11.6.8. Молекулярно-лучевая эпитаксия

Описание процесса

Молекулярно-лучевая эпитакция (МЛЭ) представляет со­бой процесс получения эпитаксиальных пленок методом кон­денсации молекулярных пучков на подложке в вакууме. Источником молекулярных пучков является полупроводнико­вый материал, в основном кремний. Испарение материала происходит в результате воздействия на полупроводник сфо­кусированного электронного пучка или в результате прямого разогрева электрическим током кремниевой пластины. В по­следнем случае образец (источник) не плавятся, а осущест­вляется возгонка (сублимация) и перенос вещества на под­ложку.

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к мо­лекулярным источникам, являются следующие: высокая чис­тота создаваемых молекулярных пучков; высокая чистота поверхности источника; стабильная скорость испарения в ра­бочем режиме; большой запас рабочего вещества; возмож­ность нагрева испаряемого вещества в широком интервале температур.

Процесс МЛЭ происходит в глубоком вакууме при дав­лении 1,33*10^-6-1,33*10^-8Па, и при температуре 400— 800° С. Скорость роста эпитаксиального слоя при этих усло­виях составляет 0,01—0,03 мкм/мин и практически сравнима со скоростью роста пленки, получаемой в процессе эпитаксии из парогазовой фазы. В то же время молекулярно-лучевая эпитаксия обладает рядом преимуществ по сравнению с про­цессом эпитаксии из парогазовой фазы, основными из кото­рых являются следующие.

1. Более низкая температура технологического процесса при МЛЭ уменьшает диффузию примесей из подложки и авто-легирование.

2. Получаемый в результате МЛЭ слой обладает высоким удельным сопротивлением, так как вероятность попадания посторонних примесей на подложку в вакуумной камере мала.

3. Отсутствие промежуточных химических реакций и диф­фузионных эффектов, малая вероятность столкновения частиц в высоком вакууме дают возможность точно управлять процессом МЛЭ путем изменения параметров источника, напри­мер температуры и времени испарения вещества.

Процесс роста пленки начинается с появления в различ­ных точках поверхности подложки скоплений атомов набе­гающего пучка. Поперечные размеры этих скоплений состав­ляют величину, порядка десятков ангстрем. В ходе процесса растет как количество этих скоплений, так и их величина. В результате они смыкаются, образуя первичный слой плен­ки. Таким образом, первичная непрерывная пленка уже имеет минимальную толщину около 20—100А, а не является одноатомной. Это приводит к тому, что источниками дефек­тов в ней могут быть как дефекты, существующие в зародыше, так и дефекты, образовавшиеся в результате слияния разрос­шихся зародышей.

Для получения совершенных монокристаллических пленок важнейшей проблемой является получение одинаково ориен­тированных зародышей, равномерно распределенных по под­ложке. Разориентация зародышей даже на малые углы вызы­вает значительное возрастание концентрации дефектов. Как показали исследования, существует вполне определенная тем­пература эпитаксии, выше которой образуются зародыши одной ориентации, причем значение этой температуры зависит от большого числа параметров, которые можно разделить на три группы.

1. Параметры, характеризующие свойства атомного пуч­ка—химический состав, плотность, значение энергии, набе­гающих на подложку частиц, геометрия пучка.

2. Параметры, характеризующие свойства подложки — чистота поверхности, степень ее структурного совершенства, ориентация подложки по отношению к молекулярному пучку, совокупность химических, физико-химических и физических свойств подложки.

3. Параметры, характеризующие технологический процесс напыления — температура подложки, концентрация и приро­да примесей в атмосфере над подложкой, величина вакуума, продолжительность технологических операций.

