Эпитаксия

План

1. Свойства эпитаксиальной пленки

2. Способы получения эпитаксиального слоя

2.1 Газофазная эпитаксия

2.3 Жидкофазная эпитаксия

2.4 Молекулярно-лучевая эпитаксия

3 Гетероэпитаксия

4 Основные особенности эпитаксиальных структур

Эпитаксия – это процесс наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной пленки), который повторяет структуру подложки и её кристаллографическую ориентацию.

Это означает, что атомы наращиваемого слоя выстраиваются на поверхности монокристаллической подложки в том же порядке, в каком расположены атомы подложки.

Подложка играет роль затравки, на которой кристаллизуются атомы материала слоя. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую структуру подложки. Эпитаксия отличается от выращивания монокристаллов прежде всего тем, что рост кристалла происходит при температуре ниже температуры плавления.

В производстве ИМС используют эпитаксиальные слои толщиной 2...20 мкм.

В зависимости от химического состава материала подложки и слоя различают процессы автоэпитаксии (гомоэпитаксии) и гетероэпитаксии.

Если химические составы подложки и наращиваемой монокристаллической пленки одинаковы, например, слой кремния на кремниевой подложке, то процесс называют автоэпитаксией.

Гетероэпитаксия - это процесс ориентированного наращивания вещества, которое отличается по химическому составу от вещества подложки. Однако материалы эпитаксиального слоя и подложки должны иметь один тип кристаллической решетки и одинаковые кристаллографические параметры, например, слой кремния на сапфировой подложке.

Эпитаксиальная пленка создается, как правило, на всей поверхности подложки.

Эпитаксиальный процесс позволяет получить слои полупроводников разного типа проводимости (электронного и дырочного) с равномерным распределением примеси по толщине. Концентрация примесей в слое может быть выше и ниже, чем в подложке. На границе раздела эпитаксиального слоя с подложкой можно сформировать р-n, n+-n, p+-p переход (рис 1). Для создания многослойной структуры эпитаксию проводят несколько раз.

Эпитаксиалные слои в настоящее время могут быть получены в структурном отношении более совершенными, чем объемные монокристаллы. Они обладают практически идеальной однородностью распределения легирующих примесей. Содержание неконтролируемых примесей в них значительно ниже, чем в монокристаллах, полученных методом Чохральского или бестигельной зонной плавкой.

Рисунок 1– Примеры эпитаксиальных структур

Эпитаксиальные слои можно выращивать из парогазовой фазы (ПГФ-эпитаксия), из жидкой фазы (жидкофазная эпитаксия - ЖФЭ), и получать в вакууме (молекулярно лучевая эпитаксия - МЛЭ).

Наиболее распространенный вариант промышленной технологии получения кремниевых эпитаксиальных слоёв на кремниевых подложках базируется на процессах восстановления кремния из хлорида кремния водородом на поверхности кремниевой пластины:

SiCl_4(газ)+2H_2(газ)  Si_(тверд)+4HCl_(газ) .

В результате реакции чистый кремний осаждается на подложку, а пары HCl удаляются из камеры. В зависимости от условий в рабочей камере реакция может идти не только слева направо, но и справа налево. При определенных условиях скорость роста эпитаксиального слоя может стать равной нулю, и кремний начнет травиться. Это наблюдается при температурах приблизительно ниже 970^оС и выше 1450^оС. Процесс наращивания эпитаксиального слоя осуществляют в температурном диапазоне 1150...1270С. Необходимую температуру поддерживают с точностью ±3С.

Рост монокристаллического эпитаксиального слоя условно можно разделить на несколько этапов:

зарождение центров кристаллизации,

присоединение атомов к центрам кристаллизации,

боковой рост, соединение отдельных плоских образований в единое целое.

Эпитаксиальная пленка повторяет структуру пластины. Такая пленка может повторять или устранять дефекты пластины в зависимости от условий осаждения и ее обработки.

После того как получен первый сплошной слой пленки, следующий слой формируется независимо от структуры пластины.

Получение эпитаксиального слоя. Для изготовления эпитаксиального слоя кремниевые пластины после механического и химического полирования размещают на графитовой подставке и помещают в кварцевую трубу (реактор) с высокочастотным нагревателем.

Перед началом осаждения подложки подвергают газовому травлению непосредственно в реакторе – путем добавления хлористого водорода HCl в поток газоносителя. Происходит травление по обратной реакции. Травление необходимо для удаления оксида с поверхности полупроводника и снижения плотности дефектов в эпитаксиальной пленке.

