Механизм процесса эпитаксии

Существуют несколько физических моделей эпитаксического роста. Впервые теория ориентированного роста на подложке (теория псевдоморфизма) была предложена в 1949 г. Франком и Ван-дер-Мерве. Согласно этой теории, система слой-подложка имеет минимальную энергию при близком соответствии параметров решеток первого молекулярного слоя растущей фазы и подложки. Предпочтительно более полное соответствие. По мере роста кристалла деформация роста уменьшается. Образуется переходный слой (псевдоморфная фаза). Последующие слои имеют неискаженную решетку, а роль подложки нивелируется.

В дальнейшем экспериментально было показано, что ориентированный рост возможен и в том случае, когда параметры решетки материала подложки и слоя сильно отличаются и даже если они относятся к разным сингониям.

Объясняется это по одной из гипотез - формированием двойников на границе раздела слой-подложка.

Согласно современным представлениям, главную роль в процессе зарождения и роста новой фазы играет структура реальной поверхности подложки.

Процесс эпитаксии имеет несколько стадий:

• перенос реагентов к поверхности подложки;

• адсорбция реагентов;

• поверхностные реакции и поверхностная диффузия;

• десорбция побочных продуктов реакции;

• перенос побочных продуктов в основной поток.

Как правило, скорость процесса лимитируется либо поверхностными реакциями (кинетический режим), либо диффузионными процессами (диффузные ограничения). В процессах с диффузными ограничениями растут совершенные по структуре и гладкие однородные слои. В условиях кинетического режима слои имеют сильно развитую поверхность с мозаичной структурой.

Начальная стадия роста эпитаксиального слоя состоит в формировании на поверхности системы зародышей критического радиуса. Зародыши от кластеров (скоплений атомов) отличаются тем, что они воспроизводят кристаллическую решетку осаждаемого вещества. Двумерные зародыши формируются уже при пересыщениях ~ 1%. Далее атомы, молекулы, кластеры исходной фазы, осаждаясь на подложке, мигрируют по ней, закрепляясь у зародышей, увеличивая их размеры, образуя островковую структуру. Островки сливаются в сплошной слой. Наибольшая скорость роста эпитаксиальных слоев наблюдаются на плоскостях подложки с большими индексами Миллера (грани быстрого роста). Для кубической решетки это [130] и [140]. По мере роста эти грани уменьшаются по площади и исчезают, уступая место другим граням. При этом эпитаксиальный слой меняет свою ориентацию относительно подложки, причем это может быть несколько раз за время роста пленки.

Автоэпитаксия кремния

В настоящее время большинство микросхем создается на базе автоэпитаксиальных слоев кремния или эпитаксиальных слоев кремния на сапфире.

Наиболее распространены процессы в газовой фазе (хорошая управляемость, воспроизводимость, однородность, большие площади). Концентрация примесей может быть изменена в широких пределах. Недостаток - наблюдаемое перераспределение примесей на границе слой – подложка. Устраняется формированием активной зоны прибора в объеме эпитаксиального слоя.

Промышленными методами получения автоэпитаксиальных слоев кремния являются хлоридный и силановый.

В основе хлоридного метода процесса лежит восстановление тетрахлорида кремния водородом: SiCl₄+2H₂ Si+4HCl – реакция многостадийная.

П роцесс проводят в горизонтальных или (чаще) в вертикальных реакторах в проточной системе при термостатировании. Парогазовая смесь образуется при пропускании Н₂ через испаритель с SiCl₄. Максимальный выход Si имеет место при Т=1479К и мольном соотношении Н₂ к SiCl₄ как 200:1.

Скорость роста зависит от ориентации подложек (минимальная для грани [111]) и несколько больше для [110].

Для легирования бором и фосфором применяют BBr₃ (BCl₃), PCl₄. Их упругость пара близка к упругости SiCl₄, а для высокоомных слоев используют SbCl₃.

Надежными способами получения легированных слоев является газоразрядный или электроискровой. На Pt – электроды помещают GaP, GaAs, GaSb, LaB₆. Далее возбуждают электроискровый разряд. Соединения различаются и в атмосфере Н₂ образуются РН₃, AsH₃(стибин), B₂H₆(диборан). Ga – уносится газовым потоком. Иногда используют специальные стандартные смеси этих газов с концентрацией от 0,01 до 5 % при 100 ат.

Хлоридный метод не позволяет получать высокоомные слои вследствие загрязнения слоя летучими примесями.

Получение эпитаксического слоя Si.

Силановый метод получения эпитаксиальных слоев кремния основан на пиролизе моносилана. Приобретает ведущую роль. Позволяет получать высокоомные однородные слои Si.

В его основе реакция разложения силана: SiH_4(г) Si_(тв)+ 2H_2(г) Т≈1000°С.

Так как в этом методе температура ниже, чем в хлоридном, то уменьшается диффузия примесей.

Реактор для эпитаксиального роста обычно совмещают с установкой синтеза моносилана. Его получают двумя путями: по реакции

SiCl₄ + LiAlH_{4 (гидрид)} SiH₄ + LiCl + AlCl₃

или

MgSi + 2H₂ → SiH₄ + 2MgO.

SiH₄ – безцветный газ, самовоспламеняющийся при контакте с воздухом. При добавлении 5% Н₂ или Ar теряется способность к самовоспламенению. Т_кип=161К, Т_затв=88,3К, Р_крит=48,3 атм. Хранят в баллонах при 60 атм. Оптимальная концентрация SiH₄ в реакторе 0,04 об %. Оптимальная температура процесса 1050÷1100°С. Скорость роста пленки в этих условиях ~ 0,8 мкм/мин, концентрация до 10^-4 об. % (PH₃, AsH₃, B₂H₆).