6.3. Эпитаксия

Эпитаксией называется процесс ориентированного наращивания тонких пленок на подложку. Полученная таким образом пленка сохраняет морфологию и кристаллографию подложки-матрицы. Процесс эпитаксии требует высокой степени точности и относится к основным процессам субмикронной и нанотехнологий. Для осуществления эпитаксиального роста подложка и наращиваемая пленка должны иметь общую кристаллографическую природу, а относительная разница размеров их кристаллических решеток, как правило, не должна превышать 15%. Обязательным условием эпитаксии является чистота и кристаллическое совершенство поверхности подложки-матрицы, а процесс эпитаксии должен осуществляться при минимально возможной температуре. Рассмотрим примеры осуществления основные видов эпитаксиальных процессов.

Конденсация из паровой фазы в вакууме. Является наиболее простым с технической точки зрения и широко применяемым методом газофазной эпитаксии. Установка состоит из двух основных узлов: узла испарения вещества и узла конденсации (узла эпитаксиального роста). В качестве нагревателя испаряемого вещества обычно применяется электронный пучок. Подложка для эпитаксии поддерживается при определенной температуре с помощью независимого нагревателя. Атомы от кристалла-источника после их испарения в вакууме переносятся к кристаллу-подложке, где происходит их конденсация, образование многоатомных зародышей и превращение зародышей в большие островки. Островковый механизм роста ограничивает возможность получения прецизионных пленок, так как сплошность покрытия наступает при достаточно большой разнице по толщине эпитаксиального слоя в разных точках подложки.

Процесс кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия. Широко используется в технологии. В этом случае происходит перенос реагентов к поверхности подложки, их адсорбция на поверхности, где в дальнейшем происходит химическая реакции, десорбция ненужных продуктов реакции и кристаллизация необходимого вещества. Примером может служить процесс получения таким методом слоя кремния путем восстановления тетрахлорида кремния:

. (6.4)

Молекулярно-лучевая эпитаксия. Получение эпитаксиальных слоев, используя конденсацию молекулярных пучков в высоком вакууме. Метод обладает существенными достоинствами: а) низкая температура эпитаксиального процесса (650–1050 К) и, как следствие, малая диффузия примесей из подложки, благодаря чему возможно формировать более резкие границы между слоями; б) за счет высокой прецизионности роста возможно получать более тонкие эпитаксиальные слои; в) использование дополнительного молекулярного пучка из легирующего вещества позволяет осуществлять высокую точность управления уровнем легирования из-за безынерционности процесса. Это позволяет получать сложные профили легирования. Однако из-за высокой стоимости вакуумного оборудования (в установке требуется поддерживать вакуум Па) в серийном производстве ИС применяется редко. Используется в производстве высокочастотных и оптоэлектронных приборов и для технологических исследований. При высоком вакууме, который поддерживается в процессе эпитаксии, практически нет столкновений испаряемых молекул. Скорость их переноса определяется тепловой энергией, а не медленными диффузионными процессами, и уровнем легирования эпитаксиальных слоев сравнительно легко управлять. Однако при этом виде эпитаксии требуется высокая точность поддержания температуры процесса, так как она определяет скорость осаждения вещества из молекулярного пучка. Для уменьшения числа дефектов в эпитаксиальном слое проводится предэпитаксиальная обработка подложек: высокотемпературный отжиг (1200–1500 К), обработка низкоэнергетическими ионами (20–30 эВ) с последующим отжигом (1050–1150 К) для удаления возникших радиационных дефектов.

Атомарно-слоевая эпитаксия (молекулярное наслаивание). Метод основан на химическом взаимодействии на поверхности, при котором химическое соединение образуется на активных центрах со свободной валентной связью. Толщина образующейся пленки зависит не от времени процесса и не интенсивности потока материала, а определяется количеством повторяющихся реакционных циклов. Как известно, на одном квадратном сантиметре поверхности любого твердого тела содержится примерно свободных валентных связей (поверхностные состояния Тамма), на которые можно хемосорбировать нужную функциональную группу. Далее, химически воздействуя на эту функциональную группу, осуществляют образование на поверхности монослоя необходимого вещества и исходной функциональной группы, завершив таким образом реакционный цикл образования одного монослоя вещества. В качестве примера приведем схему образования оксида кремния на поверхности, которая изначально содержит группу OH со свободными валентными связями.

O OH

Si +2HCl

O OH

поверхность

подложки

Рис.6.1. Схема образования оксида кремния на поверхности, содержащей группу ОН со свободными валентными связями

После взаимодействия с , а затем с цикл завершается и на поверхности образуется и функциональные группы OH. Далее циклы можно повторять, после каждого из которых на поверхности добавляется еще один монослой . Рост эпитаксиальной пленки можно прервать на любой стадии, выдерживая ее толщину с точностью до одного монослоя. Обеспечить сплошность пленки можно при сравнительно малой ее толщине (2–5 нм), при этом обеспечивается рост пленки, независимо от рельефа поверхности (конформность роста). Изменяя химические реагенты через определенное число циклов можно формировать разнообразные многослойные структуры с резкими переходами между ними.

Дальнейшее развития эпитаксиальной технологии заключается в совершенствовании существующих и разработке новых процессов эпитаксиального наращивания, основными требования к которым состоят: а) в уменьшении температуры процессов; б) в получении пленок с высокой точностью по вертикали.

Помимо эпитаксиальных процессов для целей субмикроэлектроники и нанотехнологии осуществляется значительное число других технологических операций, характеризующихся высокой сложностью и точностью, требующих глубоких знаний в области естественных наук. Это операции получения диэлектрических пленок, металлизация поверхностей, ионная имплантация и др. Общие принципы получения различных пленок и покрытий аналогичны применяемым для эпитаксии, представление об ионной имплантации можно получить, изучив материал темы по ионной технологии.