5. Эпитаксия полупроводниковых слоев

5.1. Основные определения

Эпитаксия – процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллической подложке. От метода Чохральского он принципиально отличается тем, что рост кристалла происходит при температуре ниже температуры плавления.

Эпитаксия – процесс ориентированного наращивания, в результате которого новая фаза продолжает кристаллическую решетку подложки с образованием переходного эпитаксиального слоя. Этот слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов.

По типу получаемых структур эпитаксия может быть разделена на три вида: автоэпитаксию, гетероэпитаксию и хемоэпитаксию.

Автоэпитаксия (или гомоэпитаксия) – процесс ориентированного наращивания кристаллического вещества, очень незначительно отличающегося по составу от вещества подложки. Как правило, это различие лежит в пределах концентрации бедного примесью твердого раствора на основе вещества подложки. В полупроводнике такое различие предполагает разный уровень легирования его соответствующими примесями, обусловливает существенное изменение электрофизических свойств и дает возможность сформировать гомогенный электронно-дырочный переход.

Гетероэпитаксия – процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по составу от вещества подложки.

Хемоэпитаксия – процесс ориентированного наращивания вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды.

По способу получения эпитаксия подразделяется на осаждение из парогазовой смеси и молекулярно - лучевую эпитаксию – конденсацию молекулярных пучков в высоком вакууме.

Эпитаксия позволяет:

• создавать различные типы проводимости в слое и подложке,

• создавать различные профили распределения концентрации примеси и таким образом обеспечивать необходимые параметры многих видов приборов.

Основные преимущества эпитаксиальных слоев перед материалом подложки:

• возможность изменения профиля легирования в приборной структуре в гораздо более широких пределах, чем при использовании диффузии или имплантации в подложке;

• лучшие физические свойства более приемлимые.

5.2. Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно протекает в кварцевом реакторе. Температура подложкодержателя выше температуры парогазовой смеси. При этом на поверхности пластин могут происходить несколько химических реакций. Однородность процесса требует ламинарности газового потока, которая характеризуется числом Рейнольдса:

(1) , (5.1)

где D_r – диаметр реакторной трубы; μ – вязкость; v – скорость течения газа; ρ – плотность газа.

Для промышленных установок ламинарность потока обеспечивается при Re < 2000. Как правило, D_r составляет несколько дециметров, v – несколько десятков сантиметров в секунду. Газ - носитель, обычно используемый при эпитаксии, – водород. При подстановке в соотношение значений ρ и μ для водорода получаем Re ≈ 100.

Для выращивания эпитаксиального кремния используются четыре кремнийсодержащих реагента: тетрахлорид кремния (SiCl₄), трихлорсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄). Тетрахлорид кремния изучен лучше других и наиболее широко используется в производстве. Суммарная реакция может быть классифицирована как водородное восстановление Si из SiCl₄:

SiCl_{4 газ} + 2Н_{2 газ} → Si_тв + 4HCl _газ . (5.2)

О

1100

1000

°С

1420

Скорость роста,

мкм/мин

чень важным является вопрос о выборе температуры процесса, так как от нее сильно зависит скорость роста кристалла. При высоких и низких температурах скорость роста становится отрицательной.

10⁴

Область роста поликристаллического кремния

10²

Область роста монокристалли-

ческого кремния

1

0,6

0,7

0,8

1000/T, K^-1

Рис. 5.1. Зависимость скорости роста от температуры при нанесении кремния химическим осаждением из парогазовой фазы

Для легирования кремния при эпитаксии обычно используют гидриды примесных элементов (для слоев p - типа – бора, для слоев n - типа – фосфора) или мышьяка. Химические свойства таких элементов удобно рассмотреть на примере арсина. На поверхности кремния при осаждении происходят адсорбция арсина, диссоциация молекул и встраивание мышьяка в растущий слой.

2AsH_3TB→ 2As_газ + 3H_2газ 2As_TB .

