В. И. Смирнов (987304), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В случае жидкофазной эпитаксииполупроводниковых соединений в качестве растворителя применяют легкоплавкий компонент соединения, например, Ga для GaAs и GaP. Это позволяетснизить температуру кристаллизации и уменьшить перепад температуры награнице подложка − расплав, что повышает чистоту выращиваемого слоя.При жидкофазной эпитаксии, управляемой током (электроэпитаксии), через наращиваемый эпитаксиальный слой пропускают постоянный электрический ток, тогда как температура системы «жидкость−подложка» поддерживается постоянной. При протекании тока в определенном направлении вследствиеэффекта Пельтье граница раздела охлаждается, что вызывает перенасыщениераствора-расплава и процесс кристаллизации полупроводникового вещества наподложке.
Таким способом удается получать качественные слои таких полупроводниковых соединений и твердых растворов, как InSb, GaAs, InP, AlGaAs.В основе твердофазной эпитаксии лежат процессы перекристаллизацииаморфногоилиполикристаллическогослоя,нанесенногона монокристаллическую подложку. Данным методом на поверхности подложки могут быть синтезированы тонкие монокристаллические слои химическихсоединений. Для этого в приповерхностный слой подложки имплантируют ионы одного из компонентов, а затем проводят отжиг. Примером может служитьполучение слоя нитрида алюминия AlN на поверхности подложки из α-Al2O3после имплантации в нее азота или слоя нитрида кремния Si3N4 на поверхностиSi при имплантации в него тех же ионов азота.Газофазная эпитаксия кремнияПри газофазной эпитаксии атомы полупроводника переносятсяк подложке в составе химического соединения.
Для кремния это могут быть,например, тетрахлорид кремния SiCl4 или силан SiH4. Весь процесс можно разбить на ряд стадий: перенос реагентов к поверхности подложки; адсорбцияи химическая реакция реагентов на поверхности подложки; десорбция продуктов реакции; перенос продуктов реакции от поверхности подложки20к основномупотоку;упорядочениеадсорбированныхатомовв кристаллическую решетку. Результирующая скорость роста эпитаксиальногослоя определяется самой медленной стадией из приведенных выше.В равновесных условиях все процессы протекают с одинаковой скоростьюи эпитаксиальный слой растет равномерно.Среди наиболее распространенных методов формирования эпитаксиальных слоев кремния основными являются два: хлоридный и силановый.
В основе хлоридного метода лежит химическая реакция восстановления кремния изтетрахлорида кремния SiCl4 водородом. Процесс осуществляют в горизонтальных или вертикальных реакторах в проточной системе. Взаимодействие тетрахлорида кремния с водородом описывается химической реакциейSiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl.Реакцию осуществляют при температурах 1000−1250 °С.
Реально реакция происходит в пять стадий с образованием промежуточных продуктов SiHCl3и SiCl2. Скорость роста эпитаксиального слоя зависит от температуры процессаи ряда других технологических факторов и обычно находится в диапазонеот 0,5 до 1,5 мкм/мин. Указанная выше реакция (точнее, все ее составляющие)обратима. Это означает, что при определенных условиях, например, когда температура реакции выходит за пределы некоторого рабочего интервала, скоростьроста становится отрицательной, то есть вместо роста эпитаксиального слояидет его травление парами HCl.Скорость роста эпитаксиального слоя зависит от кристаллографическойориентации подложки. Она минимальна для ориентации (111). При небольшихотклонениях от этой плоскости в направлении (110) скорость роста линейноувеличивается при возрастании угла отклонения, составляя примерно 5 %на один градус для температуры 1200−1250 °С.
В целом ориентационная зависимость скорости роста обусловлена обратимостью реакции восстановлениятетрахлорида кремния водородом.Легирование эпитаксиального слоя в хлоридном методе осуществляютпутем добавления в газ-носитель галоидных соединений легирующих примесей, например, PCl3, BCl3 или BBr3. Кроме галоидных соединений примесей могут быть использованы гидридные соединения бора, фосфора или мышьяка (диборан В2Н6, фосфин PH3, арсин AsH3).Приполученииэпитаксиальныхслоевкремниянарядус целенаправленным легированием следует учитывать влияние процесса автолегирования примесями, содержащимися в подложке.
Механизмы этого процесса могут быть различны: диффузия в твердой фазе из подложки в растущийслой; непосредственный перенос примесей через газовую фазу; перенос примесей в связанном виде при химическом взаимодействии компонентов парогазовой смеси с подложкой (например, при образовании летучих хлоридов примесного элемента). Наиболее существенным при высоких температурах являетсямеханизм диффузии в твердой фазе.21В основе силанового метода лежит химическая реакция пиролиза (разложения) силана:SiH4 → Si + 2H2.Реакцию осуществляют при температурах 900−1100 °С. Скорость роста эпитаксиального кремния несколько выше, чем при использовании хлоридного методаи, что особенно важно, температура процесса меньше примерно на 100 °С.
Поэтому процессы автолегирования в данном случае проявляются в меньшей степени. Кроме того, в меньшей степени «расплывается» скрытый слой, сформированный ранее в кремниевой подложке, так как изменение температуры на100 °С сопровождается изменением коэффициента диффузии примесей примерно на порядок.Из недостатков метода следует выделить большую чувствительностьк качеству подложки и присутствию следов окислителя в атмосфере реактора.Кроме этого, негативное влияние оказывают гомогенные реакциинад поверхностью подложки, сопровождающиеся образованием зародышейкремния, вследствие чего частицы выделившегося кремния неэпитаксиальноосаждаются на подложке, ухудшая кристаллическую структуру эпитаксиального слоя.
