книги из ГПНТБ / Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с
.pdfна основания тетраэдрического дефекта упаковки, а /г — глубина его залегания].
Группы дефектов упаковки могут взаимодействовать друг с другом, образуя весьма разнообразные формы (рис. 28). Закономерности формообразования дефектов ■ уіпаікоівки в эпитаксиальных слоях исследовались в рабо тах [196, 197]. Важно отметить, что дефекты упаковки расширяются в направлении роста кристалла, захваты вая все большую часть его поверхности и объема. С элек трофизической точки зрения наиболее нежелателен тот факт, что дефекты упаковки вызывают неоднородное распределение примесей п таким образом ухудшают электрофизические характеристики слоев (подобно пуч кам дислокаций).
іВ настоящее время можно считать твердо установлен ным, что образование дефектов упаковки при кристалли зации из газовой фазы вызывается окислами, карбидами и другими примесями, а также механическими повреж дениями подложки, хотя при прочих равных условиях плотность этих дефектов зависит от кинетики и кристал лографического направления роста. Детальный механизм образования дефектов упаковки еще не вполне ясен, но технологически проблема получения эпитаксиальных
Рис. 28. Дефект упаковки и дислокационные ямки травления, геометрически находящиеся в двойниковом положении на плоскости (111) а арсенида галлия, -полученного иодндным методом (давление ~ 2 ат, температура кристаллизации 850°С, толщина слоя 300 мкм).Х470
119
структур германия, кремния п арсенида галлия, свобод ных от этих несовершенств, практически решена; основ ное условие для этого — тщательная подготовка поверх ности подложки II глубокая очистка всех компонентов газовой фазы. На практике нередко предпочитают усло вия, в которых образуются структуры с очень низкой плотностью дефектов упаковки, так как это облегчает контроль толщины слоев.
При кристаллизации из газовой фазы германия, кремния, арсенида галлия и, вероятно, других полупро водников с алмазоподобпой решеткой наблюдаются так же дефекты, вызванные многократным двойникованием. Наиболее типичны среди них так называемые «триппрамнды», возникновение которых в кремнии обычно связы вают с присутствием включений карбида S1C у границы раздела с подложкой [198, 199]. Для германия и арсени да галлия, где 'возникают соверішеіішо аналогичные трипирамиды, образование карбидов не характерно п, оче видно, «дефектными центрами» здесь служат частицы других примесей (для соединений А ШВ Ѵ пмщпо-вндимо- му, могут служить микрообластп с отклонением от стехи ометрии) .
В арсениде галлия п других полупроводниковых сое динениях двойниковые дефекты наиболее многообразны.
Этот вопрос детально исследовался в работах Н. Н. |
|
Шефталя с сотрудниками |
[200, 201]. При росте в поляр |
ных .направлениях [111] |
в кристаллах ЛІПВ Ѵ иногда .воз |
никают также полярные двойники (111) — (1Г1), что при водит к сильному нарушению морфологической неодно родности [45].
Важно, что імногие нарушения структуры полу проводниковых соединений ..могут возникать н в от сутствие примесных включений. Поэтому для получения
.совершенных эпитаксиальных структур ЛШВѴ и других сложных полупроводников необходима не только тща тельная очистка поверхности подложки и компонентов газовой фазы, но и выбор специальных технологических режимов кристаллизации.
Морфологические несовершенства
Для так называемой «планарной технологии», основ ной в современной .микроэлектронике, требуется совер шенная поверхность: микронеровности должны иметь
120
■ высоту не более 1 мкм, а в |
тонкослойных высокочастот |
ных структурах — не более |
ОД імкм, причем особенно |
нежелательны неровности с резкими углами; общая не однородность слоев по толщине должна быть в пределах <±110% , а в специальных случая _< ± 5% и даже ±
±1% от средней толщины. Это обстоятельство, а также, явная корреляция микрорельефа с условиями роста оп ределили широкий размах морфологических исследова нии при эпитаксии из газовой фазы.
