книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

коэффициентов расширения сапфира и кремния, их плотность обычно около 108 см~2. Подвижность носителей заряда в пленке

ром испарение кремния на подлож­ ку производят путем прямого разо­ грева электрическим током прямоугольной пластины кремния, от­

стоящей от подложки на несколько сотен микрон. Получаемые пленки имеют большие удельные сопротивления. На рис. 6.5 при­ ведена зависимость скорости испарения кремния от температуры.

Хорошие результаты получены методом рекристаллизации. Пленки кремния наносят на холодную подложку, по которой затем сканирует узкий электронный луч, приводящий к рекристаллизации пленки с образованием монокристалла.

§ 6.3. Эпитаксия германия

Для экспериментального осуществления газотранспортных реак­ ций используют два метода: метод запаянной ампулы и метод от­ крытой трубы.

Метод запаянной ампулы применяют для осаждения эпитакси­ альных слоев с помощью реакции диспропорционирования. На рис. 6 . 6 показана схема метода. Печь имеет две температурные зо-

180

ны: в зоне источника 1 температура выше, чем в зоне подложки 2. В ампулу, откачанную до давления 1 0 ~4—1 0 ~ 5 мм рт. ст., помеща­ ют навеску йода, обеспечивающую насыщение камеры парами тет­ райодида германия, который образуется в высокотемпературной зоне в результате взаимодействия паров йода с исходным источ­ ником германия. В зоне подложки тетрайодид не образуется, так как температура слишком мала для реакции. Под влиянием гради­ ента концентрации пары тетрайодида достигают подложки, где разлагаются на дийодид и германий, осаждающийся на ней. Гра­ диент концентрации паров дийодида обусловливает их перемеще-

1X1IXI

1 г

IXi IX!

ние в зону источника, где с их участием вновь образуется тетрай­ одид. Таким образом, йод транспортирует германий от источника к подложке и возвращается обратно, совершая многократный кру­ гооборот.

В качестве подложек чаще применяют монокристаллический

Метод открытой трубы применим для осуществления всех видов реакций в газовой фазе. Схема устройства реактора показана на рис. 6.7. Очищенный аргон или водород поступает в зону /, темпе­ ратура в которой равна 50—80° С. Здесь из навески 1 образуются пары йода, которые переносятся к источнику германия в зону //, находящемуся при температуре 550—700° С. Пары йода реагируют с германием, образуя тетрайодид:

Ge ~Т 2В -*■G6 I4

181

Тетрайодид в свою очередь соединяется с германием источника и превращается в дийодид:

Ge + Gel4 ->■2GeI2

Газообразный дийодид уносится потоком аргона в зону III, где при 300—400° С происходит диспропорционирование. Термодинами­ ческое равновесие в двух последних зонах может быть представле­ но в виде следующего уравнения:

Рис. 6.7. Схема устройства для осаждения пленок германия путем диспро­ порционирования Qel2:

/ — йод; 2 — источник германия; 3 — затравочные пластины

На рис. 6.8 показаны экспериментальные данные изменения скорости роста пленки германия на различным образом ориенти­ рованных подложках в зависимости от давления паров дийодида германия. Скорость протока аргона составляла около 10-8 м3/сек. Кривые не изменяются, если вместо аргона использовать водород.

§ 6.4. Эпитаксия арсенида галлия

Газотранспортные реакции относятся к перспективным методам синтеза полупроводниковых соединений в виде тонких эпитакси­ альных пленок.

Метод открытой трубы является наиболее совершенным и про­ изводительным. Газом-носителем служит хлористый водород. На рис. 6.9 изображена схема установки с горизонтальной трубой.

182

Кварцевая труба 1 с помощью уплотнений 2 закреплена в печи сопротивления 3. В трубу вставлены две термопары 4, а печь име­

Благодаря избытку водорода трихлорид галлия восстанавлива­ ется до монохлорида:

GaCl3 + Н2 -> GaCl + 2НС1

183

Наличие монохлорида облегчает восстановление галлия у под­ ложки. Процесс образования арсенида галлия описывается реак­ цией

2GaCl + As2 + Н2 -+ 2GaAs + 2НС1

После окончания процесса пластины охлаждают в токе водо­ рода.

Кинетика процесса осаждения и качество эпитаксиальных пле­ нок определяются распределением температуры в реакторе. С уве­ личением температуры источника свыше 900° С возрастает количе­ ство переносимого арсенида галлия, но изменяется температурный градиент и осаждение пленки происходит на стенках трубы. Уве­ личение температуры подложек уменьшает скорость роста вслед­ ствие конкурирующего процесса травления, а снижение нагрева ухудшает качество пленок.

Жидкофазная эпитаксия. Эпитаксия арсенида галлия и других полупроводниковых соединений из жидкой фазы обладает рядом преимуществ по сравнению с эпитаксией из газовой фазы: возмож­ ность получения высококачественных р-га-переходов и сильно леги­ рованных эпитаксиальных слоев (до концентраций I020—1021 см~г), высокие скорости роста (около 1000 нм/сек), возможность выращи­ вания пленок больших толщин (свыше 100 мкм), простота и до­ ступность применяемого оборудования.

