14. Приведите физические основы процессов эпитаксии

Эпитаксия это процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. Ориентировочно выращенные слои нового вещества, закономерно продолжающие кристаллическою решетку подложки, называются эпитаксиальными слоями.

Основная особенность процесса эпитаксии по сравнению с диффузией заключается в том, что слои и локальные области с противоположным типом проводимости или с отличной по сравнению с полупроводниковой пластиной концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью.

В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Эпитаксиальные слои можно выращивать в вакууме, из парогазовой и жидкой фаз. С точки зрения соотношения материалов полупроводниковых пластин или подложек и слоя, а также свойств полученных структур эпитаксию разделяют на два основных вида.

Автоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания кристаллического вещества, очень незначительно отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Это дает возможность получать однородные по составу (гомогенные) электронно-дырочные переходы, поэтому процесс выращивания слоев иногда называют гомоэпитаксией.

Гетероэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося по химическому составу от вещества подложки. При выращивании гетероэпитак-сиальных слоев на границе слой-подложка образуется неоднородный по составу (гетерогенный) электрический переход. Процесс гетероэпитаксии возможен для элементов и сложных веществ, не образующих между собой химических соединений.

Эпитаксиальные структуры

Для производства ИМС выпускаются полупр-вые кремниевые заготовки – структуры четырех видов: однослойные, многослойные, со скрытыми слоями и гетероэпитаксиальные. По аналогии с обозначением кремния в марках эпитаксиальных структур имеются следующие обозначения: К – кремний; D, Э – дырочный и электронный типы проводимости соответственно; Б, С, М, Ф – легирующие элементы (бор, сурьма, мышьяк, фосфор).

Однослойные эпитаксиальные структуры изготавливаются на кремниевых монокристаллических пластинах n-типа проводимости в процессе наращивания автоэпитаксиального слоя p-типа. Марка однослойных эпитаксиальных структур записывается в виде дроби с числовым коэффициентом, например:

Числовой коэффициент перед дробью обозначает диаметр эпитаксиальной структуры (80 мм), первое число в числителе соответствует толщине эпитаксиального слоя (8 мкм), а в знаменателе – толщине пластины (200 мкм). Вторые числа в числителе и знаменателе соответствуют сопротивлениям эпитаксиального слоя (0,5смОм⋅) и подложки (0,01смОм⋅). Эпитаксиальные структуры со скрытыми слоями изготавливаются на пластинах Si p-типа проводимости с локальными участками низкоомного n⁺-кремния путем наращивания автоэпитаксиального слоя n-типа проводимости, легированного фосфором.

Механизм формирования слоев

Процесс эпитаксии можно разделить на следующие этапы: доставка атомов или молекул вещества слоя на поверхность пластины или подложки и миграция их по поверхности, начало группирования частиц вещества слоя около поверхностных центров кристаллизации, образова-ние зародышей слоя, рост отдельных зародышей до их слиянии и образование сплошного слоя.

Вещество материала слоя может доставляться к пластине или подложке непосредственно из источника, без химических (реакций) изменений или в результате химических реакций, происходящих либо вблизи от поверхности, либо на самой поверхности.

Доставленный атом перемещается по поверхности пластины или подложки до тех пор, пока не закрепится на ней или снова не вернется в окружающую среду.

Если атом, перемещаясь по поверхности, встретит центр кристаллизации – энергетически выгодное место, соответствующее абсолютному минимуму свободной энергии системы атом – подложка, он положит начало росту устойчивого эпитаксиального зародыша.

Если закрепление атома произойдет в месте, не соответствующем абсолютному минимуму свободной энергии, то тогда начнется рост неустойчивого разориентированного зародыша.

Рис.15. Развитие ступеньки в процессе эпитаксиального роста

Основными исходными центрами кристаллизации считаются всегда имеющиеся на поверхности монокристалла моно- и многоатомные ступени, и изломы на них, а также винтовые дислокации. При встрече с центром кристаллизации атом оказывается связанным, как минимум, с двумя атомами.

По мере поступления на поверхность новых порций вещества начинается объединение атомов в двух- или трехмерные зародыши, размер которых постепенно увеличиваются.