Целесообразно выделить три основных класса мор
фологических несовершенств — микрорельеф, |
неодно |
||
родность толщины и |
краевые |
эффекты, хотя все они |
|
взаимосвязаны. |
характерных проявлений |
микро |
|
Одно из наиболее |
|||
рельефа— вицинальные фигуры |
(рис. 29). Угол наклона |
их граней к базисной плоскости колеблется в пределах от нескольких секунд [45] до б— 10° [494]. Однако при за данных условиях функция распределения фигур по углу наклона граней имеет вид кривой с ярковыраженным максимумом, и существует определенная зависимость среднестатистического угла наклона от условий роста. При этом среднестатистическая ширина основания фигур
является |
функцией толщины эпитаксиального слоя, в |
|||
отличие |
от |
дефектов |
упаковки, где это соотношение |
|
іи осIIт точн ы й |
X |
арактер |
[ 194]. |
|
|
|
|
|
Другой характерный вид микрорельефа — «холмики роста» II другие фигуры, лишенные определенной огран ки. Хотя эти образования также зависят от кристалло графического направления роста, однако они не облада ют явно выраженной симметрией подложки,, как вицинали. Замечательным свойством эпитаксиального роста из газовой фазы является то, что вицинали и неограненньге формы образуются в различных, условиях, и лишь в исключительных случаях можно наблюдать их совме стное образование.
Среди других форм, характерных для плоскостей с низкими индексами или близких к ним, следует отметить слоистый и линейчатый микрорельеф (см. рис. 25 и 26). Эти две формы, по-видимому, определяются «тонкой» ориентацией подложки, так как при выращивании тол стых слоев иногда наблюдается серпообразный краевой эффект, когда фронт кристаллизации наклонен к подлож ке на величину < Г , а слоевой рельеф сменяется линей чатым (см. рис. 26,6). Для некоторых ориентаций (на
121
пример, для плоскости (2(1) германия) характерен «че шуйчатый» рельеф (рнс. 30), мало чувствительный (за исключением размера фигур) к условиям кристаллиза ции.
'Общим .правилом служит следующее: чем лучше под готовка подложек (последовательная полирующая об работка механическими средствами, жидкими и газовы ми травителямм), ниже концентрация кислорода и дру гих примесей, тем ниже плотность и относительная высо та фигур роста. Поэтому нередко можно встретить утвер ждение, что появление фигур роста связано исключи
122
тельно с влиянием примесей (см. например, [28, с.43]. В действительности микрорельеф чрезвычайно чувстви телен ко всем основным параметрам процесса. Основным из них является температура, причем зеркально-гладкие ■ слои легче всего -получаются при высоких температурах [і81]. С другой стороны, очень'большую роль играет ре жим массообмена, и экранирование подложки позволяет регулировать характер рельефа в широком диапазоне [42]. Выше уже отмечалась активная роль хемосообпи-
онного слоя и протекаю |
|
|
|
|
||||||
щих |
в нем |
гетерогенных |
|
|
|
|
||||
процессов |
|
в |
формирова |
|
|
|
|
|||
нии микрорельефа. |
|
|
|
|
|
|||||
Микрорельеф |
эпитак |
|
|
|
|
|||||
сиальных |
слоев и граней |
|
|
|
|
|||||
кристаллов, |
|
выращивае |
|
|
|
|
||||
мых из газовой фазы, слу |
|
|
|
|
||||||
жит чувствительным |
ин |
|
|
|
|
|||||
дикатором условий |
крис |
|
|
|
|
|||||
таллизации. |
|
Поэтому |
|
|
|
|
||||
объяснение |
|
механизма |
|
|
|
|
||||
формирования |
нам |
микро |
|
|
|
|
||||
рельефа, |
как |
|
пред |
|
|
|
|
|||
ставляется, |
эквивалентно |
|
|
|
|
|||||
объяснению |
|
механизма |
|
|
|
|
||||
роста |
из |
газовой |
фазы. |
|
|
|
|
|||
Неоднородность |
толщи Рис. 30. Чешуйчатые формы роста |
|||||||||
ны слоев |
и |
краевые эф ма |
плоскости |
(211) |
германия |
|||||
фекты |
связаны, |
с одной |
(толщина слоя 20 мкм).Х200 |
|||||||
стороны, |
с |
неоднородно |
в |
реакционном |
прост |
|||||
стью |
тепло-и |
массообмена |
||||||||
ранстве, с другой— проявляются |
как |
«накапливаемая |
ошибка» в результате тех или иных особенностей микро рельефа (например, слоистого роста). Средства регули рования температуры и массопотока, будучи принци пиально простыми, вызывают на практике немалые тех нические трудности (о некоторых из них см! [202]). Вто рой источник неоднородности устраняется очень точной ориентацией подложек (по плоскостям с низкими индек сами либо, напротив, под заданным углом к ним). Зна чительную роль играют вращение контейнера [46], его конструкция [203], а в некоторых случаях — защита кра ев подложки окисными масками [204].