Выращивание проводят методом открытой трубы, если исполь­ зуют не летучие легирующие добавки, такие, как германий, крем­ ний, олово, так как обеднение ими расплава за время процесса незначительно. Применение в качестве легирующих добавок цинка, теллура, серы ведет к неравновесным условиям выращивания, и в этих случаях применяют метод закрытой трубы.

Процесс выращивания пленок состоит из двух этапов: смачива­ ние поверхности арсенида галлия расплавом, содержащим легиру­ ющие добавки, и эпитаксиальное наращивание.

Рассмотрим получение пленок арсенида галлия методом жид­ кофазной эпитаксии в закрытой трубе. Пластину арсенида галлия механически и химически полируют. Сплав готовят на основе гал­ лия с добавкой лигатуры в количестве 0,2—2,0 вес.%: цинка — для выращивания слоев с электропроводностью p-типа или теллура — для выращивания слоев с электропроводностью n-типа. Чтобы пре­ дотвратить разложение подложек арсенида галлия при нагреве в ампуле вследствие сублимации мышьяка, сплав насыщают арсе­ нидом галлия до 15—20%. Пластину и сплав закладывают в рас­ положенные рядом углубления, а затем в графитовую кассету. Кас­ сету устанавливают в кварцевую ампулу, в которой создают дав­ ление около 10~5 мм рт. ст. Ампулу наполняют формир-газом и от­ паивают, помещают в печь сопротивления с температурой 950— 1050° С. Сплав плавится и пары мышьяка насыщают ампулу. После небольшой выдержки, способствующей очистке поверхности пласти­ ны арсенида галлия, ампулу поворачивают так, чтобы расплав рас­ текся по поверхности пластины и смочил ее. В процессе смачива­

184

ния происходит травление поверхности подложки материалом раст­ ворителя и удаление поверхностных загрязнений и дефектов. Сма­ чивание длится 10—30 мин — до установления равновесного со­ стояния. Часть поверхностного слоя растворяется в сплаве в соот­ ветствии с фазовой диаграммой. Затем следует медленное охлаж­ дение, при котором идет эпитаксиальное наращивание. Для роста совершенных пленок необходимо наличие градиента температуры в направлении роста около 103 град/м, чтобы кристаллизация про­ исходила в основном на подложке. Увеличение градиента и скоро­ сти охлаждения ухудшает качество пленок, так как в них захва­ тывается маточный раствор.

К числу недостатков метода жидкофазной эпитаксии относятся отклонение состава растущих пленок от стехиометрического соста­ ва, сильная зависимость качества пленок от ликвации по удельно­ му весу (расслоение расплава вследствие различия в удельных весах его компонентов), наличие эвтектической фазы на поверхно­ сти пластин после кристаллизации.

§ 6.5. Легирование в процессе эпитаксии

Для введения легирующей примеси в выращиваемую пленку используют следующие способы:

1) легирование с помощью примесей, растворенных в кристал­ ле полупроводника (источнике);

2)легирование из паров примеси, находящейся в элементарной форме;

3)легирование из газов и паров соединений, содержащих при­ месные элементы.

Первый способ позволяет изменять тип и концентрацию при­ меси в очень широком диапазоне. Важным является то, что можно использовать летучие примеси — фосфор, мышьяк, сурьму. Атомы примеси не могут быть перенесены из источника до тех пор, пока не испарятся окружающие их атомы полупроводника. Таким обра­ зом, можно точно регулировать концентрацию примеси.

Введение примесей в состав газообразных веществ производят с использованием фосфина — РНз, арсина — AsH3, диборана — В2Н6 и некоторых других газов, добавляемых в водород или инерт­ ные газы в концентрациях от 5 -10“4 до 1 %.

Наиболее широко в методе открытой трубы применяют легиро­ вание из паров трехбромистого бора — ВВг3, треххлористого фос­ фора РС1з или оксихлорида фосфора — РОС13, добавляемых в со­ суд с SiCl4, либо испаряемых из отдельных резервуаров.

Наличие атомов примеси, адсорбированных на растущей по­ верхности пленки, влияет на активность центров кристаллизации. Акцепторные примеси почти не сказываются на скорости роста пленки, донорные уменьшают ее.

