В. И. Смирнов (987304), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Хемоэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоя вещества, в результате которогообразование новой фазы происходит при химическом взаимодействии веществаподложки с веществом, поступающим из внешней среды. Полученный хемоэпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества подложки, так и отвещества, поступающего на ее поверхность извне.Эпитаксиальные процессы в технологии электронных средств предназначены для решения различных задач. Одним из важнейших применений эпитаксии является процесс формирования скрытого слоя в полупроводниковых интегральных микросхемах (см. рис.
1.5). Наличие скрытого слоя позволяет повысить быстродействие биполярных транзисторов и всей микросхемы в целом.Создать сильнолегированный скрытый слой, расположенный на достаточно16большой глубине кремниевой пластины, не прибегая к эпитаксиальному процессу, невозможно.Изменяя концентрацию легирующей примеси в эпитаксиальном слое,можно получать слои с любым отличным от подложки уровнем легирования.Это позволяет получать высокоомные слои на низкоомной подложке или создавать резкие р-п-переходы, не прибегая, например, к твердофазной диффузии.Возможно также непрерывное изменение степени легирования эпитаксиальногослоя в процессе его выращивания, что приводит к постепенному изменениюуровня легирования по толщине слоя.
Этот метод используется, в частности, впроизводстве полупроводниковых солнечных батарей с улучшенными рабочими характеристиками.Важная область применения операции эпитаксии связана с изготовлениемтак называемых структур КНД («кремний на диэлектрике»). В этом случаена монокристаллической подложке, в качестве которой используют сапфир,шпинель, оксид кремния или оксид бериллия, наращивают тонкий слой монокристаллического кремния (толщиной примерно 0,5 мкм).
С помощью фотолитографии в слое формируются изолированные друг от друга «островки» кремния, в которых с помощью ионного легирования создаются полевые транзисторы и другие элементы ИМС. Поскольку в таких структурах используется изолирующая подложка, то электрическая емкость элементов невелика, что способствует снижению потребления энергии и повышению быстродействия. Кроме этого, полученные таким способом микросхемы обладают малыми токамиутечки, радиационной стойкостью и высокой степенью интеграции. Наибольшее распространение получили структуры КНС («кремний на сапфире»). Принаращивании слоев кремния на подложке из SiO2 получаются, как правило,аморфные слои, но последующая их рекристаллизация посредством обработкиповерхности лазерным или электронным лучом позволяет получать монокристаллический эпитаксиальный слой хорошего качества.С помощью гетероэпитаксии можно создавать гетерогеные электроннодырочныепереходы(гетеропереходы),широкоприменяемыев оптоэлектронике.
Гетеропереход образуется в результате контакта двух полупроводников со схожими кристаллическими решетками, но отличающимисяшириной запрещенной зоны. Чаще всего для решения таких задач используютполупроводниковые соединения группы А3В5 или А2В6, а также твердые растворы на их основе. Наиболее широкое применение гетеропереходы нашли присоздании таких изделий, как светодиоды, полупроводниковые лазеры и так далее.В зависимости от агрегатного состояния вещества, из которогона подложке формируется эпитаксиальный слой, различают парофазную, жидкофазную, твердофазную и газофазную эпитаксию, а также молекулярнолучевую эпитаксию.17Парофазная, жидкофазная и твердофазная эпитаксияПри парофазной эпитаксии атомы полупроводника переносятся непосредственноотисточникакмонокристаллическойподложкебез промежуточного взаимодействия путем испарения, сублимации, распыления и так далее. Количество атомов или молекул, осевших на подложке, существенно зависит от температуры подложки, состояния ее поверхности, химической природы осаждаемых атомов, их кинетической энергии и угла падения, атакже других технологических факторов.Кинетика процесса кристаллизации в значительной степени зависитот способности адсорбированных атомов мигрировать по поверхности подложки.
Если бы оседающие на поверхность подложки атомы связывались с ней вточках соприкосновения, то всегда образовывался бы аморфный пористый слойвещества. Для холодной подложки так обычно и происходит. В случае нагретойподложки атомы перемещаются (мигрируют) по поверхности. Важную рольздесь играет то обстоятельство, что поверхность подложки имеет определенныйпотенциальный рельеф, соответствующий расположению атомов в узлахее кристаллической решетки.
