32. Виды эпитаксии. Основные процессы эпитаксиального наращивания в кремнии.

Термин "эпитаксия" происходит от греческих слов "эпи" и "такси", имеющих значения "над" и "упорядочение". Технологический процесс эпитаксии заключается в выращивании на монокристаллической подложке слоев атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру, полностью повторяющую ориентацию подложки.

Существует три вида эпитаксии: газовая, жидкостная и молекулярно-лучевая.

Причина появления технологии изготовления эпитаксиальных пленок и их преимущества

Причиной появления эпитаксиальной технологии послужила необходимость совершенствования процесса изготовления биполярных транзисторов. Эти приборы обычно формируются в объеме полупроводниковой подложки с большим удельным сопротивлением  определяющим высокое напряжение пробоя база - коллектор Uбк.

С другой стороны, высокие значения приводят к увеличению рассеиваемой в полупроводниковой подложке мощности и уменьшению коэффициента усиления транзистора на высоких частотах. С целью разрешения этого противоречия была разработана технология получения высокоомных полупроводниковых слоев на низкоомной подложке.

В настоящее время при изготовлении интегральных схем используются низкоомные эпитаксиальные слои с противоположным относительно подложки типом проводимости (см. рис. 1). Образующийся при этом p-n переход служит для электрической изоляции соседних транзисторов, а сильнолегированный n⁺ диффузионный слой используется в качестве коллекторного контакта.

Ступенька, показанная на рисунке, применяется в дальнейшем при операциях самосовмещения в процессах литографии.

Слои, синтезированные по эпитаксиальной технологии, обладают следующими преимуществами:

• широкая область изменения уровня и профиля легирования;

• изменение типа проводимости выращиваемых эпитаксиальных пленок;

• физические свойства эпитаксиального слоя отличаются от свойств материала подложки в лучшую сторону, например, в них меньше концентрация кислорода и углерода, меньше число дефектов;

• процесс может происходить при температурах меньших, чем температура наращивания слитка монокристалла;

• можно нанести эпитаксиальный слой на подложку большой площади;

• эпитаксиальный слой может быть нанесен локально.

Эпитаксия из газовой фазы

Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

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.

Идея метода. Схема реактора для получения эпитаксиальных пленок.

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 1).

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl4, трихлорсилан - SiHCl3, дихлорсилан - SiH2Cl2 и силан - SiH4) и водород. При таких условиях возможно протекание химических реакций типа SiCl4 + 2H2 = Siтв + 4HCl.

Рис. 1. Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси.

1- держатель
2- кремниевая пластина
3- пленка

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса Re = D*v*/= 100 меньше критического значения Reкрит = 2000, где D - диаметр трубы реактора, v - скорость течения газа, - плотность газа, коэффициент вязкости газа.

Рис. 2. Образование приграничного слоя в горизонтальном реакторе.
При конструировании реактора необходимо учитывать, что по мере продвижения вглубь трубы скорость движения газа в пристеночной области шириной y падает, а температура соответственно растет (см. рис. 2). Это и определяет скорость реакции на поверхности, поскольку именно через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют в обратном направлении, удаляясь затем основным потоком газа. Поток реагентов J от поверхности подложки или обратно задается уравнением:

J = D*dn/dy или J = (nгаз-nпов)/y , где

• n_газ и n_пов- концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности соответственно,

• D - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией давления и температуры,

• J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее через единицу площади за единицу времени,

• dn/dy - градиент концентрации реагентов.

Рис. 3. Зависимость скорости роста пленки от расстояния вдоль подложкодержателя.
При конструировании реактора в первую очередь должно быть учтено влияние величины у на процессы массопереноса. Поскольку величина y, определяющая поток реагентов к поверхности, обратно пропорциональна скорости потока газа, то для достижения однородности скорости роста эпитаксиальной пленки по длине реактора при заданной температуре необходимо подбирать оптимальное значение толщины пограничного слоя, согласованное с изменением температуры и концентрации реагентов. Этого можно достичь, например, путем изменения потока газа в реакторе (т.е. числа Re). Таким образом, изменяя число Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки одновременно и добиться условий равномерности (см. рис. 3).

Например, для трубы диаметром D = 20 см обычная скорость течения газа составляет v = 50 см/с, а значение y = (D*x/Re)^1/2 меньше, чем половина диаметра трубы (x - расстояние вдоль оси реактора).

Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это происходит при температурах процесса от 900 ºС до 1250 ºС. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.

Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок

Выделяют прямые и непрямые механизмы. Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки. Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии (см. рис. 4).
Рис. 4. Схема реактора для МЛЭ кремния (прямое наращивание кремния на подложке).
1 - экран
2 - основа с водяным охлаждением
3 - нить накала источника
4 - электронный пучок
5 - электростатический экран (-V)
6 - твердый кремний
7 - расплавленный кремний
8 - пары кремния
9 - держатель подложки
10 - кремниевая подложка
11 - нить подогрева подложки
12 - электронный пучок

При соответствующих условиях осаждения атомы кремния, двигаясь по нагретой поверхности, занимают положения, соответствующие кристаллической структуре подложки. Иными словами эпитаксиальное наращивание состоит в образовании центров кристаллизации и последовательном формировании двумерной решетки из островков, растущих вдоль поверхности. Процесс эпитаксиального наращивания на поверхности пластины (см. рис. 5) происходит в следующей последовательности:

• массопередача вступающих в реакцию молекул посредством диффузии из турбулентного потока через граничный слой к поверхности кремния;

• адсорбция молекул поверхностью;

• процесс реакции на поверхности;

• десорбция продуктов реакции;

• массопередача молекул продуктов реакции посредством диффузии через граничный слой к основному потоку газа;

• упорядочение адсорбированных атомов кремния в решетке.

Рис. 5. Формирование слоя кремния на подложке.
Результирующая скорость роста пленки определяется самым медленным процессом в приведенной выше последовательности. В равновесных условиях все процессы протекают с одинаковыми скоростями и эпитаксиальный слой растет равномерно.

Энергия активации процесса равна приблизительно 5 эВ и соответствует энергии активации самодиффузии кремния. Попытка увеличения скорости роста пленки выше оптимального значения, зависящего от температуры, приводит к росту поликристаллической пленки (уменьшается время поверхностной миграции и происходит встраивание кремния в произвольные, а не только кристаллографически благоприятные места).

Легирование при эпитаксии

Для легирования используются гидриды примесных элементов (арсин AsH3, диборан B₂H₆, фосфин PH₃). Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении:

* адсорбция мышьяка на поверхности;
* диссоциация молекулы;
* встраивание мышьяка в растущий слой.

2AsH3---2Asгаз+3H2газ---2Asтв---2(As+)тв+2(e-)

Скорость роста пленки влияет на количество встраиваемой в электронный слой примеси, т. к. с увеличением скорости не достигается равновесие между твердой и газообразной фазами реагирующих веществ. Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования.

Процесс внедрения в эпитаксиальный слой примесных атомов из пластины называется автолегированием. Различают макроавтолегирование, когда нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от одной пластины к другой, и микроавтолегирование, когда посторонние примесные атомы внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той же самой пластины.

Технологическое оборудование

При организации технологического процесса особое внимание уделяется технике безопасности. Возможны взрыв или возгорание водорода, наблюдается сильная коррозия, обусловленная наличием в технологическом цикле HCl, имеет место высокая токсичность легирующих газов (концентрация аксина AsH3 величиной 0,025% приводит к смертельному исходу).
Общий вид и схема технологической установки приведены на рис. 6, 7.

В качестве реактора используется кварцевая труба с холодными стенками (принудительное охлаждение). Пластины располагаются на подложкодержателе, являющимся одновременно нагревателем индукционного типа. Он изготавливается из графита, хорошо нагреваемом в ВЧ поле, и покрывается слоем SiC для уменьшения взаимодействия с парами HCl. Скруббер, имеющий большую площадь соприкосновения с водой, используется для удаления непрореагировавших продуктов реакции. Температура в реакторе измеряется оптическим пирометром, а расход газа - ротаметром.

Дефекты эпитаксиальных пленок

Выделяют следующие типы дефектов (см. рис. 8):

• линейная дислокация, проросшая в эпитаксиальный слой (1);

• дефекты, зарождающиеся на примесных преципитатах, расположенных на поверхности подложки (2);

• примесные преципитаты, возникшие во время роста эпитаксиального слоя (3);

• бугорки на поверхности, возникающие из-за неудовлетворительных условий процесса или плохого исходного состояния поверхности (4);

• дефекты упаковки, проросшие в эпитаксиальный слой (5).

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой.

