Кристаллизация из газовой фазы

Атомы полупроводника переносятся в составе химического соединения. При этом происходит перенос реагентов к поверхности кристаллической подложки; адсорбция и реакция реагентов на поверхности; десорбция продуктов реакции; перенос продуктов реакции из кристалла к основному потоку и упорядочение кристаллизации адсорбированных слоев материала в решетке.

Наиболее распространенными процессами получения эпитаксиальных слоев кремния являются силановыйихлоридныйметоды.

Процесс эпитаксиального роста для этих методов можно рассматривать как гетерогенную реакцию, состоящую из следующих стадий: переноса реагирующих веществ через газовую фазу к поверхности исходной подложки и их адсорбции; реакции или серии реакций на поверхности; присоединении атомов кремния, образующихся в результате реакций, к ступенькам роста на поверхности; десорбции, переноса газообразных продуктов реакции к основному потоку газа и удаления.

Хлоридный методэпитаксии заключается в восстановлении водородом кремния изSiCl₄(тетрахлорид кремния) при температурах 1200 – 1250^оС. Особенности хлоридного метода обусловлены конкурирующими процессами осаждения и газового травления кремния. Между основными исходными веществамиSi,H₂иSiCl₄в принципе возможны следующие химические реакции:

SiCl₄+ 2H₂Si + 4HCl; (9.1)

SiCl₄+ H₂SiHCl₃+ HCl; (9.2)

SiCl₄+ H₂SiCl₂+ 2HCl; (9.3)

Si + 2H₂SiH₄.(9.4)

Кроме того, между исходными веществами и образующимися продуктами возможно прохождение реакций

SiHCl₃ + H₂ Si + 3HCl; (9.5)

2SiHCl₃ + Si H₂ + 3SiCl₂; (9.6)

SiCl₂ + H₂ Si + 2HCl. (9.7)

Термодинамический расчет в области температур 1200–1250^оС показывает , что результатом реакций (9.1), (9.5) и (9.7) является рост пленки кремния, а реакций (9.4) и (9.6) - стравливание.

Как показывают эксперимент и расчеты, конкурирующая реакция начинает заметно преобладать при достаточно большом количестве тетрахлорида кремния. В этом случае скорость осаждения, пройдя через максимум, начинает уменьшаться и изменяет знак, т.е. кристаллизация кремния сменяется его травлением.

Недостатки хлоридного процесса – сравнительно высокий диапазон рабочих температур и, как следствие, невозможность получения резких p-n-переходов из-за «диффузионного размытия» границыпленка – пластина во время процесса эпитаксиального осаждения.

Силановый методоснован на пиролизе моносилана (SiH₄), он позволяет получать высокоомные однородные слои кремния.

Пиролиз моносилана происходит по гетерогенной реакции:

SiH₄ Si + 2H₂, (9.8)

протекает при сравнительно низких температурах ~ 1000 ^оС, что обеспечивает получение слоев высокой чистоты за счет уменьшения диффузии примесей из подложки в растущий слой. Так, снижение температуры процесса от 1100 до 1000^оС уменьшает коэффициенты диффузии бора и фосфора в кремний в 10 раз.

Наряду с реакцией (9.8) могут протекать гомогенно-побочные реакции типа

SiH₄SiH₂+ H₂; (9.9)

SiH₂Si + H₂.(9.10)

Для их подавления процесс пиролиза проводят при пониженном давлении моносилана. С этой же целью в качестве газа-разбавителя вместо водорода применяют инертные газы (аргон, азот и гелий). Одновременно понижается и температура процесса.

При повышении температуры скорость роста эпитаксиального слоя возрастает, иногда проходя через максимум, что объясняется протеканием в объеме гомогенных реакций типа (9.9), (9.10). Они могут также ограничивать скорость роста эпитаксиального слоя при увеличении концентрации моносилана.

Силан – бесцветный газ, самовоспламеняющийся при контакте с воздухом. Однако при разбавлении водородом или аргоном до объемной концентрации менее 5 % он теряет способность к самовоспламенению и допускает хранение в стандартных баллонах под давлением до 60 атм.

В установках с использованием силана в качестве меры, предохраняющей от возможного взрыва или воспламенения, предусматривают вакуумирование рабочего объема и газовых магистралей для удаления остатков воздуха и паров воды.