книги из ГПНТБ / Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с

в основном завершено к 1964—'1965 гг., после чего на­ блюдался временный спад интенсивности публикаций. Успех 'был достигнут благодаря высокой концентрации усилий научных и технических работников во всем ми­ ре на решении практических задач микроэлектроники (тлавньш образом — повышение быстродействия полу­ проводниковых приборов и микросхем). 'После первых удачных экспериментов немедленно начинался .поиск оп­ тимальных технологических условий и разработка аппа­ ратуры, а дальнейшие исследования велись в весьма уз­ ком диапазоне параметров и режимов. В результате к тому же периоду 1964— 1965 гг. наметился разрыв меж­ ду практикой и теорией: существенные технологические достижения в области получения полупроводниковых структур из газовой фазы с одной стороны и явно недо­ статочное понимание механизма формирования этих структур— с другой. Этот разрыв сильно задержал раз­ витие микроэлектроники, что продолжает ощущаться и сегодня.

Исследования механизма кристаллизации первона­ чально носили преимущественно 'описательный характер. С 19Ѳ5 г. опубликовано большое число работ, в которых для объяснения механизма кристаллизации использова­ лась корреляция морфологических и кристаллофизиче-

ступеней или по скорости массопотоков в квазиравно-

и не затрагивали глубинного механизма процессов га­ зофазной микрометаллургии. Спектрофотометрические, масс-спектральные и другие физические методы иссле­ дования использовались лишь в единичных работах. Всестороннее и глубокое понимание механизма крис­ таллизации из газовой фазы, таким образом, остается пока задачей 'ближайшего будущего.

Исследование механизма процессов кристаллизации проводилось параллельно, а нередко и оовместно с новы­ ми технологическими разработками — эпитаксией полу­ проводников на диэлектрических подложках, селектив­ ной эпитаксией, получением совершенных монокристал­

9

лических слоев толщиной 1—3 мим и менее. Ноівая вол­ на публикаций по кремнию определяется именно соче­ танием этих разработок с исследованиями механизма роста. Кроме тосо, постепенно возникающий симбиоз микрометаллуртии и приборостроения приводит к появ­ лению довольно большого числа публикаций, в которых совместно рассматриваются ростовые и приборные воп­ росы.

[Все сказанное в значительной степени относится и к германию. Но интенсивность публикаций здесь пока не достигает такого уровня, как по кремнию, так как в си­ лу исторических причин [планарная технология снача­ ла 'была разработана для кремния, а методы создания теміпературно-стаібильных германиевых интегральных схем (ИС) разработаны сравнительно недавно] в со­ временной микроэлектронике используется преимущест­ венно кремний.

Однако в ближайшем будущем, по-видимому, можно ожидать значительного увеличения интенсивности ра­ бот по интегральным микросхемам на 'германии. Одной из причин является то, что кремниевые ИС уже прибли­ жаются к своему пределу быстродействия. Весьма обе­ щающим кажется применение 'Германия в приборах 'низкотемпературного диапазона. Кроме того, герма­ ний— наиболее перспективный материал для получения гетероструктур: чистую поверхность у германия полу­ чить легче, чем у какого-либо другого полупроводника; параметры его решетки очень близки к параметрам ре­ шетки GaAs .и других соединений; температура кристал­ лизации и газового травления весьма низки, что значи­ тельно уменьшает диффузионное «размывание» гетеро­ структур и снижает механические напряжения в них, связанные с различием коэффициентов теплового рас­ ширения. Поэтому число работ, в которых германий ис­ пользуется в качестве подложек для получения гетеро­

туры), суммарные статистические данные, конечно, скрадывают индивидуальный характер развития иссле-

-10

аоваиий по каждому из них. Так, .получение совершен­ ных эпитаксиальных слоев GaAs с высокой подвижно­ стью носителей заряда (до 8000—9000 см2/ (В -с )— за­ дача уже практически решенная; для GaP это спра­ ведливо лишь отчасти, а. технология многих соединений A niß v лишь выходит на уровень лабораторных разра­ боток. Что же (касается iBN, AliP, BP и некоторых дру­ гих соединений, то в этой области проведены только отдельные удачные эксперименты.