В результате взаимодействия атомов, попадающих на подложку, с атомами последней происходит захват атомов атмосферы (т. е. ансамбля атомов набегающего пучка) по­верхностью подложки. Этот процесс называют адсорбцией, при этом различают хемосорбцию и физическую адсорбцию. При хемосорбции энергия взаимодействия составляет вели­чину порядка одного электрон-вольта на атом, т. е. она приблизительно равна энергии протекания химической реакции. Физическая адсорбция обусловлена слабыми взаимодействий-ми атомов пучка с атомами подложки за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Адсорбированный атом, иначе адатом, находясь в возбуж­денном состояний, мигрирует по поверхности подложки, по­падая из одной потенциальной ямы в другую. Через неко­торое время он может либо задержаться в одной из таких потенциальных ям, либо провзаимодействовать с другими атомами, образовав устойчивые комплексы на поверхности (кластеры), либо покинуть поверхность, т.е. десорбироваться. Вероятность того, что попавший на поверхность атом бу­дет захвачен ею, характеризуется коэффициентом конденса­ции. Величину этого коэффициента определяют по отноше­нию числа атомов, сконденсировавшихся на поверхности, к общему числу атомов, достигших поверхности из пучка.

Наряду с коэффициентом конденсации важным парамет­ром, характеризующим свойства поверхности адсорбировать атомы из атмосферы, является коэффициент аккомодации.

Пусть идеальный одноатомныи газ, характеризуемый тем­пературой T₁ и энергией частиц E₁, находится в контакте с поверхностью, температура которой Т₂ а энергия частиц— E₂.Атом газа, ударившийся о поверхность подложки, приоб­ретает среднюю энергию 2К(Т₂—С1)=Е₂—Е₁. Если атом сра­зу после соударения отражается, то средний прирост энергии обычно очень мал, т. е. отразившиеся атомы не приходят в равновесие с атомами поверхности. В этом случае средняя энергия десорбированного атома равна Е′₂, а соответствую­щая ей температура—T′₁), но такая, что выполняется усло­вие T₂>T′₁>T₁. Тогда величина α, равная

α=(Е'₂—Е₁)/(Е₂—Е₁)

характеризует среднюю долю энергии, которой обмениваются при одном столкновении между собой атомы набегающего пучка и подложки. Эта величина называется коэффициентом аккомодации.

Если часть атомов задержалась на поверхности в результате процессов адсорбции, вошла в равновесие с атомами подложки и затем только десорбировалась с энергией Е_Д(Т_Д), то для такой системы коэффициент аккомодации равен

α_Т=(Т₁—Т_от)/(Т₁—Т_Д)= (Е₁—Е_от)/(Е₁—Е_Д)

где Т_от и Е_от—температура и энергия атомов в отраженной части пучка.

Описанный выше случай наиболее вероятен для процес­сов напыления, так как обычно температура поверхности под­ложки меньше усредненной температуры атмосферы. Коэф­фициент аккомодации зависит от массы налетевшего и уда­ряемого атомов, причем, если эти массы сравнимы, то захва­ченный атом теряет свою энергию за время нескольких коле­баний атомов подложки.

Легирование пленок в процессе МЛЭ

Легирование в процессе МЛЭ осуществляется двумя раз­личными способами. Первый основан на испарении легирую­щей примеси и встраивании ее в кристаллическую решетку по механизму, аналогичному процессу роста кремния.

В качестве источников примеси используют сурьму Sb, галлий Ga или алюминий Аl. Имеются данные о получении уровня легирования в диапазоне 10¹³—10¹⁹см^-3 с однород­ностью на подложке ±1%. При выборе легирующих примесей в этом случае определяющими являются значения скорости осаждения атомов и значения коэффициента аккомодации. Малые значения коэффициента аккомодации свидетельствуют о высокой вероятности процесса десорбации примеси с под­ложки и, следовательно, о трудности образования зародышей на ее поверхности. Наличие температурной зависимости коэф­фициента аккомодации вызывает необходимость точного под­держания температуры подложки.

При другом способе легирования используется процесс ионной имплантации. В этом случае для легирования расту­щего слоя применяют слаботочные (1 мкА) ионные пучки с малой энергией (0,1—3,0 кэВ). Низкая энергия имплантации обеспечивает введение примеси на небольшую глубину под поверхность растущего слоя и встраивание ее в кристалли­ческую решетку. При этом способе легирования наряду с сурьмой, галлием и алюминием возможно использование та­ких примесей как бор, фтор и мышьяк.

