А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника (1088520), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Именно благодаря эпитаксиальной технологии за последние годы резко повысилась надежность микроэлектронных изделий и возрос процент выхода годных вплоть до 98%. Развитие новых эпитаксиальных методов и технологий, в частности, молекулярно- пучковой эпитаксии, позволило создать многослойные структуры 300 Гл. 5. Упраеление диффузионными и кинетикескими процессами и сверхрешетки с управляемыми геометрическими параметрами и уникальными физическими свойствами.
Эпитаксиальные процессы, применяемые в современной твердотельной технологии, можно разделить на две большие группы по агрегатному состоянию исходной (питающей) фазы — процессы жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и процессы газофазной эпитаксии (ГФЭ). Кратко рассмотрим особенности практической реализации этих технологических процессов. 1.
Процессы жидкофазной эпитаксии осуществляются в результате кристаллизации на поверхности подложки монокристаллического вещества из жидкой фазы, представляющей собой либо расплав этого вещества, либо его раствор (или раствор- расплав) в другом жидком (или расплавленном) веществе как растворителе. При этом роль растворителя может выполнять либо один из компонентов твердого соединения (например, раствор арсенида галлия СзаАз в жидком галлии Сза), либо постороннее вещество (например, раствор железо-иттриевого граната ЪзрезОш — перспективного материала ферритовой техники— в расплаве окиси свинца РЮ). Понятно, что в идейном плане методы ЖФЭ мало чем отличаются от выращивания объемных монокристаллов из жидкой фазы — методов направленной кристаллизации и зонной перекристаллизации.
Термодинамическую основу этих методов составляют диаграммы плавкости, рассмотренные в главе 2. Выращивание из расплавов применимо только для элементарных веществ и химических соединений, плавящихся конгруэнтно, Пересыщение в системе достигается принудительным охлаждением расплава ниже температуры плавления Тн„что вызывает осаждение полупроводника на подложке с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Если не предпринять меры по отводу этой теплоты, то повышение температуры может прекратить кристаллизацию при достижении Т,„, Для элементарных полупроводников (например, для кремния с Тпл = 1420'С) кривые принудительного охлаждения аналогичны изображенным на рис.
2.12б под номерами 1 и 5. Различие между методами выращивания монокристаллов из расплава состоит главным образом в способе отвода скрытой теплоты кристаллизации. Выращивание из растворов-расплавов позволяет выбором растворителя и состава раствора вблизи линии ликвидуса проводить кристаллизацию вещества при температурах на сотни градусов ниже его температуры плавления, что применимо, в том числе, и к сложным (бинарным и тройным) соединениям з. з4. Принципы жидкофазной и газофазной зпитаксии 30! с инконгруэнтным плавлением. Понижение температуры кристаллизации снижает концентрацию структурных дефектов (тепловых вакансий) и уменьшает опасность загрязнения кристалла побочными примесями, для большинства которых коэффициент распределения (2.49) уменьшается с понижением температуры.
Преимущества кристаллизации из нестехиометрических растворов-расплавов особенно ярко проявляются при выращивании полупроводниковых соединений с высокими температурами плавления и разлагающихся соединений со значительным давлением паров летучих компонентов, входящих в состав кристалла. В последнем случае в процессе роста надо обеспечивать подпитку раствора летучим компонентом из парогазовой фазы. При кристаллизации из нестехиометрических раствороврасплавов в бинарной системе А-В пересыщение может быть достигнуто тремя способами: ° путем принудительного охлаждения, т, е, в неизотермических условиях (как и при кристаллизации из расплава); Т= айаг при неизменном составе раствора, с~ = сопзц соответствующем исходной жидкой фазе; ° путем подпитки раствора-расплава из газовой фазы в изотермических условиях: Т= сопз1 при изменяющемся составе раствора, св —— згаг; ° путем подпитки раствора-расплава из твердой фазы в условиях температурного градиента, Рассмотрим особенности трех способов пересыщения жидкой фазы на примере бинарной системы Па — Аз, фазовая диаграмма которой ранее была приведена на рис.
2.19а вместе с кривыми принудительного охлаждения (рис. 2.19б) и неоднородного распределения температуры (рис. 2.19 в). Принудительное охлаждение изначально насыщенного мышьяком расплава галлия, соответствующего точке 1 на рис. 2.19 а, осуществляется в соответствии с кривой охлаждения, изображенной на рис. 2,19б, Согласно правилу фаз (1.148), для бинарной системы при Р = сопз1 число степеней свободы равняется С = 3 — Ф.
