Ратушный Методы получения епитаксиалных гетерокомпозиций 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт

В.И. Ратушный, Н.В. Ермолаева, А.Ю. Смолин

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2012

1.1.Общая характеристика основных методов получения эпитаксиальных гетероструктур. Преимущества

3

8.НОВЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА УЛЬТРАТОНКИХ СЛОЕВ. ХИМИЧЕСКАЯ СБОРКА ПОВЕРХНОСТНЫХ

4

дых растворов соединений A3B5, A2B6, A2B4. Также проанализированы параметры и характеристики получаемых различными методами эпитаксиальных пленок.

В пособии рассмотрены физико-химические закономерности протекания процессов гетероэпитаксии, подробно описаны механизмы эпитаксиального роста тонких пленок. Кратко изложены общие принципы и методы легирования эпитаксиальных слоев полупроводниковых материалов.

Большое внимание уделено используемому технологическому оборудованию и физическим процессам, лежащим в основе каждого метода. Указаны области применения рассматриваемых методов эпитаксии и дальнейшие перспективы их развития и применения.

Подробно рассмотрен вопрос подготовки поверхности подложек для эпитаксии. Указаны основные источники загрязнений поверхности подложек и виды загрязнения, основные способы жидкостной и сухой очистки поверхности подложек и материалов.

Все технологические приемы нами подробно не описаны, поскольку технологии быстро совершенствуются. Сведения о получении того или иного конкретного полупроводника можно получить из научных статей, монографий и учебных пособий, ссылки на которые приведены в данном пособии, а также используя ресурсы Интернет.

Данное пособие позволит сформировать у студентов такие производ- ственно-технологические и научно-исследовательские компетенции как КМ.П.ПТ.1.1 (готовность к применению современных технологических процессов и технологического оборудования на этапах разработки и производства электронных приборов и устройств) и КМ.П.НИ.1.1 (способность идентифицировать новые области исследований, новые проблемы в сфере физики, проектирования, технологии изготовления и применения электронных приборов и устройств). В целом же пособие позволяет получить общее представление о наиболее широко используемых в промышленности методах производства эпитаксиальных пленок с заданными свойствами. Эти знания будут полезны студентам для понимания специальной литературы по технологии полупроводниковых материалов.

Материалы данного пособия могут быть использованы в рамках дисциплин «Технологии материалов электронной техники», «Процессы микро- и нанотехнологий», «Методы получения эпитаксиальных гетерокомпозиций» для направления подготовки 210100 – «Электроника и наноэлектроника» профиль подготовки «Микроэлектроника и твердотельная электроника», а также аспирантами, научными сотрудниками и инженерамитехнологами, специализирующимися в области технологии материалов электронной техники.

6

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

ИОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

1.1.Общая характеристика основных методов получения эпитаксиальных гетероструктур. Преимущества эпитаксиальной технологии

Термин «эпитаксия» происходит от греческих слов «эпи» – «над» и «таксис» – «упорядочение». Данный термин применяют к процессам наращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках, при которых кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. При этом материал подложки в этом процессе выполняет функцию затравочного кристалла.

Эпитаксия позволяет получать тонкие (1 нм – 10 мкм) однородные монокристаллические (эпитаксиальные) слои любого типа проводимости и любого удельного электрического сопротивления, которые невозможно создать другим способом.

В соответствии с критериями физико-химического взаимодействия эпитаксия разделяется на виды:

1)гомоэпитаксия (автоэпитаксия) – процесс ориентированного нарастания кристаллического вещества на кристаллической подложке из того же вещества, различающиеся лишь содержанием примесей (например, n-кремний на подложке р-кремния). По существу, это обычный рост монокристаллов;

2)гетеpоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества на инородной кристаллической подложке (например, кремний на сапфире); при этом происходит кристаллохимическое взаимодействие срастающихся фаз с образованием переходного эпитаксиального слоя (ПЭС), способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов. Состав и структура ПЭС определяются характером физико-химического взаимодействия элементов, образующих систему;

3)хемоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания, при котором происходит образование новой фазы в результате химического взаимодействия (реакционной диффузии) подложки с веще-

7

ством, поступающим из внешней среды. Полученное соединение отличается по химическому составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего из внешней среды на ее поверхность. Образующаяся фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку подложки;

4) эндотаксия – процесс ориентированного выделения новой фазы в кристаллической решетке имеющейся фазы. Процесс происходит в результате пересыщения исходной фазы диффундирующими от поверхности вглубь слоя атомами соответствующего вещества. Также новая фаза может появиться вследствие распада пересыщенного твердого раствора на основе кристаллической решетки подложки.