Рост пленки сопровождается перераспределением атомов при­ меси из подложки в пленку. Уровень легирования и распределение концентрации примеси в эпитаксиальной пленке определяются не

185

только содержанием примесей в окружающем газе, но также пере­ распределением примеси в приповерхностной области подложки, на которой растет пленка. Процесс легирования пленки за счет диф­ фузии атомов примеси из подложки называют автолегированием. Распределение концентрации примеси на границе пленка — под­ ложка описывается выражением

Рис. 6.10. Распределение концентрации примеси в эпитак­ сиальном слое при создании п-п+- (а) и р-л-лереходов (б)

Первый член правой части выражения (6.5) характеризует

пленки с электропроводностью n-.типа на подложке я-типа или пленки p-типа на подложке р-типа, то результирующая концент­ рация определяется суммой обоих членов. Если пленка и подлож­ ка с разным типом электропроводности, то результирующая кон­ центрация определяется их разностью. Соответствующие кривые распределения примесей показаны на рис. 6.10. Положение р-п-пе- рехода можно вычислить, логарифмируя выражение (6.5) с уче­ том условия C*= 0 при x = Xj:

=

186

§ 6.6. Дефекты эпитаксиальных пленок

Эпитаксиальные пленки имеют кристаллические дефекты двух типов: дислокации и дефекты упаковки.

Дислокации. Так как при эпитаксиальном росте пленки вос­

Однако почти во всех случаях плотность дислокаций в пленке превышает плотность дислокаций в подложке. При этом плот­ ность дислокаций возрастает в направлении от поверхности пленки к границе раздела пленка — подложка. Область вблизи раздела характеризуется повышенной плотностью дислокаций, и в ней наблюдаются инородные включения, например йода, йодидов, хлоридов.

Образование несовершенной промежуточной области с большой плотностью дислокаций зависит от состояния поверхности под­ ложки. Для получения пленок с малой плотностью дислокаций требуется тщательная механическая обработка, очистка поверхно­ сти пластин и обработка водородом.

Дефекты упаковки встречаются в форме равносторонних треу­ гольников и прямых линий; иногда образуются более сложные формы: комбинации треугольников и линий. В конце каждой ли­ нии присутствует линия дислокации.

Форма дефектов упаковки зависит от кристаллографической ориентации эпитаксиального слоя. В слоях, выращенных на под­ ложках, которые ориентированы по плоскости (111), дефекты упа­ ковки могут быть в виде равносторонних треугольников, незамкну­ тых треугольников, отдельных прямых линий, параллельных сторонам этих треугольников, или более сложных геометри­ ческих фигур, образованных в результате пересечения двух или более дефектов упаковки (рис. б. 11). На слоях с ориентацией (ПО) возникают равнобедренные треугольники, на плоскостях (100) — квадраты.

Рост кристаллической пленки состоит из зарождения центров кристаллизации, перемещения атомов к этим центрам, бокового роста и соединения отдельных плоских образований в единое це­

атомы в процессе последующего роста также будут сдвинуты относительно моноатомных слоев всего объема.

Рис. 6.12 иллюстрирует образование трехмерных геометриче­ ских дефектов. Рост дефекта начинается в точке N, расположен­ ной на подложке или вблизи от нее, и развивается вдоль трех наклонных плоскостей (111). На поверхности пленки появляется

ные формы образуются в процессе взаимодействия нескольких дефектов.

187

Кроме дислокаций и дефектов упаковки, в эпитаксиальных пленках присутствуют и другие дефекты роста: усеченные пирами­ ды, прорастающие от подложки и возвышающиеся над поверх­ ностью пленки; дефекты поверхности в виде пустот, выступов и др. Пирамиды роста объясняют включениями карбида кремния. Некоторые исследователи наблюдали на поверхности пленок фи­ гуры в виде лежащего «гвоздя», шляпкой которого являлась при­ месь из жидкой фазы, перемещавшаяся по поверхности пленки в поле градиента температуры.

§ 6.7. Методы исследования и контроля эпитаксиальных пленок

'Основными параметрами, определяющими пригодность эпи­ таксиальных пленок для изготовления приборов, являются тип электропроводности, удельное сопротивление, толщина, распреде­ ление примесей и плотность дефектов в пленке, степень размытия границы пленка — подложка.

И з м е р е н и е т о л щ и н ы э п и т а к с и а л ь н ы х п л е н о к

Для определения толщины пленок применяют метод косого и сферического шлифов, особенно для многослойных пленок типа

ния) пленки и подложки, содержащих различную концентрацию примесей. По картине интерференции отраженных лучей можно судить о толщине слоя. Надежные данные получают, если сопро­ тивление пленки выше 0,1 ом-см, а сопротивление подложки ниже 0,02 ом-см. С увеличением концентрации примеси в пленке возра­ стает поглощение ИК-лучей, с уменьшением концентрации приме­ си в подложке растет пропускание ею и уменьшается отражение на границе.

Разность хода лучей б, отраженных от пленки и подложки, определяется толщиной пленки А, показателем ее преломле­ ния п и углом преломления ф:

8 = 2п \ cos о.

Наблюдая интерференционную картину и измеряя разность хода, вычисляют толщину пленки. Неоднородность слоя по тол­ щине или размытие распределения примеси на границе пленка — подложка приводит к ухудшению контрастности интерференци­ онной картины.

Наблюдение дефектов упаковки. Так как дефекты упаковки зарождаются преимущественно на границе пленка — подложка

189