123
Неуправляемое перераспределение легирующих примесей
Каждый р—«-переход млн область с заданным рас пределением примесей в эпитаксиальных структурах подвергаются диффузионному отжигу в .процессе даль нейшего роста. Это особенно существенно при получении гетеропереходов. Например, в системе Ge—GaAs герма ний является легирующей примесыо по отношению к арсениду галлия, галлий п мышьяк-— акцептором .и до нором по отношению к германию, причем коэффициен ты диффузии галлия и мышьяка существенно отличны.
Это приводит к появлению |
целого ряда паразитных |
р |
|
— «-переходов ів структурах Ga — GaAs [205]. |
|
Однако нежелательное |
перераспределение легирую |
щих примесей может происходить даже при столь низких температурах кристаллизации, когда объемной диффу зией в твердой фазе можно пренебречь. Наиболее суще ственны два типа процессов перераспределения, связан ные с особенностями механизма кристаллизации из газо вой фазы: физико-химическое автолегирование и трех мерное зародышеобразованпе. Сущность первого из них заключается в том, что вещество подложки или ранее осажденного слоя химически травится в газовой фазе, а затем вновь осаждается вместе с кристаллизуемым ве ществом. В результате между подложкой и слоем или двумя последовательно наращиваемыми слоями образу ется пограничная область переменного состава. Этот во прос детально исследовался во многих работах (см., в частности, [80]). В динамических системах, работающих в режиме идеального вытеснения, автолетироваине мож но практически полностью устранить, что значительно более трудно достигается в замкнутых реакторах. Поло жительный эффект при любых методах кристаллизации достигается путем маскирования обратной стороны под ложки окисной пленкой [204]. (Заметим, что в закрытых реакторах возможен также автоколебательный характер распределения примесей, связанный с их накоплением-в реакционном объеме).
Роль второго механизма перераспределения при фор мировании твердотельных структур впервые исследована в работах Л. Н. Александрова [106]. В «их, в частности, показано, что даже кратковременное прерывание крис таллизации вызывает образование переходного слоя' с измененными электрофизическими свойствами. Раңңис
124
стадии кристаллизации — период зародышеобразования и формирования устойчивой формы фронта кристаллиза ции— всегда связаны с нестащионарностью распределе ния иримесей (некоторые особенности 'Механизма диф фузионных процессов на границе раздела рассмотрены выше, ем. стр. 86). В цикле работ Л. Н. Александрова проведено экспериментальное и теоретическое исследо вание структуры и свойств переходного слоя в связи с трехмерным зародышеобразованием. Для минимизации этих .переходных явлений требуется, очевидно, очень тонкое регулирование режима кристаллизации и состава газовой фазы на ранних стадиях. Но, вероятно, полное их устранение возможно лишь для некоторых систем.
Макродефекты
Макродефекты являются грубым нарушением струк туры, которое делает эпитаксиальные слои п кристаллы неприменимыми для практических целей. Однако при от работке новых технологических процессов такие дефек ты встречаются сравнительно часто, и поэтому целесооб разно кратко остановиться на этом вопросе.
При получении гетероструктур иногда наблюдается эрозия границы раздела. Этот дефект возникает в ре зультате неоднородного травления подложек и за хвата газовой фазы обра зующимися порами. При дальнейшем росте в та ких порах в микромас штабах протекают транс портные реакции, в ре зультате чего состав по ристой переходной облас ти приообретает очень сложное и неоднородное распределение. Такая об
ласть |
возникает, |
напри |
мер, |
в системе G —Si — |
|
транспортирующий |
реа |
гент (в работе [206] эта область получила назва ние «кавитационного слоя»). Она может быті?
устранена путем подбора специального режима тепло- и массообмена в начальный период кристаллизации [ 14'5].
Образование пор может также вызываться окпсными пленками. Соответствующие участки подложки пассиви
руются, н при достаточно высокой |
скорости |
роста |
фронт кристаллизации обтекает эти |
участки, |
обра |
зуя поры (рис. 31). В зависимости от |
ориентации |
под |
ложки поры могут либо остаться открытыми, либо пол ностью зарасти на последующих стадиях; такие скры тые поры геометрически подобны перевернутым дефек там упаковки. Дефекты этого типа иногда наблюдаются при кристаллизации в сэндвич-методе. Они устраняются тщательной обработкой подложки в газовой фазе.
