Тема 10 Эпитаксия

Эпитаксия – процесс наращивания на монокристаллической полупроводниковой пластине атомов упорядоченных также в монокристаллическую структуру. Эта наращиваемая структура является продолжением ориентации атомов подложки. Ориентировано - выращенные слои нового вещества называются эпитаксиальными слоями. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чистых пленок совершенной структуры. При этом сохраняется возможность регулирования концентрации примесей. Эпитаксиальный слой может иметь проводимость и n- типа и p- типа независимо от типа проводимости подложки.

На поверхности монокристаллической пластины в результате кислотного травления непрерывность кристаллической решетки нарушается.

Появляется избыток свободных связей. Этот избыток действует ориентирующим образом на атомы из газовой фазы. Распределение свободных связей в плоскости эпитаксиального роста зависит от кристаллического строения и ориентации плоскости пластины. Кристаллическая решетка Si это решетка типа «алмаза» и представляет собой гранецентрированный куб, внутри которого находятся 4 атома.

Х арактер связи тетраэдрический, т.е. каждый атом связан ковалентно с 4-мя соседними атомами (а ≈ 0,5 мкм) Вероятность того, что атом наращиваемого слоя займет энергетически наивыгодное положение (в узле КР), возрастает с повышением подвижности атомов, т.е. повышением t°, а с другой стороны. эта вероятность достаточно велика, если плотность адсорбируемых атомов не слишком велика, т.е. скорость роста эпитаксиального слоя должна быть не высокой. Совершенство структуры зависит от наличия дефектов кристаллической структуры. Существенный вклад в несовершенство структуры эпитаксиального слоя вносят дефекты структуры подложки: дислокации, дефекты упаковки атомов и др. По ГОСТу плотность дефектов должна быть . В эпитаксиальный слоях это величина не превышает . Таким образом, основными условиями, обеспечивающими совершенство эпитаксиальной структуры, являются следующие:

1. Подложка должна иметь max возможную t°, для обеспечения max подвижности атомов. Обычно .

2. Поверхность подложки должна быть без дефектов. Это обеспечивается тщательной механической обработкой: полированием, шлифовкой с последующим кислотным травлением и промывкой.

3. Химические реакции выделения атомов Si и атомов примеси должны быть гетерогенными, т.е. выделение должно происходить на пластине, а не в газовой фазе. Это необходимо, чтобы исключить образование агломератов атомов, т.е. чтобы каждый атом занимал свое место.

Методы получения эпитаксиальных слоев

В зависимости от исходного состояния рабочих материалов различают:

- газовую, жидкостную и твердофазную эпитаксию.

По типу химической реакции выделения Si используют метод восстановления Si и метод пиролитического разложения силана.

Для восстановления Si используется SiCl₄, SiBr₄. Эти реакции – обратимые. Если молекул SiCl₄ больше чем 0,4 от общего числа молекул в смеси газов, то идет реакция травления кремневой пластины. Поэтому их проводят в атмосфере водорода.

Реакция пиролитического разложения силана:

Особенность силана – воспламеняемость на воздухе. Поэтому силан в реакцию подается обогащенным (95% H₂ и 5% SiH₄). Для получения Si с заданным содержанием примеси используют в качестве источника донорных примесей фосфин РН₃ ,а акцепторных примесей – диборан В₂Н₆,

Схема установки для эпитаксиального наращивания кремния с вертикальным реактором

1– вертикальная реакционная камера с открытым выходом; 2– держатель подложек из графита, покрытого нитридом кремния Si₃N₄; 3-водяное охлаждение стенок камеры.

Держатель подложек подогревается индуктором или резистивным методом и с определенной скоростью вращается, чтобы все пластины были в одинаковых условиях.

Основные стадии реакции, протекающей на границе газовой и твердой фаз:

1. Перенос веществ, участвующих в реакции на поверхность пластин.

2. Адсорбция поверхностью реагирующих веществ.

3. Реакции на поверхности пластины.

4. Десорбция молекул побочных продуктов.

5. Перенос побочных продуктов в основной поток газа.

6. Занятие атомами узлов кристаллической решетки.

Цикл работы установки:

1. Загрузка пластин .

2. Продувка реактора азотом, потом водородом для вытеснения атмосферного воздуха.

3. Нагрев пластин и выдержка в атмосфере Н₂ с целью восстановления окислов.

4. Газовое травление пластин с помощью 1% HCl в атмосфере Н₂ на глубину 1-2 мкм с целью удаление наружного слоя. Продувка Н₂.

5. Подача Н₂, тетрохлорида кремния и, например, бромида бора, т.е. наращивание эпитаксиального слоя. По окончании - снова продувка водородом.

6. Подача CO₂ для осаждения окисной пленки SiO₂. Снова продувка H₂.

7. Плавное охлаждение пластин в потоке H₂.

Использование эпитаксии

- сокращает длительность процесса получения транзисторных структур, так как скорость роста эпитаксиальных пленок достаточно высокая от 0,1 до нескольких мкм /мин.,

-позволяет получать Si с меньшим удельным сопротивлением на подложке ( с нужной проводимостью) из высокоомного Si.