Скорость роста влияет на количество встраиваемой в эпитаксиальный слой примеси. Чем выше скорость роста, тем меньше концентрация. Кроме специально вводимой примеси в слой входят и неконтролируемые примеси из подложки. Это явление называется автолегированием. Примеси внедряются за счет твердотельной диффузии через границу слой - подложка, а также за счет испарения и переноса через газовую фазу. В результате увеличивается ширина переходной области между растущим слоем и подложкой. В структурах с локально легированными скрытыми слоями может наблюдаться боковое автолегирование. Этот процесс заключается в переносе легирующей примеси из локальной диффузионной области на прилегающую к ней поверхность подложки и встраивании этой примеси в легированный слой. Из-за явления автолегирования ограничена минимальная толщина слоев, которая может быть получена управляемым легированием. Процесс легирования обладает довольно большой инерционностью. Его прерывание не приводит к быстрому изменению уровня легирования. При молекулярно-лучевом легировании этого недостатка нет.

Перед выращиванием эпитаксиального слоя обычно проводят газофазное травление поверхности подложки, для чего используют, как правило, безводную HCl при температуре 1200° С. При этом протекают реакции:

2HCl + Si ↔ SiCl₂ + H₂;

4HCl + Si ↔ SiCl₄ + 2H₂ . (5.3)

Вместо травления кремния в HCl допускается высокотемпературный отжиг подложек в атмосфере водорода.

Для безопасного проведения процесса эпитаксии оборудование снабжено многочисленными блокировками. Тем не менее, следует помнить, что работа с водородом создает опасность взрыва, а арсин и другие легирующие газы – сильнодействующие отравляющие вещества, токсичные даже при очень низких концентрациях.

Эпитаксиальные слои редко получают с концентрацией примеси выше 10¹⁷ см^-3. Слои с такой концентрацией используются в биполярной технологии при изготовлении транзисторов с эпитаксиальной базой.

Наиболее широкое применение находят слои с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁷ см^-3. Высокоомные слои с концентрацией примеси 10¹² – 10¹⁴ см^-3 используются для специальных видов высоковольтных и выпрямительных приборов. Для получения высокоомных слоев необходимы очень чистый реактор и кремнийсодержащее соединение с малым количеством примеси. В настоящее время доступны для использования кремнийсодержащие соединения с содержанием примеси менее 10¹³ см^-3. Автолегирование с обратной стороны подложки зачастую устраняется маскированием этой стороны слоем окисла или нитрида кремния. Для маскирования обратной стороны непосредственно во время процесса эпитаксии в реакторе с высокочастотным нагревом может быть использован пьедестал с предварительно нанесенным поликристаллом кремния. Этот слой во время отжига в атмосфере HCl или SiCl₄ (SiH₂Cl₄) перейдет на обратную сторону подложки. Нижний теоретический предел легирования кремния 1,45·10¹⁰ см^-3 соответствует собственной проводимости кремния при 23 С.

Максимально возможная толщина эпитаксиального слоя определяется прирастанием боковых поверхностей подложки к подложкодержателю, что существенно затрудняет отделение подложек при разгрузке реактора и приводит к их разрушению. Однако для некоторых силовых приборов изготавливаются эпитаксиальные структуры толщиной в несколько сотен микрон, что примерно соответствует предельно возможной толщине. Как указано выше, получение тонких слоев затрудняется автолегированием, однако в настоящее время выращивают слои толщиной 0,5 мкм. Освоено производство слоев с однородностью ±5 % и воспроизводимостью от процесса к процессу ±5 % и лучше.

Обычно эпитаксиальный реактор работает в диапазоне температур 900 – 1250 С. Правильный выбор температуры процесса, расхода газа - носителя и скорости роста является сложной задачей. Ее решение обеспечивает требуемый уровень однородности толщины и удельного сопротивления слоя, дефектности, смещения топологического изображения и искажения рисунка.

Перед эпитаксией, как и перед окислением и диффузией, поверхность подложки необходимо тщательно отмыть. Должны быть устравнены все органические и металлические загрязнения. Твердые частицы удаляют с помощью ультразвуковой отмывки, обработкой влажными кистями или гидродинамической мойкой. С чистыми пластинами необходимо обращаться осторожно, не допускать загрязнения, особенно пылинками. Для предотвращения загрязнения пластин реакционную камеру помещают в чистую комнату, а зону загрузки дополнительно защищают скафандром.