Преимущества метода

• Низкая температура процесса. Снижение температуры процесса уменьшает диффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получать качественные тонкие слои.

• Высокая точность управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Описание процесса МЛЭ

МЛЭ заключается в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретую монокристаллическую подложку. Этот процесс иллюстрируется с помощью рис. 1, на котором приведены основные элементы для получения соединения (GaAs).

Каждый нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом наращивания осуществляется с помощью заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку.

Аналогичным образом осуществляется МЛЭ кремния (см. рис. 2).

Сущность процесса состоит в испарении кремния и одной или нескольких легирующих примесей. Низкой давление паров кремния и легирующих примесей гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке.
Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10^-6 - 10^-8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 ºС. Технически возможно применение и более высоких температур, но это приводит к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки.

Предэпитаксиальная обработка подложки

Предэпитаксиальная обработка подложки при использовании метода МЛЭ осуществляется двумя способами.

1. Высокотемпературный отжиг при температуре 1000 - 1250 ºС длительностью до 10 минут. При этом за счет испарения или диффузии внутрь подложки удаляется естественный окисел и адсорбированные примеси.

2. Очистка поверхности с помощью пучка низкоэнергетичных ионов инертного газа. Этот способ дает лучшие результаты. Для устранения радиационных дефектов проводится кратковременный отжиг при температуре 800 - 900 ºС.

Особенности легирования при МЛЭ

Одной из отличительных особенностей МЛЭ является низкая скорость роста пленки: приблизительно 1 монослой/с или 1 мкм/час, что позволяет легко модулировать молекулярные пучки, попадающие на подложку, если время управления движением заслонки менее 1 секунды.

Легирование при МЛЭ имеет несколько особенностей. По сравнению с эпитаксией из газовой фазы расширен выбор легирующих соединений, возможно управление профилем легирования. Легирующая примесь может быть как p-, так и n-типа. Возможны два способа легирования.

1. После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси (As, H, B) испаряются или слишком быстро или слишком медленно для эффективного управления. В результате чаще прибегают к употреблению Sb, Ga или Al.

2. В другом способе легирования используется ионная имплантация. В этом случае применяются слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией. Низкая энергия этого процесса позволяет внедрять примесь на небольшую глубину под поверхность растущего слоя, где она встраивается в кристаллическую решетку. Этот способ позволяет использовать такие примеси как B, P и As.

Система, используемая для МЛЭ

Система, используемая для МЛЭ кремния, изображена на рис. 2. Основой установки является вакуумная система. Так как в процессе МЛЭ требуется поддерживать высокий вакуум, установки снабжаются вакуумными шлюзами для смены образцов, что обеспечивает высокую пропускную способность при смене пластин и исключает возможность проникновения атмосферного воздуха. Для десорбции атмосферных газов со стенок системы требуется длительный отжиг в вакууме. Для обеспечения высокого качества и чистоты растущего слоя необходимо низкой давление. Этого добиваются, используя безмасляные средства откачки (например, титановый геттерный насос).

Метод МЛЭ позволяет проводить всесторонний анализ некоторых параметров непосредственно во время процесса выращивания пленки. Большинство промышленных установок МЛЭ содержит оборудование для анализа дифракции отраженных электронов, масс-спектрометр, оже-спектрометр с возможностью исследования оже-спектров распыленных ионов.

Испарение кремния осуществляется не путем нагрева тигля, как для легирующих элементов, а за счет нагрева электронным лучом, т. к. температура плавления кремня относительно высока. Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры. Для контроля температуры применяются термопары, ИК-датчики и оптический пирометр. Управление потоками атомов легирующей примеси осуществляется с помощью заслонок. Это позволяет достичь хорошей воспроизводимости процесса и высокой однородности скорости роста и уровня легирования.

Перспективы развития. Приборы, получаемые с использованием МЛЭ.

МЛЭ используется для изготовления пленок и слоистых структур при создании приборов на (GaAs) и (AlxGa1-xAs). К таким приборам относятся лавиннопролетные диоды, переключающие СВЧ-диоды, полевые транзисторы с барьером Шоттки, интегральные оптические структуры.

Метод молекулярно-лучевой эпитаксии перспективен для твердотельной электроники создания СВЧ-приборов и оптических твердотельных приборов и схем, в которых существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров. При этом особое значение придается возможности выращивания слоев с различным химическим составом.