Технология любого из полупроводников A lllB Y сов­ мещает химический синтез и выращивание монокри­ сталла. Здесь понимание механизма процессов сущест­ венно более важно, чем в случае кристаллизации эле­

того, промышленный прогресс в .области электроники по­ ка связан главным образом с кремнием, и поэтому на­ учные исследования по соединениям А Ш5 Ѵ не сковыва-

.лись .в такой степени практическими требованиями се­

года, хотя начало работ по кристаллизации соединений

11

пока не получило большого іразвития. Однако в цело.М с 1969—:1970 гг. и особенно с 1971 г. наблюдается рост интенсивности работ по этим трем классам полупровод­ ников, хотя .в большинстве случаев исследования носят пока препаративный характер1.

Что же касается объединенных статистических данных по всем полупроводниковым материалам2, то в ближай­ шие .годы, как нам кажется, можно ожидать некоторого

галлия в основном разработана, поэтому препаративные вопросы, с исследованием и решением которых связано особенно большое число публикаций, потеряли для этих веществ свою актуальность. Чтобы вновь интенсифици­ ровать здесь научные исследования, необходимы каче­ ственно новые пути в микроэлектронике и твердотель­ ной технологии. С другой стороны, начальный период развития іГіМ П , когда ощущалась острая нехватка кад­ ров в этой быстроразвивающейся области, уже пройден. Если в 1960— 1965 гг. большинство работ было связано

сформировались коллективы специалистов. .Возрос так­ же уровень публикаций. Дальнейший прогресс в этой области определяется не столько числом специалистов или журнальных сообщений, сколько глубиной исследо­ ваний.

Каков же фактический итог десятилетнего развития Г(МП? С одной стороны, планарно-эпитаксиальная тех­ нология кремниевых интегральных схем стала ведущим техническим средством современной микроэлектроники. В мире выпускаются ежегодно .многие сотни .миллионов схем (в пересчете на логический вентиль), полученных с применением эпитаксии. Большое распространение полу-

1 Разумеется, этим перечнем не исчерпываются области приме­ нения .кристаллизации из газовой фазы. Это направление оказыва­ ется чрезвычайно эффективным средствам фазового и физико-хими­

ческого анализа, получения іметастабильных состояний твердого тела и т. п.

2 При подготовке статистических данных не учитывались публи­ кации по карбиду кремния; .кристаллизация из газовой фазы служит основным средством синтеза технических сортов SiC и поэтому мно­

голетние работы в этой области не отражают истинной картины ЛМП.

1?

чил так .называемый «эпик-процесс» с осаждением поліі-

•юр металлического кремния. в «окисные карманы». По совершенству структуры и электрофизическим свойст­ вам эпитаксиальные слои кремния, германия п арсени­ да галлия не уступают массивным монокристаллам, по­ лученным из расплава или даже превосходят их. При­ ведем следующий пример. В СШ А по заданию NASA для сверхзвуковой авиации, космических применений, а также для приборов, работающих с повышенной на­ дежностью в обычных условиях без специального кон­ троля окружающей среды, проводится разработка высо­ котемпературных полупроводниковых приборов на базе

« -переходов показало, что плотность обратного тока при 300°С в структурах, полученных обычной диффузией, составляет 3,4-ІО-2 — 7,4-ІО-1 мкА-см-2 в гетероэпитакеиальных структурах на сапфире и шпинели, получен­ ных кристаллизацией из тазовой фазы, 1 • ІСНмкА-ом-2, и, наконец, в структурах, полученных изоэпитаксией из

более низкие. Важно также, что при включении диффу­

рехода. Поскольку арсенид .галлия относится к наибо­ лее трудным материалам полупроводниковой электро­ ники, приведенные результаты следует считать круп­ ным достижением ГМ Л .

