2.6. Эпитаксия

Эпитаксия - процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках, наследующих кристаллическую струкетуру подложку. Существует 2 вида эпитаксии: - гомоэпитаксия (автоэпитаксия) и гетероэпитаксия. Процесс называют гомоэпитаксиальным, если материал слоя и подложки идентичен, например, кремний выращивают на кремнии. Процесс называют гетероэпитаксиальным, если материал слоя и подложки отличается (например, твердый раствор Al_xGa_1-x выращивается на GaAs или Si на сапфире Al₂O₃).

Эпитаксиальное наращивание широко применяется в технологии производства ИС, поскольку в выращиваемом тонком эпитаксиальном слое концентрацию примесей и их распределение можно варьировать в широком диапазоне; возможно также получение слаболегированного эпитаксиального слоя с противоположным типом проводимости по отношению к подложке, что невозможно сделать методами легирования. При этом получаемый эпитаксиальный слой содержит меньше дефектов, связанных с примесью кислорода и углерода по сравнению с подложко, и, кроме того, эпитаксиальный слой может быть локально нанесен на определенном участке поверхности подложки. Причиной появления эпитаксиальной технологии послужила необходимость совершенствования процесса изготовления биполярных транзисторов. Эти приборы обычно формируются в объеме полупроводниковой подложки с большим удельным сопротивлением ρ, определяющим высокое напряжение пробоя база - коллектор U_бк. С другой стороны, высокие значения ρ 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. Однако в последнее время эпитаксиальные технологии широко применяются и в МОП-технологии, способствуя улучшению параметров ИС.

2.6.1. Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок

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 (рис. 2.14) 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. 2.14. Механизм формирование эпитаксиального слоя кремния на подложке. Результирующая скорость роста пленки определяется самым медленным процессом в приведенной выше последовательности. 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). Выделяют прямые и непрямые механизмы эпитаксиального роста. Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки (газофазная эпитаксия). Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии.

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в кварцевом реакторе. Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl₄, трихлорсилан - SiHCl₃, дихлорсилан - SiH₂Cl₂ и силан - SiH₄) и водород. Используют химические реакций типа восстановления SiCl₄ или пиролиза (термического разложения).

Пьедестал (подложкодержатель) служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 2.15).

Рис. 2.15. 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. Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса меньше R_eкрит = 2000. Число Рейнольдса - безразмерный параметр, описывающий характер течения газа в реакторе:

,

Где p - плотность газа, µ - вязкость, D_r - диаметр реакторной трубы, v - скорость течения газа.     

Если D_r составляет несколько сантиметров, v - несколько десятков сантиметров в секунду, то Re<2000, что обуславливает ламинарное течение газа в реакторе. В этом случае около стенок реактора формируется пограничный слой с уменьшенной скоростью течения газа. Толщина слоя

,

где x - расстояние вдоль оси реактора.

По мере продвижения слоя вдоль реактора его толщина увеличивается вплоть до полного смыкания. Причина полного смыкания пограничного слоя не всегда небольшая длина реактора. Через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют от поверхности подложки и удаляются основным потоком газа. 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). Изменяя число Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки одновременно. 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 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°С до 1250°С. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.

Рассмотрим химические процессы, протекающие в реакторе на примере восстановления тетрахлорида кремния. Суммарная реакция может быть классифицирована как водородное восстановление Si из SiCl₄:

SiCl_{4 газ} + 2H_{2 газ} Si_тв + 4HCl _газ.

Рассмотрим ряд промежуточных реакций. Сначала определим константы равновесия каждой возможной реакции в системе Si-Cl-H, а также парциального давления каждого газа в интересующем нас диапазоне. При расчете констант равновесия получено 14  различных соединений, существующих в равновесии с твердым кремнием. На практике многими из них можно пренебречь, так как их парциальное давление < 0,1Па. Эпитаксиальный процесс не всегда описывается равновесной реакцией. Поэтому, расчет равновесной термодинамики указывает лишь на наиболее вероятные реакции. Для определения соединений, реально присутствующих в реакторе, проводили измерения с использованием ИК-спектроскопии, масс-спектроскопии и рамановской спектроскопии. Реакции, протекающие в реакторе:

SiCl₄ + H₂  SiHCl₃ + HCl SiCl₃ + H₂  SiH₂Cl₂ + HCl SiH₂Cl₂ SiCl₂ + H₂ SiHCl₃ SiCl₂ + HCl SiCl₂ + H₂ Si + 2HCl

Все указанные реакции обратимые, и, следовательно, при соответствующих условиях скорость роста может стать отрицательной, т.е. начнется процесс травления. Наиболее важный вопрос - вопрос о зависимости скорости роста от температуры. При высоких и низких температурах скорость роста имеет отрицательные значения (рис. 2.16)

Рис. 2.16. Зависимость скорости роста от температуры при осаждении кремния химическим осаждением из парогазовой фазы.

Характерные параметры эпитаксиального раста кремния для различных химических реакций представлены в таблице 2.10.

Таблица 2.10.