16 Лекция №15. Эпитаксиальное наращивание, основные методы

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

16.1 Основные вопросы

- назначение процесса эпитаксиального наращивания;

- физические основы процесса эпитаксиального наращивания при гомо- и гетероэпитаксии;

- методы эпитаксии.

16.2 Текст лекции

16.2.1 Сущность процесса эпитаксиального наращивания – до 30 мин

Существует еще один метод получения областей другого типа проводимости. Этот метод носит название – эпитаксиальное наращивание (эпитаксия).

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллическую полупроводниковую подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Метод эпитаксиального наращивания позволяет уменьшить количество операций высокотемпературной диффузии при получении многослойных структур. Разработка технологии эпитаксиального наращивания была вызвана необходимостью формирования тонких монокристаллических однородно легированных слоев. Получение таких слоев столь же высокого качества иными средствами, например диффузией или ионной имплантацией, невозможно. В отличие от диффузии и ионного внедрения, при которых требуемая концентрация примесей образуется за счет перекомпенсации исходной примеси, эпитаксия дает возможность получать слои в широком диапазоне удельных сопротивлений, не зависящих от степени легирования пластины.

Из-за нарушения непрерывности кристаллическая решетка на поверхности пластины обладает избытком свободных связей и действует ориентирующим образом на атомы наращиваемого слоя. Распределение свободных связей в плоскости эпитаксиального роста и наиболее вероятная последовательность достройки решетки атомами зависят от кристаллического строения полупроводника и кристаллографической ориентации плоскости пластины.

Вероятность того, что атом займет наивыгоднейшее ориентированное положение, соответствующее минимуму свободной энергии, возрастает с повышением подвижности атомов, т.е. температуры пластины.

При высокой плотности адсорбированных атомов на поверхности пластины подвижность их снижается вследствие взаимодействия. Отсюда следует, что более совершенную структуру при прочих равных условиях можно получить при невысоких скоростях роста пленки.

Существенный вклад в несовершенство структуры эпитаксиального слоя вносит поверхность пластины. Дислокации, выходящие на поверхность пластины, наследуются растущим слоем. Дислокации и дефекты упаковки зарождаются также из-за того, что на границе раздела пластина - растущий слой имеются механические нарушения решетки из-за загрязнения и деформации решетки вследствие различия в степени легирования пластины и эпитаксиального слоя. Дефекты упаковки при этом способны развиваться и смыкаться друг с другом по мере роста пленки.

16.2.2 Виды эпитаксии – до 60 мин

Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным (гомоэпитаксиальным), если из разных веществ – гетероэпитаксиальным.

На начальной стадии образования гетероэпитаксиальной пленки возникают центры кристаллизации (зародыши), затем происходит рост островков и их слияние в сплошную пленку. В дальнейшем рост пленки обусловлен механизмом гомоэпитаксии.

Основными условиями совместимости материалов пластины и наращиваемого слоя при гетероэпитаксии являются:

• близость параметров кристаллической решетки;

• согласование по коэффициенту температурного расширения;

• отсутствие химического взаимодействия.

Хэмоэпитаксия – процесс образования новой фазы при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом растущего слоя.

В зависимости от агрегатного состояния источника атомов полупроводника и примеси для растущей пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой и твердой фаз.

Для кремниевых структур используют химическую эпитаксию (наращивание пленок на горячей поверхности подложки из газовой фазы с помощью разложения газовых соединений) и физическую эпитаксию (слои, выращенные в высоком вакууме).

При химической эпитаксии атомы кремния и примеси выделяются на поверхности подложки в результате химических реакций из соединений кремния и легирующего элемента. Для выделения кремния из его соединений используют два типа реакций: восстановление (тетрахлорида кремния, тетрабромида кремния, трихлорсилана и др.) и пиролитическое разложение (силана).

В зависимости от способа доставки кремния к подложке различают следующие методы получения эпитаксиальных слоев кремния в вакууме:

• метод молекулярных пучков (из жидкой фазы);

• сублимация (из твёрдой фазы);

• катодное распыление (испаряемый материал - катод тлеющего разряда).

Общим для данных методов является то, что кремний при испарении и переносе от источника к подложке, а затем кристаллизации не претерпевает каких-либо необратимых химических изменений. Отличаются они друг от друга методикой испарения кремния, условиями осаждения и аппаратурным оформлением процесса.

Для обеспечения стабильности характеристик и малого разброса параметров интегральных транзисторов по пластине, определяющего выход годных кристаллов СБИС, предъявляются очень высокие требования к качеству наращиваемых полупроводниковых слоев, обеспечить выполнение которых в современной микроэлектронной технологии способна только молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).

По сути, МЛЭ представляет собой эпитаксию посредством испарения в сверхглубоком вакууме. Но, в отличие от обычной эпитаксии, использующей данный механизм, в установках МЛЭ поддерживается вакуум порядка 10^-8Па при относительно низких температурах (> 600°С), что позволяет формировать слоистые монокристаллические структуры, имеющие сложный профиль концентрации примесей. Принцип МЛЭ состоит в непосредственном управлении пучками атомов требуемых веществ, испускаемых нагревателями, которые могут быть перекрыты при изменении типа выращиваемого кристалла.

Важной особенностью МЛЭ является низкая скорость роста пленки (6 - 60 нм/мин), что снижает производительность процесса, но позволяет повысить качество и с высокой точностью контролировать толщину эпитаксиальных слоев. Типичный пример установки МЛЭ приведен на рис. 16.1.

Пучок молекул кремния формируется при помощи источника с нагревом электронным лучом. Для наращивания легированных слоев используются ячейки, содержащие примеси и снабженные резистивными нагревателями. Поскольку процесс наращивания происходит в сверхвысоком вакууме, испарительные элементы окружены охлаждающими устройствами с жидким азотом во избежание загрязнения объема реактора молекулами нагреваемых конструкций.

Установка испарения кремния электронным пучком, состоит из одной или нескольких электронных пушек, электростатического экрана, источника магнитного поля, источника испаряемого вещества, основания с водяным охлаждением. Электронный луч с током 100 - 500 мА эмиттируется электронными пушками, находящимися вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3 - 10 кВ. При помощи электрического или магнитного полей лучи направляются на маленький участок испаряемого вещества, в результате чего оно локально плавится и интенсивно испаряется. При этом само испаряемое вещество образует тигель. Разогретый до температуры плавления испаряющийся материал не контактирует непосредственно с элементами конструкции установки, что значительно снижает загрязнения и является важным преимуществом данного метода нагрева.

Рисунок 16.1 – Пример установки МЛЭ.

Основной недостаток нагрева электронным пучком состоит в том, что подложка и наращиваемая пленка подвергаются воздействию рентгеновских лучей и ионов больших энергий, а также атомов испаряемого вещества. Этого можно избежать, если вместо электронных пучков использовать для нагрева сфокусированный лазерный луч высокой интенсивности.