — лодочка с галлием 800° С; 3 — держатель с подложкой 750 или 900° С; 4 — выход водорода с продуктами реакции; 5 — вход чистого водорода; 6 — барботер с AsCl₃

Процесс проводят в реакторе, имеющем три температур­ные зоны, создаваемые внешним резистивным нагревателем. В первой зоне при Т=425°С идет восстановление мышьяка по реакции

4АsС1₃+6Н₂→12НС1+Аs₄.