Для реальной поверхности строгое чередованиепотенциальных барьеров и ям нарушается вследствие влияния поверхностныхструктурных дефектов таких, как поверхностные вакансии, адсорбированныеатомы и ступеньки, обусловленные выходом на поверхность краевых или винтовых дислокаций. Обычно эти поверхностные дефекты приводятк возникновению более глубоких потенциальных ям.Атомы осаждаемого вещества при столкновении с подложкой могут попадать в потенциальные ямы. В результате флуктуаций тепловой энергии (особенно при повышенных температурах подложки) они могут переходитьв соседние потенциальные ямы и, таким образом, мигрировать по поверхности,а при достаточно высокой энергии повторно испаряться. Попав в более глубокую потенциальную яму, обусловленную структурным дефектом, атом устанавливает прочную связь с соседними атомами кристалла.
К этому атому присоединяются другие атомы, образуется зародыш и, в конечном итоге, происходит достраивание атомной плоскости.Таким образом, начальный этап роста эпитаксиального слоя характеризуется образованием зародышей, которые повторяют кристаллическую структуруподложки. Рост этих зародышей (увеличение их размеров) приводит к образованию островковой структуры. Островки затем сливаются, образуя сплошнойэпитаксиальный слой.Образование зародыша новой фазы сопровождается изменением свободной энергии ∆G, что обусловлено появлением дополнительной поверхности Snи объема новой фазы V. В предположении сферической формы зародыша,а также отсутствия электрических полей и зарядов этот процесс можно описатьуравнениями:18 ∂G∆G = 4ππ2 ∂S n 4 3 ∂G + πr , 3∂V∂GkT p пер kT N ↓= ∆G V = − ln=−ln,∂VV p равн V N↑∂G= σS ,∂Snгде r – радиус сферического зародыша; ∆GV − изменение свободной энергиипри конденсации, практически равное энергии испарения; рпер и рравн – давленияперенасыщенного пара и равновесное давление пара, соответствующее температуре конденсации Т; N↓ и N↑ − число молекул, движущихся к поверхностиконденсации и испаряющихся с нее; σS – поверхностная энергия.На рис.
3.1 представлены зависимости свободной энергии ∆G от радиусазародыша при различных температурах. Как видно из рисунка, в некотором интервале температур зависимость ∆G = f(r) носит немонотонный характер. Приr < rкр свободная энергия увеличивается,достигая значения ∆Gкр, а при r > rкр –уменьшается. Это означает, что еслиразмер зародыша меньше его критического размера rкр, то его рости дальнейшее увеличение размера термодинамически невыгодно, посколькуэтот процесс сопровождается увеличением свободной энергии. И только когдаразмер зародыша превысит критичеРис.
3.1. Зависимость свободнойский, дальнейший рост его становитсяэнергии от радиуса зародыша притермодинамически выгодным. Агрегатыразличных температурахрадиусом r < rкр считаются нестабильными, а агрегаты, имеющие радиус r > rкр, – стабильными зародышами новойфазы.Взяв первую производную функции ∆G, зависящую от радиуса зародыша,и приравняв ее нулю, можно определить rкр и ∆Gкр:316πσSrкр = −, ∆G кр =.2∆G V3∆G VПоскольку величина ∆GV зависит от степени перенасыщения параи температуры, то размер критического зародыша также должен зависеть2σS19от этих технологических параметров.
Например, при малых перенасыщенияхкритический радиус зародыша велик, а вероятность его образования мала. Этоспособствует сохранению неустойчивого состояния системы. Аналогичным образом влияет и температура подложки, а именно, повышение температуры приводит к увеличению размера критического зародыша. Как видно из рис.
3.1,при достаточно высоких температурах, зародыши могут и не образоваться.Метод жидкофазной эпитаксии заключается в выращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупроводниковым материалом. Полупроводник эпитаксиальнокристаллизуется на поверхности подложки, погруженной в расплав, при его охлаждении. В большинстве случаев при кристаллизации из жидкой фазы в качестве растворителя используют какой-либо металл, обладающий неограниченной растворимостью с полупроводником в жидком состоянии и образующий сним эвтектику, например, Au-Si или Al-Si.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
