3 Гетероэпитаксия.
Гетероэпитаксия существенно расширяет функциональные возможности микроэлектронных устройств. При выборе пары материалов подложка - слой необходимо учитывать параметры их кристаллических решеток, ТКЛР, температуры плавления, коэффициенты взаимной диффузии, упругость пара при температуре процесса и др. При большом несоответствии указанных параметров на границе слой - подложка возникают механические напряжения и дислокации. Переходная область по своим свойствам отличается от свойств объемов по обе стороны границы подложка - слой, что влияет и на процесс роста слоя и на параметры микросхем.
В производстве микросхем гетероэпитаксия развивается в двух основных направлениях: выращивание полупроводниковых гетеропереходов и наращивание полупроводниковых слоев на диэлектрических подложках.
Наращивание гетеропереходов применяют для создания выпрямителей, работающих на основных носителях (CdSe - Se), туннельных диодов (GaAs - InP, CdS - ZnTe, GaAs - Ga1-x In x As), транзисторов с широкозонным эмиттером (GaAs - Ge), инжекционных лазеров (GaAs - Ga 1-x Al x As), источников спонтанного излучения (GaAs - GaP, CdSe - ZnTe, GaAs - InAs) и соответствующих микросхем. Для получения гетеропереходов применяют эпитаксию из газовой и жидкой фазы.
Гетероэпитаксия на диэлектрических подложках при изготовлении микросхем решает проблему изоляции элементов, обеспечивает улучшение параметров, повышает степень интеграции и процент выхода годных изделий. В настоящее время наиболее освоена производством эпитаксия кремния на сапфировых подложках (КНС), а также ведутся исследования процессов наращивания кремниевых слоев на других изоляторах (КНИ), в том числе аморфных, что по существу не является эпитаксией, так как исключено ориентирующее влияние подложек.
КНС - структуры получают аналогично авто-эпитаксиальным слоям кремния.
Из методов газовой эпитаксии наиболее часто применяют силановый, так как он позволяет выращивать кремний при более низкой температуре подложек, кроме того, отпадает опасность травления сапфира, поскольку среди продуктов реакции отсутствует хлористый водород.
В отличие от кубической симметрии кремния сапфир имеет ромбоэдрическую симметрию. Кремний с ориентацией (111) выращивают на (0001) и (1010) поверхностях сапфира. Кремний с ориентацией (100) выращивают на сапфире с ориентацией (1102). Температурные коэффициенты линейного расширения кремния и сапфира различаются почти в два раза. Эти несоответствия кремния и сапфира усложняют получение качественных слоев. Кроме этого в процессе роста происходит автолегирование алюминием, повышающее дефектность слоев. Автолегирование ограничивает уровень возможного легирования слоев донорными или акцепторными примесями. Слои кремния характеризуются сравнительно высокой плотностью дефектов, которая возрастает по направлению к подложке.
Молекулярно-лучевая эпитаксия благодаря более низким температурам уменьшает автолегирование и также снижает дефекты несоответствия. Дополнительная обработка слоев кремния лазерным лучом улучшает их качество.
Основным недостатком структур КНС пока остается высокая плотность дефектов и, как следствие, малое время жизни неосновных носителей. Поэтому они применяются для ИС с МОП активными элементами, работающими на основных носителях.
КНИ-структуры изготавливают путем нанесения слоя аморфного или поликристаллического кремния на изолирующие подложки и его последующей перекристаллизации. Технология изготовления КНИ появилась сравнительно недавно. Первые структуры изготавливали на термически оксидированных пластинах кремния. Затем начали применять более дешевые подложки из ситаллов, кварца. Перекристаллизацию кремния для формирования монокристаллического слоя выполняют подвижной полоской - нагревателем, сканированием лазерного или электронного луча и др.