11.6.3. Выращивание гетероэпитаксиальных пленок кремния

При гетероэпитаксии осуществляется ориентированный рост вещества на пластинке, материал которой очищается по своему химическому составу от наращиваемого слоя. Если пластина — изолирующий материал, то конечной целью гете­роэпитаксии является обеспечение взаимной изоляции эле­ментов структуры, формируемой в эпитаксиальном слое.

Наибольшее распространение получили гетероэпитаксиальные слои кремния на сапфире (Si—А1₂O₃) и на шпинели (Si—MgO Al₂O₃).

Другой способ реализации такой структуры (пока еще не вполне совершенный) — нанесение кремния на аморфную подложку. Гетероэпитаксия на изолирующих пластинах при­меняется для создания мощных или высокочастотных микро­схем, а также получила широкое применение в производстве МДП-структур (металл—диэлектрик—полупроводник). В на­чале главы мы уже рассмотрели вопросы сопряжения решеток при гетероэпитаксии и определили, что при наращивании кремния на сапфире наиболее часто реализуются следующие ориентационные соотношения: Si(100)//Al₂O₃(1012), Si(111)//А1₂O₃ (0001) или Si(111)//А1₂O₃(1010). При кристаллизации кремния на плоскостях шпинели (100), (110), (111) слои крем­ния имеют параллельную ориентацию (100), (110), (111) соответственно.

Рост пленок обычно ведут по хлоридной или гидридной технологии, однако при наличии в парогазовой смеси хлори­дов слишком вероятно загрязнение пленки алюминием, вы­ступающим в ней как акцепторная примесь. Наиболее часто употребляется гидридный (силановый) метод. Газовую очист­ку подложек проводят в атмосфере водорода при T=1100— 1200° С по реакции

2Н₂+А1₂O₃→А1₂O+2Н₂O↑.

Скорость травления невелика, при 1200° С она составляет порядка v==3*10^-3 мкм/мин и иногда температуру повышают до 1650° С (v=0,3 мкм/мин), что создает определенные тех­нологические трудности. На начальной стадии образования гетероэпитаксиальной пленки, как уже говорилось, возникают центры кристаллизации (зародыши), затем происходит рост островков и их слияние в сплошную пленку. В дальнейшем рост пленки обусловлен процессом автоэпитаксии.

Верхний предел рабочих температур процесса наращивания составляет 1150—1170° С, так как при более высоких температурах из-за активного химического взаимодействия кремния и водорода с пластиной и образования вследствие этого летучих соединений алюминия на подложке образуется поликристаллическая пленка кремния. Для снижения уровня автолегирования рост пленок ведут на повышенных до 10 мкм/мин скоростях. С этой же целью вместо сапфировых применяют, как будет показано ниже, подложки из кристал­лов шпинели.

Эффект автолегирования более резко выражен при нара­щивании пленки на сапфировые пластины и усиливается с повышением температуры процесса при условии постоянства скорости осаждения (рис. 11.6.8).

Для ослабления эффекта автолегирования стремятся сни­зить температуру процесса и повысить скорость наращива­ния. Однако в силоновом методе это приводит, как правило. к снижению степени структурного совершенства пленки. Бо­лее радикальный путь лежит в использование химически менее активных материалов в качестве пластины, а также других методов наращивания пленки, например, метода МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксии).

Рис. 11.6.8. Зависимость степени автолегиро­вания от температуры

Гетероэпитаксиальные слои характеризуются высокой плотностью различных дефектов, таких, как дефекты упаков­ки, дислокации несоответствия и дислокации скольжения. Обнаружено, что плотность дефектов в слое обратно пропор­циональна расстоянию от поверхности сапфировой подложки.

Более низкое структурное совершенство гетероэпитаксиальных слоев по сравнению с автоэпитаксиальными объясняется несоответствием типов кристаллических решеток слоя и под­ложки, химическим воздействием материала подложки и га­зовых смесей, процессами автолегирования, различием ТКР слоя и подложки.