МЛЭ (Сборник лекций Панфилова)

ПАРО-ГАЗОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ

Паро-газофазная эпитаксия (ПГФЭ): адсорбция молекул AsH₃ на поверхности кремниевой подложки и их диссоциация на мышьяк и водород:

2AsH₃ -> 2As + 3H₂.

Суммарная реакция

2SiCl₄ (газ) + 2AsH₃ (газ) + H₂ (газ) -> 2Si (тв.) + 2As (тв.) + 8HCl (газ).

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ

Преимущества молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) над ПГФО:

- более низкая температура процесса (673 – 1073 К);

- более высокая точность управления уровнем легирования (можно получать сложные профили легирования – сверхрешетки с практически любыми параметрами кристалла);

- сверхчистые условия роста пленки в условиях сверхвысокого вакуума р = 10^-6 – 10^-8 Па с длиной свободного пробега молекул λ = 5^.10^-3/р = 5^.10^-3/10^-7 = 5^.10⁴ м, т.е. перенос массы (атомов) только за счет тепловой энергии E_a = kT, а не диффузии. Это дает возможность регулировать поток, а следовательно, состав осаждающегося вещества.

Sb

T_п

Si

Т_{нагрева}

Подложка из Si или сапфира Al₂O₃ (КНС) или SiO₂, Si₃N₄ (КНИ)

Ячейка Кнудсена

Схема молекулярно-лучевой эпитаксии кремния, легированного сурьмой

Критическая интенсивность (поток) подачи атомов на подложку:

, атом/(м²с),

где S₀ – эффективная площадь, занятая адатомами, м2; τ_а – время «жизни» адатома, с; E_дес – энергия десорбции адатома, Дж; E₁ – энергия связи адатома с другими адатомами, Дж; T_п – температура подложки, К; k – постоянная Больцмана, равная 1,38^.10^-23 Дж/К.

Скорость роста пленки при МЛЭ составляет V_р = 0,01 – 0,3 мкм/мин (последнее число соизмеримо со скоростью роста пленки при ПГФЭ).

Еще одним преимуществом МЛЭ по сравнению с ПГФЭ является более широкий диапазон легирования: концентрация примеси при МЛЭ 10¹³ – 10¹⁹ см^-3 (+/- 1%), при ПГФЭ максимальная концентрация примеси 10¹⁷ см^-3.

При проведении МЛЭ путем регулирования T_п и скорости осаждения устанавливаются такие величины τ_а и N_кр, при которых адатомы находят на поверхности подложки наиболее «благоприятные» места (с минимальной энергией – аналог «шарик-лунка») и встраиваются в кристаллическую решетку. Для испарения примеси используется ячейка Кнудсена, а в процессе роста пленки осуществляется контроль ее состава и параметров сверхрешетки методами Оже-спектроскопии, ВИМС анализа и др.