Включения второй фазы, по-впдпмому, не являются характерным дефектом в кристаллах, получаемых из га зовой фазы. Другой вид включений — области с инород ной ориентацией. Они образуются в результате квазнгоімогенной кристаллизации .при неупорядоченном режиме массообмена, приводящем к локальным .пересыщениям в объеме газовой фазы. Этот нежелательный дефект можно полностью предотвратить, если обеспечить одно
родный диффузионный пли |
ламинарный маесопоток |
к |
поверхности подложки. |
|
|
О корреляции между различными типами дефектов |
|
|
Из приведенного краткого |
рассмотрения ясно, ■ что |
окисные пленки и механические повреждения подложки служат причиной возникновения большинства дефектов. Лишь относительно малая часть структурных наруше ний наследуется из подложки или возникает на поздних стадиях роста, причем в последнем случае нарушения иногда являются вторичным следствием несовершенств границы раздела (сложное двойникование с образовани ем трипирамид, автокаталитическое развитие неровнос тей микрорельефа, которые зарождаются на ранних ста диях и т. п.).
Другой важнейший фактор, определяющий резупоря-
дочение |
эпитаксиальных |
структур,— взаимодействие |
подложки |
с кристаллизуемым веществом: образование |
переходного слоя переменного состава, эрозия границы раздела, паразитные р—/г-лереходы.
Наконец, специфические особенности механизма на чальных стадий кристаллизации из газовой фазы могут приводить к возникновению переходного слоя с неодңо-
126
родным распределением легирующих примесей, а при выращивании гетероструктур и сложных полупроводни ков— к более существенному структурному и морфоло гическому нарушению вплоть до образования поликрис талла. Таким образом, «генетически» все основные де фекты связаны главным образом с переходными процес
сами в начальный период роста. |
|
|||
С другой стороны, |
практически реализуемый диапа |
|||
зон режимов |
кристаллизации |
можно |
более или менее |
|
четко разделить на области, |
в каждой из которых прояв |
|||
ляются определенные |
группы дефектов. В частности, при |
|||
сравнительно |
низких |
температурах |
кристаллизации |
|
(< 550—600°С |
для системы |
Ge— I, < |
700—750°С для |
Ge—(Cl, <950—il050° для Si—G l и т. д.) характерные дис локационные нарушения структуры и вицинальные фи гуры микрорельефа. Соответствие между этими дефекта ми может проявляться и непосредственно, поскольку в ок рестности оси вицин алы-іой пирамидынередкояаблюдается скопление торчковых дислокаций (рис. 32). Дисло кационные пучки могут приводить к определенному ус корению роста, способствующему развитию внциналей, и,
Рис. 32. Выход пучка дислокаций у вершины вицннальной пирамиды (германий, толщина слоя 40 мкм).Х400
127
напротив, у вершины вицннали вследствие ускоренного роста структура может ухудшаться до поликристаллнческой (см., например, [73]). Однако обычно это эффек ты второго порядка. Дислокационные нарушения и внцинали, по-впдимому, возникают независимо, но на общих центрах — окисленных, загрязненных и механически на рушенных участках подложки. С повышением темпера туры иа тех же центрах образуются дефекты упаковки. Одновременно впшінальный микрорельеф переходит в неограненный. Этот переход, очевидно, вызывается из менениями механизма гетерогенных процессов в хемосорбционном слое и относительной роли диффузионных и бездпффузиониых процессов формирования эпитаксиаль ных слоев. Переход от внцинальных пирамид к образо ванию неограненных форм наблюдается также при по вышении давления активных компонентов газовой фазы, что связано с отравлением элементов микрорельефа продуктами реакции. Как и при высоких температурах, здесь лимитирует эффективная скорость массообмеиа хемосорбционного слоя с газовой фазой. Напротив, вицинальный микрорельеф образуется в таких условиях, когда лимитируют собственно гетерогенные реакции, т. е. распад адсорбированных молекул.
іВсе приведенные соображения носят, конечно,весьма общий и качественный характер, и для детального объяс нения взаимосвязи между различными типами дефек тов в эпитаксиальных слоях требуется еще исследование механизма 'кристаллизации. С практической точки зре ния весьма обнадеживающим является тот факт, что небольшое число факторов — чистота подложки и газо вой фазы, а также режим начального периода процес с а — определяют образование всех основных дефектов.
Г л а в а III
ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГАЗОФАЗНОЙ МИКРОМЕТАЛЛУРГИИ
ОПРЕДЕЛАХ СКОРОСТИ РОСТА КРИСТАЛЛОВ
ВПРОЦЕССАХ ГМП
Максимальные пределы скорости газофазного метал лургического процесса ограничиваются тремя фактора ми: 1) достижимой скоростью осаждения вещества;
128