Поэтому с понижением температуры при достижении линии ликвидуса, когда начинается кристаллизация баАз, система становится трехфазной (ж+ Аз'+ СзаАз) и нонвариантной (С = 0). Такому состоянию отвечает постоянная температура Т1 на кривой охлаждения в форме площадки нонвариантности (при условии отвода теплоты кристаллизации). При этом в процессе кристаллизации исходный состав раствора, соответствующий точке 1 на линии ликвидуса, остается неизменным. 302 Гл. з. Управление диффузионными и кинегпи песками процессами Подпитка раствора-расплава из газовой фазьз осуцгествляется для исходного расплава Сза, насыщенного мышьяком, что соответствует верхней точке 1' на рис. 2.19а.
При охлаждении до температуры Т~ раствор-расплав будет ненасыщенным, так как нижняя точка !' не совпадает с линией лнквидуса. Сохраняя неизменной температуру Т| = сопз1, можно повышением давления паров мышьяка Аз' (путем нагрева его источника, расположенного в специальной температурной зоне) насыщать ба мышьяком, т.е. смещать точку 1' вправо до совпадения ее с линией ликвидуса в точке 1. С этого момента начинается изотермическая кристаллизация арсенида галлия.
Подпитка раствора-расплава из твердой фазы реализуется в условиях существования температурного градиента в жидкой фазе, расположенной между двумя пластинами одного и того же вещества, в данном случае СзаАз. Профиль распределения температуры показан на рис. 2.19в, где перепад ЬТ= = Т„, — Тии„обеспечивает температурный градиент ЬТ(Ьх, на практике равный (10 — 15)'С/см. Пластина СзаАз с температурой Т, „„растворяясь, служит источником подпитки жидкой фазы мышьяком, Другая пластина с температурой Т ы является подложкой, на которой кристаллизуется СзаАз из раствора-расплава, заполняющего зазор между пластинами.
Действительно, температуре 7п,.„, соответствует точка 1,„к на линии ликвидуса (рис. 2.19а), в которой раствор обогащен мышьяком по сравнению с точкой 1„„„при температуре Т,„;,. Избыточный мышьяк диффундирует через слой расплава галлия из высокотемпературной зоны с Ти,н, в низкотемпературную зону с Т ы, что показано стрелками в верхней части рис. 2.19в.
Это создает на поверхностях пластин СзаАз пересыщения, противоположные по знаку и обеспечивающие растворение источника при Т ., и осаждение СзаАз на подложке при Т„и„, Изложенная идея составляет основу градиентной зонной перекристаллизации слитков, а также применяется при выращивании эпитаксиальных слоев. 2. Процессы газофазной эпитаксии осуществляются в результате кристаллизации на поверхности подложки монокристаллического вещества из парогазовой фазы, содержащей атомы или молекулы, идентичные по составу осаждаемому веществу, либо имеющие более сложный состав, включающий элементы кристаллизуемого материала.
В этой связи все используемые методы ГФЭ могут быть отнесены к одной из следующих трех групп. Метод конденсации осаждаемых компонентов из парогазовой фазы связан с нарушением условий фазового равновесия з.з4. Приняапы жадкофазнаа и газофазнод зпагпакааи 303 между газом и подложкой, содержацгими одни и те же частицы (молекулы, атомы, ионы). Газовая фаза обычно создается в результате термовакуумного испарения или катодного и ионноплазменного распыления материала источника. Эта идея в простейшем виде реализуется на обычных установках вакуумного и плазменного осаждения, а также составляет основу современной молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Метод МПЭ позволяет получать самые совершенные монокристаллические пленки с уникальными физическими и геометрическими свойствами. Молекулярно-ростовая застройка поверхности подложки обеспечивает создание идеальных монокристаллических слоев толщиною в несколько постоянных решетки кристалла.
При МПЭ подбором различных источников формируется многокомпонентная газовая фаза, соотношение между парцнальными давлениями которой позволяет выращивать полупроводниковые сверхрешетки на основе двойных и тройных твердых растворов. Эпитаксиальные структуры сложного состава со слоями нанометровой тол1цины составляют основу современной наноэлектроники.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