В настоящее время существует достаточно развитая технология, основанная на эпитаксиальном росте полупроводниковых соединений на монокристаллических подложках и позволяющая получать многочисленные полупроводниковые гетерокомпозиции – так называемые гетероструктуры. Эпитаксиальный рост на ориентированной атомно-гладкой поверхности монокристалла предполагает послойное наращивание полупроводникового соединения, как совпадающего с материалом подложки, так и, что наиболее важно, существенно отличающегося своими свойствами.

Существует чрезвычайно много вариантов (гетеропар), с помощью которых можно создать гетероструктуру. Однако чтобы такая гетероструктура нашла применение в микроэлектронике, она должна удовлетворять нескольким весьма жестким требованиям, из которых, пожалуй, главным является требование высокой степени совершенства гетерограницы (поверхности раздела между двумя однородными составляющими гетероструктуры). Это – так называемые планарные поверхности [1].

Слои, синтезированные по эпитаксиальной технологии, обла-

дают следующими преимуществами [1, 3, 5]:

-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;

8

-процесс может происходить при температурах меньших, чем температура наращивания слитка монокристалла, при этом упрощается контроль процесса кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств;

-можно нанести эпитаксиальный слой на подложку большой площади;

-эпитаксиальный слой может быть нанесен локально.

Вэпитаксиальных гетероструктурах существует возможность сосредоточить носители заряда в слое узкозонного материала, возможность организовать волноводный эффект, возможность получать сверхвысокие плотности носителей заряда в тонком слое без того, чтобы сильно легировать всю структуру, и многое другое [1].

Преимущество полупроводниковых твердых растворов состоит в возможности изменения их зонных параметров (а точнее – всех физических свойств) за счет изменения состава [5].

Отметим, что свойства эпитаксиальных слоев (ЭС) во многом определяются условиями сопряжения кристаллических решёток наращиваемого слоя и подложки. Важным фактором при этом является структурно-геометрическое соответствие сопрягаемых материалов. Легче всего сопрягаются вещества, кристаллические структуры которых одинаковы или близки (например, вещества с кристаллической структурой сфалерита и алмаза). Эпитаксия легко осуществляется, если разность постоянных решёток не превышает 10 %; в этом случае тонкий наросший ЭС продолжает атомные плоскости подложки (возникает псевдоморфный слой) [6].

При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотно упакованные плоскости. При различных решётках сопрягаемых веществ в ЭС возникают дислокации несоответствия. Плотностью дислокаций несоответствия можно управлять, меняя параметры решётки растущего кристалла и получая в результате бездислокационные эпитаксиальные слои с высокой подвижностью и малой плотностью носителей заряда.

Помимо структурно-геометрического соответствия, сопряжение пар веществ зависит от температуры процесса, степени пересыщения осаждаемого вещества, совершенства подложки и чистоты её поверхности.

9

Подчеркнем, что температурой эпитаксии называется предельно низкая температура, при которой ещё возможно ориентированное нарастание вещества.

Следует отметить, что среди фундаментальных проблем гетероэпитаксии полупроводников, можно выделить такие вопросы, как критическая толщина гетероэпитаксиальной пленки, морфологическая устойчивость деформированных слоев, влияние деформаций и ориентации подложки на фазовые равновесия в многокомпонентных системах и т.д.

Приборные приложения гетерокомпозиций налагают определенный набор требований к их производству [3]:

-однородность толщины и состава слоев: их разброс по пластине не должен превышать ±1 %;

-температурная однородность по пластине: T = ±1 °C в широком диапазоне температур;

-воспроизводимость свойств от пластины к пластине, от процесса к процессу;

-низкая себестоимость;

-большой выход с одной пластины;

-высокое относительное время работы системы.

Характерные линейные размеры функциональных элементов современной микроэлектроники обычно составляют единицы или десятки микрометров. Уже первые попытки исследования и практического использования структур с размерами менее 100 нм показали, что поведение таких наноструктур качественно отличается от поведения тел с большими размерами.

При выполнении этого условия плоские гетероструктуры, полученные чередованием слоев нанометровой толщины из полупроводниковых соединений разного химического состава, могут рассматриваться как новые, не существующие в природе полупроводники с весьма необычными свойствами. Планарные гетероструктуры являются основой для создания еще более экзотических объектов, имеющих нанометровые размеры не в одном, а в двух или даже трех измерениях. Такие объекты, созданные руками человека, слишком малы, чтобы их можно было рассматривать как макроскопические твердые тела, и в то же время все же столь велики, что своими свойствами и поведением существенно отличаются от атомов и молекул.

10