Методы кристаллизации из газовой фазы позволили

13

Г л а в а I

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ГАЗОФАЗНОЙ МИКРОМЕТАЛЛУРГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ ГМП

Классификация, предлагаемая в настоящем 'разделе, не носит характера твердо установленной схемы. Автор ставил перед собой лишь цель систематизировать рас­ сматриваемые проблемы и облегчить чтение книги. іСледует отметить жесткую 'взаимосвязь физико-химических и аппаратурно-технологических особенностей методов ГМ П со структурными и электрофизическими свойства­ ми получаемых кристаллов, что затрудняет создание единой схемы, в которой 'были бы отражены все важ­ нейшие вопросы и при этом сохранена необходимая яс­ ность. В настоящем разделе приводится несколько схем, каждая из которых строится по саіиостоятельному прин­ ципу и таким образом отражает только одну из сторон этой многогранной области1.

Физико-химические особенности процессов ГМ П

'Следует различать четыре основных типа процессов газофазной микрометаллургии.

1. Перенос из конденсированного источника за сч фазовых превращений: испарение (сублимация)— кон­ денсация без участия химических реакций. Это возмож­ но, очевидно, для всех элементарных полупроводников, а также для соединений, обладающих достаточно низ­ кой упругостью диссоциации вплоть до «температуры испарения» (при которой упругость пара составляет Ш-2 мм рт. ст. или выше). К числу последних относят­ ся сульфид PbS и другие соединения свинца [34], кар­

15

2. Перенос с диссоциацией из конденсированного ис­ точника; этот метод применим, например, для 'соедине­ ний Лш £ ѵ , ЛП5 ѴІ:

Первые*два типа процессов и некоторые реакции, принадлежащие к третьему типу, могут служить осно­ вой для полностью «двтономных» процессов газофазноң

16

в

лом процесса. Автономіные процессы реализуются «в ста­ тических (закрытых), динамических (проточных) «и ква-

вгѵчно - техн« .в кая е>;лЗлмотака С С О Р

ЭКЗЕМПЛЯР

Ga + AsCl3 -I- 1Va Hb- GaCl + 2 HCl + V4 As4 +

+ Ѵг H2 - GaAs + 3 HCl

реакцию было бы точнее назвать «транспортной по ком­ пот ейту таллию»). Такие процессы, равно как и четвер­ тый тип, где .все компоненты непрерывно вводятся в ре­ актор, осуществляются только в открытых системах -(рис. 2,6 и в). В закрытых системах они могут проводиться лишь по режиму работы «на истощение», т. е. 'нестацио­

нарно.

Физический принцип переноса без участия реаген­ тов-посредников (первые два типа процессов) очень близок к так называемому напылению ів вакууме. Од­ нако режимы масеообмеиа '.различны: молекулярные пучки— в одном случае, диффузия, конвекция или ла­ минарное течение газов — в другом. Это отличие весьма существенно. Так, в процессах ГМ П маскирование при­ жимными масками малоэффективно, поскольку газовая диффузия интенсивно протекает даже в микронных за­ зорах. С другой стороны, здесь эффективны «контактные» маски — окислы, нитриды и т. п., которые при напыле­ нии в вакууме могут применяться лишь в специальных условиях.

В отличие от вакуумного напыления, скорость роста пленок в процессах ГМ П сравнительно слабо зависит от расстояния между источником и подложкой, но в боль­ шой степени определяется геометрией реактора в целом и расположением его в пространстве. Соотношение меж­ ду скоростью кристаллизации на подложке и элементах конструкции в процессах ГМ П зависит при прочих рав­ ных условиях от состояния их поверхности, которое в ходе процесса может изменяться. Таким образом усло­ вия осаждения, вообще говоря, нестационарны. Эти особенности присущи всем методам ГМ П . Но основным фактором, характеризующим газофазные методы микрометаллургии, являются особенности механизма элемен­ тарных физических и физико-химических процессов кристаллизации. Эти процессы, сравнительно слабо ме­ няющиеся в зависимости от .режима маесообѳна, стано­ вятся весьма специфичными, если 'Кристаллизация про­ текает с участием химических реагентов-посредников. Последние не определяют фазового состояния продукта,

1§