Скорость роста эпитаксиального слоя зависит от

• температуры,

• содержания SiCl₄,

• скорости газовых потоков

• и кристаллографической ориентации.

Процесс наращивания слоев кремния выполняют способом проточной трубы при атмосферном давлении (рис. 2). В данной схеме используется камера-реактор вертикального типа. Подложкодержатель одновременно выполняет роль нагревателя. Нагрев подложкодержателя осуществляется резистивным, индукционным или ИК-способом. Подложкодержатель при высоких температурах не должен выделять загрязнения и вступать в химическое взаимодействие с пластинами, поэтому его изготавливают из высококачественных сортов стеклографита или графита и покрывают слоем карбида кремния или кремния. В случае индукционного нагрева можно, применять подложкодержатели из высокоомного кремния, покрытого слоем диоксида кремния. Внутренние стенки камеры охлаждают, чтобы с них не попадали загрязнения, и слои кремния осаждались только на пластинах.

Рис. 2. Схема установки эпитаксиального наращивания: 1 - реакционная камера; 2- подложкодержатель; 3 - подложки; 4 - запорные вентили;

Парогазовая смесь поступает в зону реакции через множество отверстий в кварцевых трубках, расположенных вдоль образующих цилиндрического подложкодержателя. Тетрахлорид кремния представляет собой жидкость, кипящую при температуре 57 ^оС и имеющую высокое давление паров, сильно зависящее от температуры. Для обеспечения подачи в реакционную камеру точного количества тетрахлорида кремния его испарение ведут в дозаторе при строго установившемся режиме. Чистота исходного тетрахлорида кремния определяет максимальное удельное сопротивление слоев. Современный уровень очистки позволяет получать тетрахлорид кремния, обеспечивающий удельное сопротивление до сотен Ом^.см.

Участвующий в реакции восстановления водород является одновременно и газом-носителем. Регулировку степени насыщения водорода парами тетрахлорида кремния можно осуществлять изменением скорости потока водорода и температуры жидкого тетрахлорида кремния. Водород должен быть хорошо осушен, так как влага разлагает тетрахлорид кремния с образованием кремниевой и соляной кислот:

Процесс эпитаксиального осаждения включает переходы:

- загрузка пластин в гнезда подложкодержателя;

- продувка реактора азотом для вытеснения воздуха;

- напуск в реактор водорода и отключение азота, продувка водородом;

- нагрев пластин до температуры 1200 ^оС и выдержка около 10 мин до восстановительного отжига;

- газовое травление в обезвоженном хлористом водороде, по окончании продувка водородом и охлаждение подложкодержателя до температуры эпитаксиального наращивания 1150 ^оС;

- осаждение эпитаксиального слоя, для чего в камеру подают пары тетрахлорида кремния, легирующее соединение в концентрациях, обеспечивающих оптимальную скорость роста 0,2...3,0 мкм/мин и требуемый уровень легирования слоя; продувка водородом;

- защита поверхности эпитаксиального слоя пленкой диоксида кремния, что необходимо для транспортировки эпитаксиальных структур или для межоперационного хранения, для этого в камеру подают СО₂, SiHCl, H₂, продувка водородом;

- медленное охлаждение пластин до комнатной температуры в потоке водорода;

- продувка реактора азотом, разгерметизация реактора, выгрузка эпитаксиальных структур.

В современных промышленных установках, например УНЭС-2П-КА, управление процессом осуществляется в основном ЭВМ, оператор выполняет только загрузку и выгрузку пластин. Отходы химических реакций на выходе реактора поступают в скруббер, где сжигаются в пламени водорода. При выполнении процесса необходимо соблюдать правила безопасной работы с токсичными веществами и водородом.

Основной недостаток хлоридного метода - высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой, а также к автолегированию.

Легирование слоёв осуществляется из паров соединений, содержащих элементы примесей (например, , , , , и др.) Необходимо создать такие условия, чтобы атомы кремния и примеси выделялись непосредственно на поверхности плёнки, а не в газовой среде и в формировании плёнки участвовали отдельные атомы, а не их группы. Вследствие высокой температуры процесса примеси диффундируют из пленки в подложку и обратно. Это затрудняет создание резких p-n переходов и тонких (менее 0,5 мкм) эпитаксиальных слоёв.

