1.1.3. Температурная зависимость скорости роста. Механизм хлоридного процесса.

Характер температурной зависимости скорости роста (рис.3) свидетельствует о том, что процесс автоэпитаксии возможен как в кинетической, так и в диффузионной области.

Рис.3. Температурная зависимость скорости хлоридного процесса.

В соответствии с изменением кривой Аррениуса при температуре до 1373 К кинетические закономерности процесса определяются кинетической стадией. Скорость ее меняется с температурой по экспоненте. Величина энергии активации процесса в этой области экспериментальных условий составляет, по данным разных авторов, 155-167 кДж/моль. В кинетической области гетерогенная реакция протекает по следующим стадиям:

-диффузия реагирующих веществ к границе раздела фаз;

-гомогенная реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с водородом (реак.1);

-диссоциативная адсорбция трихлорсилана (реакция 2);

-взаимодействие адсорбированных веществ на поверхности и выделение элементарного кремния (реакция 3 и 4);

-десорбция продуктов реакции и их удаление в газовую фазу.

Лимитирующей стадией процесса предполагается диссоциативная адсорбция трихлорсилана.

При переходе в высокотемпературную область энергия активации резко уменьшается и наблюдается зависимость скорости процесса от газодинамических условий в системе. Эти факторы свидетельствуют о возрастающем влиянии на суммарную скорость реакции диффузионных процессов. Учитывая зависимость микромеханизма кристаллизации АЭС кремния от температуры, следует также выделить две области протекания процесса - низко- и высокотемпературную.

В низкотемпературном диапазоне механизм роста эпитаксиальных слоев соответствует схеме пар --> АЭС кремния. Эпитаксиальные слои, полученные в этой области, имеют довольно грубый и неровный рельеф поверхности, скорость эпитаксии в значительной мере зависит от локальных свойств поверхности подложки.

С увеличением температуры процесса эпитаксии ход кривой Аррениуса определяется также природой и концентрацией легирующих примесей, вводимых в процессе роста. Кривая Аррениуса имеет явно выраженный перегиб для АЭС кремния, легированных фосфором и мышьяком при температуре соответственно 1404 и 1346К; для АЭС кремния, легированных бором, ход кривой Аррениуса с повышением температуры плавно изменяется, проходя через максимум при температуре 1543К.

1.1.4 Взаимосвязь условий формирования эпитаксиальных слоев и их структурных параметров.

Наглядной иллюстрацией механизма эпитаксии в хлоридном процессе является взаимодействие параметров процесса и микроморфологии поверхности получаемых автоэпитаксиальных слоев. Морфология поверхности позволяет оценить влияние многочисленных факторов на процессы роста, выяснить механизм кристаллизации и причины возникновения дефектов. Она служит наиболее чувствительным индикатором условий роста эпитаксиальных слоев, позволяя оценить роль отдельных параметров кристаллизации и их действие. По природе возникновения дефекты кристаллической структуры в эпитаксиальных слоях кремния можно разделить на четыре группы.

К дефектам 1 группы относятся дислокации и точечные дефекты, унаследованные от подложки. Наиболее распространенными дефектами в монокристаллическом кремнии являются краевые и винтовые дислокации. Дислокации подложки либо прорастают в эпитаксиальный слой, либо меняют направление и идут по границе между подложкой и слоем. Использование бездислокационных подложек позволяет избежать наследования дислокаций.

К дефектам второй группы относятся напряжение и дислокации несоответствия, возникающие в связи с деформацией как нарастающего слоя, так и подложки. При росте АЭС кремния несоответствия обусловлены различием условий кристаллизации подложки и эпитаксиального слоя. Подложка вырезается из кристалла, выращенного из расплава, эпитаксиальный слой растет из газовой фазы. Это ведет к различию концентраций неконтролируемых примесей, создающих расхождения в параметрах кристаллической решетки подложки и слоя порядка тысячных долей ангстрема. Такие малые несоответствия приводят, однако, к большим напряжениям, которые частично снимаются дислокациями несоответствия.

Дефекты третьей группы связаны с условиями роста уже сформировавшегося слоя; в литературе их часто называют дефектами роста. К таким дефектам относятся, помимо дислокаций, дефекты упаковки, микродвойники, пирамиды, поликристаллические включения.

Дефекты четвертой группы вызываются загрязнениями подложки. Загрязнения на поверхности подложки приводят также к возникновению дефектов упаковки, дислокаций, пирамид и т.д. При увеличении концентрации примесей на поверхности эпитаксиальный слой оказывается полностью покрытым дефектами роста и процесс эпитаксии переходит в процесс роста поликристалла.

Для выявления взаимосвязи микроморфологии эпитаксиальных слоев и условий кристаллизации, необходимо свести

к минимуму факторы, обусловливающие возникновение дефектов первой, второй и четвертой групп.

В слоях, полученных на подложках, не имеющих механических повреждений, структурных дефектов или поверхностных примесных включений, главным фактором, определяющим наличие и плотность ростовых дефектов, является механизм эпитаксии или соотношение скоростей элементарных стадий процесса, протекающих на границе раздела фаз.

Рассмотрим влияние температуры на структуру и морфологию поверхности эпитаксиальных слоев в области концентраций 0,3-0,5%(мол.)SiCl₄ в водороде. При температуре ниже 1173К ориентированного нарастания из ПГС [SiCl₄ + H ] не наблюдается, лишь на отдельных участках поверхности возникают аморфные выделения кремния. В интервале температур 1173-1223К появляются разрозненные с некоторой преимущественной ориентацией тетраэдрические нарастания. Дальнейшее повышение температуры в интервале 1223-1273К приводит к появлению закономерной ориентировки нарастающего кремния на монокристаллической поверхности, степень совершенства кристаллической структуры такого наросшего слоя весьма низкая. При температуре выше 1273 К формируются уже сплошные эпитаксиальные слои, которые имеют высокую плотность дефектов кристаллической структуры. Механизм кристаллизации в рассмотренном диапазоне температур соответствует схеме пар --> АЭС кремния.