Нанесение слоев методами эпитаксиии
Эпитаксия – процесс ориентированного наращивания монокристаллического слоя на монокристаллической основе, при котором растущий слой наследует структуру подложки.
Эпитаксиальные слои:
сверхтонкие слои с атомарно-гладкой поверхностью; слои с резкими границами;
слои с высокой однородностью распределения примесей, как по площади, так и по толщине слоя.
Гетероструктура – последовательно выращенные слои с различающимися свойствами.
p+ - GaAs
p – GaAlAs
p – GaAs
n – GaAlAs
n - GaAs
Типы эпитаксиальных структур, используемых в МЭ
|
8 мкм |
р |
|
200 мкм n |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 мкм, |
р-Si |
250 мкм, сапфир
1 мкм, SiO2
0,03 мкм, Si3N4
0,05 мкм SiO2
5 мкм, n--Si
200 мкм, n-Si
100 8КДБ – 0,5 200КЭС – 0,01
100 – диаметр пластины,
8 мкм – толщина эпитаксиального слоя р-типа,
200 мкм – толщина подложки n –типа
8КДБ – 0,5 КНС 40с250
Кремний на сапфире, диаметр подложки – 40 мм,
толщина сапфира – 250 мкм, толщина эпитаксиального слоя кремния р-типа – 8 мкм
КСКД 1,0 SiO2 0,03 Si3N4 0,05 SiO2
5КЭФ 1,5∙1015 200КЭС 0,001
Кремниевая эпитаксиальная структура с комбинированной изоляцией
Виды эпитаксии
Гомоэпитаксия – материалы подложки и слоя одинаковые, гетероэпитаксия – материалы подложки и слоя различны, хемоэпитаксия – химическое взаимодействие вещества подложки с веществом, поступающим из исходной фазы.
По химическому составу исходной фазы: прямые процессы – без промежуточных реакций, непрямые процессы – с химическими превращениями при переносе вещества.
По агрегатному состоянию исходной фазы: газофазная, в жидкой фазе, в системе пар-жидкость-кристалл, в твёрдой фазе.
На растущей поверхности происходят следующие процессы:
Адсорбция падающих на подложку атомов.
Поверхностная диффузия адсорбированных атомов. (Прежде чем встроиться в решетку, атом совершает 105–106 прыжков по поверхности.)
Встраивание в кристаллическую решетку адсорбированных атомов основного вещества.
Десорбция — испарение атомов, не встроившихся в решетку.
Модели эпитаксиального роста
Послойный рост – рост Франка Ван дер Мерве (Frank van der Merve). Взаимодействие между подложкой и слоем значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое.
Островковый рост – рост Вольмера – Вебера (Vollmer- Weber). Взаимодействие между ближайшими атомами в слое преобладает над взаимодействием этих атомов с подложкой.
Рост Странски-Крастанова (Stransky-Krastanov) – первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а на нем происходит рост трехмерных островков пленки (при большом несоответствии параметров кристаллических решеток пленки и подложки).
Влияние примесей на процессы зародышеобразования
3 2 1
23
т ем п ер ат ур а
Области пересыщений и температур, при которых получаются слои с различными структурными характеристиками. (ЭТ - температура эпитаксии. Сплошные кривые 1-3, разграничивающие области роста поликристаллических и монокристаллических слоев, и штриховые линии 1-3, разграни-
чивающие область роста монокристаллических слоев и область, где зарождение отсутствует)
Методы осаждения веществ из газовой фазы
Существует 4 направления получения вещества из газовой фазы:
связанные с разложением вещества; основанные на восстановлении вещества; связанные с химическим синтезом;
основанные на химических транспортных реакциях.
Процессы проводятся при: нормальном; повышенном; пониженном давлении.
Реакции протекают:
с зародышеобразованием; без зародышеобразования.
Химические реакции при эпитаксии
I. Разложение связано с термической диссоциацией:
SiH4 → Siтв↓ + 2H2↑
II. Реакция восстановления: SiCl4 + 2H2 ↔ Siтв↓ + 4HClг
III. Реакции химического синтеза: Cd + S → CdS
IV. Метод химических транспортных реакций: аАтв + bАг ↔ сСг + dDг,
К0 = (РссРаа)/Рbb – константа скорости реакции. Уравнение Ван-Гоффа:
d(lnK0)/dT = ΔH/RT2, где ΔH – энергия активации процесса.
Получение кремния методом восстановления (хлоридный метод)
SiCl4 + 2H2 ↔ Siтв↓ + 4HClг
Получение монокристаллического кремния пиролизом моносилана
SiH4 → Siт +2H2↑
PSiH4 = 133 Па, Т > 1193 К
скорость роста не зависит от ориентации подложки