По мере роста зародышей происходит их слияние, и образуется сплошной эпитаксиальный слой.

Скорость роста эпитаксиальных слоев

В соответствии с приведенным механизмом образования эпитаксиальных слоёв скорость их роста определяется в основном, скоростью доставки вещества, образующего слой на поверхность пластины или подложки, а также скоростью образования и достройки устойчивых зародышей.

Скорость доставки вещества слоя определяется степенью пересыщения этим веществом пространства, окружающего пластину или подложку.

Скорость образования и роста зародышей при определенном количестве доставленных частиц зависит от температуры и от числа ступеней на поверхности пластины или подложки. С увеличением температуры увеличивается скорость перемещения атомов по поверхности, поэтому повышается вероятность "благоприятных встреч" с исходными центрами кристаллизации.

Этим можно объяснить существование так называемой эпитаксиальной температуры, выше которой растут ориентированные монокристаллические эпитаксиальные слои, ниже – разориентированные поликристаллические.

Количество ступеней на поверхности зависит от кристаллографической ориентации подложки и увеличивается при переходе от низкоиндексных к высокоиндексным плоскостям.

На низкоиндексных плоскостях скорость роста эпитаксиальных слоев увеличиваются в соответствии с рядом

(111) < (100) < (110).

В реальных процессах механизм роста эпитаксиальных слоев усложняется за счет влияния присутствующих на поверхности примесей, наличием различных дефектов и др. Возможны также переориеинтация зародышей роста, рассогласующее влияние подложки или пластины, образование переходного слоя на границе с поверхностью и др.

•15•Методы выращивания эпитаксиальных слоев из парогазовой фазы.

Эпитаксия — это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом, т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки).

По типу получаемых структур эпитаксия может быть разделена на три вида: автоэпитаксию, гетероэпитаксию и хемоэпитаксию.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным.

Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитаксиальным.

Хемоэпитаксия - это процесс ориентированного наращивания, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды.

По способу получения эпитаксия подразделяется на осаждение из парогазовой смеси и молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) – конденсация молекулярных пучков в высоком вакууме.

Газофа́зная эпитаксия — получение эпитаксиальныхслоевполупроводниковпутём осаждения изпаро-газовойфазы. Наиболее часто применяется втехнологиикремниевых,германиевыхиарсенид-галлиевыхполупроводниковых приборовиинтегральных схем.

Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлениив специальныхреакторахвертикального или горизонтального типа.Реакцияидёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 400—1200 °C (в зависимости от способа осаждения,скорости процессаидавлениявреакторе). Разогрев подложек осуществляетсяинфракрасным излучением,индукционнымили резистивным способом. Понижениетемпературыпроцесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированиюполикристаллическогослоя. С другой стороны, оно дает возможность снизить ширину диффузионной переходной области междуэпитаксиальнымслоем и подложкой, наличие которой ухудшает характеристики получаемыхприборов.

Существуют два основных способа получения эпитаксиальных слоев кремния методом газофазной эпитаксии:

• водородноевосстановлениететрахлорида кремния(SiCl₄), трихлорсилана(SiHCl₃) или дихлорсилана(SiH₂Cl₂);

• пиролитическое разложениемоносилана

Хлоридный метод.

При использовании в качестве источника тетрахлорида кремниясуммарная реакция может быть записана в виде: SiCl₄+2H₂(сухой)=Si+4HCl

Реакция обратимая, и при повышении температуры и/или концентрации хлорида начинает идти в обратную сторону. Трихлорсиланитетрахлорид кремнияпри комнатной температуре являютсяжидкими, адихлорсилан—газообразным.Тетрахлорид кремнияявляется менее опасным при хранении и транспортировке, поэтомутрихлорсиланобычно используют при наличии его собственного производства.

Скорость роста слоя — 0,1-2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе.

Ограничения метода: невозможно наращивать эпитаксиальную плёнку на сапфировых подложках, поскольку хлористый водород при этих условиях травит сапфир.

Недостаток метода: высокие температуры, приводящие к диффузии пластин. 1150°С-1200°С