Поэтому очень важно выдерживать оптимальную температуру, чтобымаксимально снизить влияние этого процесса. Силан пирофорен, то есть навоздухе самовоспламеняется. Однако при разбавлении водородом или аргономдо объемной концентрации менее 5 % он теряет способность к воспламенению.Легирование эпитаксиальных слоев при силановом методе осуществляютпутем введения в поток газовой смеси газообразных соединений примесныхатомов, а именно, фосфина, арсина или диборана, разбавленных аргономили водородом.Молекулярно-лучевая эпитаксияПри молекулярно-лучевой эпитаксии поверхность полупроводниковойподложки в сверхвысоком вакууме (~10-9 − 10-7 Па) в строго контролируемыхусловиях обрабатывается нескольким молекулярными пучками одновременно,в результате чего на подложке формируется эпитаксиальный слой.Важной особенностью молекулярно-лучевой эпитаксии является низкаяскорость роста слоя, которая составляет приблизительно 1 мкм/ч или несколькомоноатомных слоев в секунду.
Это позволяет контролировать химический состав наращиваемого слоя и корректировать процесс по мере необходимости. Посуществу, молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет «сконструировать» эпитаксиальный слой нужного химического состава и кристаллической структурыиз отдельных «кирпичиков» – атомов и молекул.Схема установки для проведения молекулярно-лучевой эпитаксии представлена на рис.
3.2. Цифрами на рисунке обозначены элементы: 1 – подложка;2 – подогреватель подложки; 3 – источники молекулярных пучков; 4 – электронные пушки; 5 – сетка.22Температура подложки в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии поддерживается относительно низкой (на уровне 600−800 °С). Этоговполне достаточно, чтобы молекулы смогли мигрировать по поверхности, образуя кристаллическую решетку. В то же время процессы автолегирования, сопровождающиеся диффузией примесных атомов из подложки в эпитаксиальный слой,при таких температурах несущественны.Молекулярныепучкисоздаютсяв специальных источниках, где нужное веществооблучается электронным лучом, в результате чегоформируются слабо разреженные молекулярныеРис.
3.2. Схема установкипучки, направляемые на подложку. Легированиедля молекулярно-лучевойэпитаксиального слоя примесными атомами осуэпитаксииществляется из отдельных испарителей независимо от основных молекулярных пучков. Это позволяет реализовывать самыеразличные профили распределения примесных атомов по глубине эпитаксиального слоя.Наиболее важное достоинство метода молекулярно-лучевой эпитаксиисостоит в том, что он позволяет с высокой точностью контролировать и корректировать параметры растущих эпитаксиальных слоев. Многие установки снабжены специальным оборудованием для химического анализа.
Это, в частности,Оже-спектрометры и масс-спектрометры. Особенно хорош данный метод дляполучения многослойных структур с разным компонентным составом, но сблизкой кристаллической структурой из полупроводниковых соединений группы А3В5 и твердых растворов на их основе. На основе таких структур (так называемых сверхрешеток) можно создавать полупроводниковые приборы с уникальными свойствами.Гетероэпитаксия кремния на сапфиреГетероэпитаксия кремния на изолирующих подложках является однимиз перспективных направлений в технологии полупроводниковых интегральных микросхем, так как в этом случае естественным путем решается проблемаизоляции элементов микросхемы друг от друга.
Так, при использовании подложек из сапфира, можно почти на два порядка увеличить быстродействиемикросхем за счет исключения паразитных емкостей и утечек изолирующих рп-переходов. При этом плотность элементов и радиационная стойкость такжеувеличиваются.Для гетероэпитаксиального наращивания кремния на изолирующих подложках, например, из сапфира, необходимыми условиями получения качественных слоев являются близость параметров кристаллической решетки, согласованность по коэффициенту термического расширения и отсутствие химиче23ского взаимодействия продуктов реакции с подложкой.
Поэтому рассмотренный ранее хлоридный метод эпитаксии не используется, поскольку образующиеся в ходе реакции хлориды активно взаимодействуют с сапфировой подложкой.Сапфир α-Al2O3 и кремний имеют разную кристаллическую решетку:сапфир – ромбоэдрическую, кремний – кубическую гранецентрированную. Несмотря на значительные отличия по параметрам решетки и коэффициенту термического расширения сапфир обеспечивает возможность получения однородных монокристаллических слоев кремния на достаточно большой поверхностиподложки.
Сапфир обладает высокой теплопроводностью при высоких диэлектрических характеристиках. Такое сочетание свойств, редкое для изоляторов,очень важно при создании ИМС с большой плотностью элементов или в производстве приборов большой мощности. Вместе с тем сапфир довольно сложнообрабатывать механически.По поводу качества эпитаксиального слоя кремния следует отметить, чтоиз-за рассогласования кристаллических решеток сапфира и кремния концентрация дефектов кристаллической структуры, в частности, дефектов упаковки внем больше, чем в объемном монокристалле. Наличие структурных дефектов ивызванных ими механических напряжений вблизи границы раздела эпитаксиальный кремний – сапфир приводит к существенному снижению подвижностисвободных носителей.
Подвижность электронов в эпитаксиальном слое примерно на 20 % ниже, чем в объемном кристалле кремния, а для дырок это отличие достигает 50 %.Это обстоятельство, на первый взгляд, должно было бы привестик снижению быстродействия микросхем, изготовленных на подложкахиз сапфира. В действительности этого не происходит. Дело в том, чтов островках гетероэпитаксиального слоя формируются не биполярные транзисторы, а полевые. Современный уровень фотолитографии обеспечивает получение каналов очень малой длины. Поэтому даже при напряжении между истоком и стоком транзистора всего несколько вольт напряженность электрического поля в канале настолько велика, что дрейфовая скорость электронов достигает насыщения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
