Otvety_na_ekzamenatsionnye_voprosy_OPT_2022 (1)

В результате реакции на поверхности осаждается твёрдый кремний, а в газовую фазу испаряются пары соляной кислоты HCl.

4 + 22 ↔ тв ↓ +4г

3) Связанные с химическим синтезом Тип реакций, когда исходные компоненты находятся в чистом виде, а

необходимое соединение образуется на поверхности.

+ →

Тот самый случай, когда при МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксии)

формируется соединение типа А3В5.

Например, в исходном состоянии в чистом виде были Al и P в конце процесса на поверхности подложки получим соединение AlP.

Такой тип реакции используют тогда, когда исходные компоненты в чистом виде легко очистить, перевести в газовую фазу и в газовой фазе добиться нужного соотношения парциальных давлений.

Вэтом методе нужно учитывать то, что у чистых веществ при одной температуре разные давления насыщенных паров, поэтому достаточно сложно выдержать стехиометрию. Это являются трудностью данного метода!!!

ВМЛЭ эта трудность сильно ограничивает круг используемых материалов, которые можем использовать. Таким типом реакции пользуются при осаждении из газовой фазы соединений А2В6.

4) Основанные на химических транспортных реакциях Такой способ используется для материалов, которые входят в состав

соединений А3В5, которые образуют капельную фазу также как кремний,

например, Ga.

Для доставки Ga в атомарном виде используют газообразное соединение

Ga с Cl.

41

+ → 4 → 2 + 2 ↑→ + 2 ↑

GaCl4 неустойчив при высокой температуре и разлагается в пути в газовой фазе. GaCl2 разлагается уже непосредственно на самой подложке и из него выделяется атомарный галлий Ga. Подбираем такое давление GaCl2,

чтобы получить стехиометрический состав соединения А3В5. Учитываются скорости образования и разложения соединений в газовой фазе и при разложении у подложки.

42

14. Газофазная эпитаксия кремния: пиролиз, восстановление водородом.

Получение кремния методом восстановления водородом.

Исходным компонентом является тетрахлорсилан SiCl4, который используется в сильно разбавленном виде. Газом разбавителем чаще всего является водород, который дальше участвует в реакции, поэтому его используют.

При подборе вспомогательных веществ для осуществления технологических процессов стараются, чтобы эти вещества вносили минимальное загрязнение в растущий слой. Водород там и так будет, поэтому добавка водорода в виде разбавителя никак не повлияет. Если бы газом разбавителем был аргон или азот, то в растущий слой, кроме атомов водорода,

встраивались бы атомы и одного из этих газов, которые внесли бы загрязнения.

Соотношение компонентов в газовой смеси водорода и тетрахлорсилана очень сильно влияет на скорость. Экспериментальным путем было получено,

что оптимальная скорость реакции наблюдается при соотношении H2 к SiCl4,

как 200:1, что является достаточно высокой степенью разбавления. Если степень разбавления ниже, то скорость осаждения кремния на поверхность подложки становится больше, что приводит к росту поликристаллического кремния, а не эпитаксиальных слоев. Чем меньше степень разбавления, тем больше дефектов и меньше выход годного.

Реакция восстановления происходит при достаточно высоких температурах: 1100-1150 градусов Цельсия.

Особенностью процесса эпитаксиального роста при такой температуре является размытый профиль легирования на границе эпитаксиального слоя и подложки. Особенно это заметно, если подложка имеет высокий уровень легирования и примесь лезет в эпитаксиальный слой, когда имеется p-n

переход.

43

Чтобы получить низкую концентрацию примеси нужно получить высокую степень чистоты слоя, чтобы остаточные примеси не вносили погрешность в проводимость – ЭТО СЛОЖНО И ДОРОГО. Поэтому подложки, которые выполняют функцию механической основы стараются брать дешёвые подложки p-типа с концентрацией порядка 1017-1018 см-3. В

слое концентрация 1013-1014. Если в подложке много примеси, то при высокой температуре примесь, бор, диффундирует из подложки в эпитаксиальный слой n-типа, при этом граница размывается. Фосфор не особо активно переходит в подложку, но уходит, бор наоборот очень активно уходит в эпитаксиальный слой и может сильно менять концентрацию носителей заряда за счёт компенсации.

Оптимальная скорость роста кремния равна примерно 90 нм в секунду.