Применение ионного внедрения в процессе МЛЭ позво­ляет получать сложные профили легирования, что практичес­ки невозможно осуществить, используя методы эпитаксии из парогазовой фазы (рис. 11.6.16). В то же время внедрение МЛЭ в технологический процесс изготовления интегральных схем и полупроводниковых кремниевых приборов долгое время сдерживалось отсутствием необходимого промышленного обо­рудования. В последние годы налажен выпуск систем для проведения процесса МЛЭ, которые, однако, отличаются вы­сокой стоимостью и сложностью.

Рис. 11.6.16. Распределение примесей при ионной им­плантации

Описание установки для выращивания пленок в процессе МЛЭ

Одна из возможных схем современной установки для осу­ществления процесса молекулярно-лучевой эпитаксии крем­ния представлена на рис. 11.6.17. Основой ее является вакуум­ная камера 1, в которой расположены источники молекуляр­ных пучков кремния и легирующей примеси 2, направленные к нагретой подложке 3. Материал тигля, в котором находится кремний, должен быть термически стойким и химически инерт­ным. В качестве такого материала применяют пиролитический нитрид бора или графит, максимальные рабочие темпе­ратуры которых составляют соответственно 1800 и 2000° С.

Для нагрева кремния используются два электронно-луче­вых испарителя мощностью 14 кВт каждый. Постоянная ин­тенсивность потока атомов обеспечивается строгим контро­лем температуры испарения. Для более равномерного нагрева подложки должны быть расположёны как можно ближе к нагревателю.

Рис. 11.6.17. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии.

Контроль температуры процесса осуществляет­ся различными методами (с помощью Термопар, ИК-датчиков, оптических параметров). С целью очистки поверхности образца используют поток ионов инертного газа небольшой мощности, источником которых является ионная пушка 10. Контроль структуры и чистоты как исходной подложки, так и формируемого слоя осуществляют с помощью весьма слож­ных и информативных устройств. Например, чистота поверх­ности, ее элементный состав определяются методом ожеспектроскопии, чувствительность, которого составляет вели­чину, равную, примерно, 10¹²ат/см²).

Кристаллографический анализ подложек и пленок прово­дят методом дифракции электронов. Пучок электронов, на­правляемый на подложку под углом, близким к 1°, образует дифракционную картину (электронограмму), по виду которой можно определить параметры элементарной ячейки, выявить в процессе роста слоев нежелательные ростовые структуры и откорректировать в связи с этим рабочие параметры про­цесса. Для анализа выращиваемых слоев применяют дифрак­цию быстрых электронов (ускоряющее напряжение 30— 50 кВ), а для анализа выращенных слоев—дифракцию мед­ленных электронов (ускоряющее напряжение от нескольких вольт до 1 кВ), Для химического анализа поверхности исполь­зуют метод рентгеноэлектронной спектроскопии с разреше­нием по глубине до 5нм и чувствительностью до 10¹³ ат/см² моноатомного слоя. Окна 4, 5 предусмотрены для визуаль­ного наблюдения за процессом. В установках МЛЭ помимо основных технологических операций (очистки поверхности подложки, эпитаксиального осаждения, анализа осажденно­го слоя) выполняются также вспомогательные операции: ввод подложки в зону осаждения; транспортировка подложки из одной камеры в другую; юстировка подложи относительно технологических и контролирующих средств.

Для предотвращения многократных и продолжительных контактов высоковакуумной системы с воздухом предусмот­рено использование загрузочного шлюзового устройства 6, в состав которого входят два вакуумных сорбционных насоса и один ионный насос производительностью 30 л/с, устройство для магнитного перемещения загрузочной штанги 7, загрузоч­ное окно 8, клапан 9.

В отличие от эпитаксии из парогазовой фазы использо­вание МЛЭ не связано с принятием особых мер по технике безопасности. Метод МЛЭ является весьма перспективный методом в производстве высокочастотных и оптоэлектронных приборов.