Применяются слои с концентрациями примесей 10¹⁴…10¹⁷см^-3.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции термического разложения силана:

Установка для выращивания эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установкам, используемым в хлоридном методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные монокристаллические слои получаются при температурах разложения моносилана 1000...1050 ^оС, что на 200...150 ^оС ниже, чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательные диффузию и автолегирование, что позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов. Необратимость реакции разложения моносилана также способствует получению более резкого распределения концентрации легирующей примеси на границе пластина - слой. Отсутствие среди продуктов разложения хлористого водорода или других вредных продуктов, в частности хлора, относится также к достоинству силанового метода. Скорость роста слоев выше, чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Он не позволяет получить слой тоньше 0,1...0,2 мкм.

2.2 Метод жидкофазной эпитаксии

Метод жидкофазной эпитаксии заключается в выращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупроводниковым материалом. Полупроводник эпитаксиально кристаллизуется 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 с ним эвтектику, например, Au-Si или Al-Si. В случае жидкофазной эпитаксии полупроводниковых соединений в качестве растворителя применяют легкоплавкий компонент соединения, например, Ga для GaAs и GaP. Это позволяет снизить температуру кристаллизации и уменьшить перепад температуры на границе 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 вследствие эффекта Пельтье граница раздела охлаждается, что вызывает перенасыщение раствора-расплава и процесс кристаллизации полупроводникового вещества на подложке. Таким способом удается получать качественные слои таких полупроводниковых соединений и твердых растворов, как InSb, GaAs, InP, AlGaAs.

2.3 Твердофазная эпитаксия

В основе твердофазной эпитаксии лежат процессы перекристаллизации аморфного или поликристаллического слоя, нанесенного на монокристаллическую подложку. Данным методом на поверхности подложки могут быть синтезированы тонкие монокристаллические слои химических соединений. Для этого в приповерхностный слой подложки имплантируют ионы одного из компонентов, а затем проводят отжиг. Примером может служить получение слоя нитрида алюминия AlN на поверхности подложки из a-Al2O3 после имплантации в нее азота или слоя нитрида кремния Si3N4 на поверхности Si при имплантации в него тех же ионов азота.

2.4 Молекулярно - лучевая эпитаксия

Молекулярно - лучевая эпитаксия позволяет реализовать очень тонкие (до нескольких нанометров) эпитаксиальные пленки и резкие p-n переходы. Ее проводят в сверхвысоком вакууме 1,3310^-6…1,3310^-8 Па. Вещество, из которого должна формироваться эпитаксиальная пленка, разогревают до температуры образования пара.

Пучок молекул кремния формируется при помощи источника с нагревом электронным лучом. Для наращивания легированных слоев используются ячейки, содержащие примеси и снабженные резистивными нагревателями. Поскольку процесс наращивания происходит в сверхвысоком вакууме, испарительные элементы окружены охлаждающими устройствами с жидким азотом во избежание загрязнения объема реактора молекулами нагреваемых конструкций.

Важной особенностью МЛЭ является низкая скорость роста пленки (6-60 нм/мин), что снижает производительность процесса, но позволяет повысить качество и с высокой точностью контролировать толщину эпитаксиальных слоев.

При помощи электрического или магнитного полей лучи направляются на маленький участок испаряемого вещества, в результате чего оно локально плавится и интенсивно испаряется. При этом само испаряемое вещество образует тигель. Разогретый до температуры плавления испаряющийся материал не контактирует непосредственно с элементами конструкции установки, что значительно снижает загрязнения и является важным преимуществом данного метода нагрева

Парообразование может происходит из твердой фазы (возгонка) и жидкой (испарение). В условиях вакуума частицы пара за счет тепловой энергии переносятся к поверхности подложки. Пар конденсируется (осаждается) на пластину, нагретую до температуры 400...800^оС. При меньших температурах получается поликристаллический кремний. При больших – ухудшаются свойства переходного слоя эпитаксиальная пленка-подложка.

Основной недостаток нагрева электронным пучком состоит в том, что подложка и наращиваемая пленка подвергаются воздействию рентгеновских лучей и ионов больших энергий, а также атомов испаряемого вещества. Этого можно избежать, если вместо электронных пучков использовать для нагрева сфокусированный лазерный луч высокой интенсивности.

Наращивание эпитаксиальных плёнок на монокристаллических полупроводниковых пластинах существенным образом улучшает параметры микросхем, их воспроизводимость, позволяет увеличить процент выхода годных изделий и снизить их себестоимость.