14.2 Стадии и режимы протекания процессов химического осаждения из газовой фазы

4.1.1 Общие сведения о процессах ХимГфо в технологии материалов и структур твёрдотельной электроники

Химическое газофазное осаждение (ХимГФО) – это такой процесс, когда в нагретой зоне ректора на подложке формируется слой твёрдого вещества - продукта химического взаимодействия на поверхности осаждения исходных газообразных веществ, а газообразные продукты реакции либо удаляются с потоком газа-носителя, либо откачиваются вакуумным насосом. Процесс, обратный ХимГФО, называют химическим газовым травлением. Процессы ХимГФО отличаются большим разнообразием условий осаждения:

• температурой в рабочей зоне реактора;

• давлением в реакторе;

• составом исходной парогазовой смеси и протекающими в реакторе физико-химическими процессами;

• методами стимуляции химических превращений и т.п.;

Общей чертой всех процессов химического осаждения из парогазовых смесей (ПГС) является гетерогенный характер основных химических превращений, т.е. их протекание на поверхности раздела фаз ПГС –подложка. Гомогенные химические реакции, т.е реакции, протекающие по всему объему реакционного пространства, как правило, сопутствуют основному превращению, иногда конкурируя с ним, а иногда приводя даже к браку. Так например, пиролиз моносилана в газовой фазе приводит к браку –появлению кремниевой пыли и даже крошки на осаждаемых эпитаксиальных слоях кремния, получаемых по гидридной технологии. Ввиду разнообразия условий осаждения, классификацию процессов ХимГФО в технологии материалов и структур твёрдотельной электроники можно проводить, используя различные классификационные признаки. Так по типу ведущего химического превращения различают:

1) Водородное восстановление. Например, процессы получения высокочистых материалов, основанные на взаимодействии галогенидов с водородом

SiCl₄ +2H₂ → Si↓ +4HCl;

2AsCl₃ + 3H₂→ 2As↓ +6HCl.

2) Пиролитическое разложение. Например, гидридный процесс получения эпитаксиальных слоёв кремния, связанный с протеканием химической реакции

(nH₂) + SiH₄ → Si↓ + 2H₂ + (nH₂),

где n >>1. Или получение высококачественных слоёв диоксида кремния путём термического разложения ТЭОС.

3) Окисление. Например, процесс осаждения слоёв диоксида кремния путём низкотемпературного окисления моносилана

SiH₄ + O₂ → SiO₂↓ +2H₂;

4) Азотирование или аммонолиз, если в качестве азотосодержащего вещества используется аммиак. Например, процесс осаждения слоёв нитрида кремния, связанный с протеканием химической реакции

3SiH₂Cl₂ + 10NH₃→ Si₃N₄↓ + 6NH₄Cl + 6H₂.

5) Химический транспорт. Этот процесс используется, например, для получения эпитаксиальных слоёв полупроводниковых соединений А³В⁵ .

На рис. 4.1.1 показана схема получения эпитаксиальных слоёв арсенида галлия по хлоридно-гидридной технологии, использующей химические транспортные реакции. В высокотемпературной зоне протекает реакция образования летучего соединения транспортируемого элемента по реакции

xGa^(ж) + HCl^(г) → xGaCl^(г) + (1-х)HCl^(г) + ½ xH₂ ^(г) ,

где х~0,82. В низкотемпературной зоне осаждения происходит разложение подводимого гидрида элемента пятой группы

nAsH₃→ As_n + 3/2nH₂^(г) .

Эта реакция протекает в интервале от 600°С до 900°С. Диссоциация гидрида идёт на 80-90%. Далее происходит образование целевого продукта по реакции

GaCl^(г) + ½ As_n + ½ H₂^(г)→GaAs↓ + HCl^(г) ,

где n= 2 или 4.

Рис. 4.1.1 Схема хлоридно-гидридного процесса получения эпитаксиальных слоёв полупроводникового соединения А³В⁵

На рисунке 4.1.2 показана структурная схема оборудования для химического газофазного осаждения эпитаксиальных слоёв кремния, либо по методу водородного восстановления из хлорсиланов, либо по методу пиролитического разложения моносилана.