Пленки, которые получают таким способом достаточно чистые за счет того, что в составе атмосферы присутствуют пары соляной кислоты, которые взаимодействуют с кремнием. Взаимодействие активнее происходит в местах формирования дефектов или присутствует примесь. За счёт подтравливания слоя парами соляной кислоты дефекты заращиваются. Происходит подтрав,

рост начинается активнее на этих связях кремния, дефект зарастает.

Исходное вещество в виде соединения взаимодействуют с веществом восстановителем, чаще всего восстановителем является водород H2. В ходе реакции образуются необходимое твердое вещество на поверхности подложки и соединения в газовой фазе, которые уходят в атмосферу камеры и откачиваются вакуумной системой.

Например, для осаждения кремния Si таким способом используют газ тетрахлорсилан SiCl4 в газовую фазу испаряется соляная кислота HCl.

4 + 22 ↔ тв ↓ +4г

Получение монокристаллического кремния пиролизом моносилана.

Метод пиролиза моносилана характеризуется более низкой температурой, чем в методе восстановления. Температура: 950 – 1000 градусов

44

Цельсия. При этой температуре реакция активизируется, образуется эпитаксиальный слой, а не поликристаллический.

При более низких температурах коэффициент диффузии ниже,

следовательно, размытие границы типов проводимости будет меньше. ЭТО ХОРОШО!!!

Увеличение температуры в данном процессе не дает большого увеличения скорости роста, поэтому нет смысла устанавливать более высокую температуру. Процесс проходит при относительно низкой температуре. При её повышении скорость роста выйдет на насыщение и станет постоянной.

Скорость роста в этом процессе выше, чем в методе восстановления.

Чистота слоя немного хуже. Процесс реализуется при пониженном давлении.

PSiH4=133 Па. Нужна специальная вакуумная система, установка, насос.

Осаждение может проходить и при атмосферном давлении. Достаточно продуть реакционную камеру потоком водородом для вытеснения всех атмосферных газов, запустить исходные компоненты и начинать процесс.

Для легирования в состав атмосферы с исходными компонентами добавляют вещество, содержащую примесь. Чаще всего это газообразные компоненты, которые легко разлагаются при высокой температуре,

соединения с водородом. Для легирования фосфором используют фосфид PH3,

для легирования бором используют диборан B2H6. Процентное соотношение газа подбирают из того, какая концентрация примеси должна быть в подложке.

Для осаждения кремния Si из газовой фазы используется газ моносилан

SiH4. Моносилан распадается при высокой температуре на кремний, который в виде атомов осаждается на поверхности подложке и переходит из газообразной фазы в твердую, минуя жидкую, а водород выделяется в виде газообразного вещества H2.

4 → тв ↓ +22 ↑

Подробнее: учебник Королева, стр. 118-123.

45

15. Газовая эпитаксия соединений АIII BV.

46

16. Газофазное осаждение окислов и нитридов.

Получение окислов.

При встраивании компонентов примеси в подложку это происходит через образование промежуточных оксидов.

Например, образование оксида кремния с добавлением фосфора.

Если будет образование чистого кремния с легирующей примесью и кислорода не будет, то соединение с примесью будет разлагаться. Примеси

PH3, B2H6, BBr3 и другие.

Иногда специально добавляют кислород, потому что осаждение оксида происходит лучше, чем осаждение фосфора, т.к. химическая активность кремния выше, чем у фосфора, и кремнию легче закрепиться на поверхности,

чем атомам фосфора.

Если добавлять кислород, то образуется оксид и выделяется водород,

который восстанавливает этот оксид до чистого фосфора.

2 3 → 2 + 3 2 4 3 + 5 2 → 2 2 5 + 6 22 5 + 5 2 → 2 + 5 2

Концентрация кислорода в газовой атмосфере является очень важным параметром, т.к. если кислорода будет много, то будет образовываться оксид кремния. И на поверхности сформируется не чистый кремний, а слой оксида,

который потом нужно будет восстановить, перекристаллизовать, чтобы получились эпитаксиальные слои.

Оксид можем выращивать таким способом, добавляя большое количество кислорода.

Температура данного процесса ниже, чем температура роста кремния.

Т=723-873К. Поэтому если высокие температуры, характерные для пиролиза и восстановления кремния из хлорсилана, то образование оксида идет медленно, а разложение активно и пленка оксида не будет образовываться.

При низких температурах пленка оксида растет быстро, а разложение медленно.

50