Эпитаксия

Эпитаксией называют процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем использования ориентирующего действия подложки (повторения ее структуры). Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют гомоэпитаксией (например, кремний на кремнии), если из различных – гетероэпитаксией (например, кремний на сапфире).

В процессе выращивания эпитаксиальной пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая полупроводниковые пленки с определенными свойствами (типом проводимости, удельным сопротивлением и т.д.). Например, на поверхности кремния n-типа проводимости можно вырастить слой кремния (толщиной обычно 1…25 мкм) p-типа проводимости. В отличие от диффузии здесь удается получить четкие границы между слоями с различным типов проводимости.

Для получения эпитаксиальных слоев кремния наибольшее распространение получил хлоридный метод. Процесс протекает в реакторе вертикального (рис. 4.50) или горизонтального типа, содержащем кварцевую трубу, установленную в индуктор ВЧ-генератора. Подложки устанавливают на графитовой пирамиде, грани которой имеют наклон 5…7⁰. Каждый из газов подается из баллона по отдельной магистрали, содержащей фильтр, регулятор давления, запорный вентиль, манометр, ротаметр и электромагнитный клапан.

Рис. 4.50. Схема установки эпитаксиального наращивания из парогазовой фазы с вертикальным реактором:

1 – реактор; 2 – держатель пластин; 3 – индуктор

После загрузки пластин и герметизации реактора систему продувают азотом (для удаления воздуха), а затем водородом. Далее следует нагрев до 1200 ⁰С и выдержка в атмосфере водорода, в течение которой происходит восстановление окисных пленок кремния и их удаление с поверхности. Затем камеру заполняют газовой смесью HCl + H₂ для травления (на глубину в несколько мкм) нарушенного слоя и остатков SiO₂. После очистки систему продувают водородом, после чего, подают SiCl₄ и легирующую примесь (BBr ₃ или PCl₃).

В результате реакции

SiCl_4(пар) + 2 H_2(газ) Si_(тв.) + 4 HCl_(газ)

тетрахлорид кремния разлагается и на кремниевыу подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. При подаче CO₂ на поверхности эпитаксиальной пленки может быть получена пленка SiO₂. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода.

Ионное легирование

Ионное легирование (или ионная имплантация – способ получения p-n переходов путем введения примеси в виде ускоренных ионов (рис. 4.51, а).

Ионы легирующего элемента образуются в плазме дугового разряда, создаваемого в газоразрядной камере установки, куда поступают пары рабочего вещества, содержащего легирующий элемент.

Положительные ионы вытягиваются электрическим полем и попадают в магнитный сепаратор (масс-анализатор). Там под действием магнитного поля ионы (в т.ч. сопутствующие) движутся по дугам окружностей, радиусы которых для ионов различной массы будут различными. Ионы легирующего элемента выделяются с помощью щелевой диафрагмы. Далее поток выделенных ионов попадает в ускоритель, фокусируется и с высокой скоростью бомбардирует поверхность подложки. В зависимости от конструкции установки пучок ионов, падающих на подложку, может быть широким (площадью в несколько см²), щелевым или остросфокусированным. Он также может быть стационарным или сканирующим. В системе поддерживается вакуум порядка 10^-4 Па, чтобы ионы не испытывали столкновений со средой и не рассеивались.

Схема одного из вариантов рабочей камеры приведена на рис. 4.51, б.

а б

Рис. 4.51. Схемы установки (а) и рабочей камеры (б) ионного легирования:

1 – источник ионов; 2 – магнитный сепаратор; 3 – ускоритель; 4 – фокусирующее устройство; 5 – пучок ионов; 6 – подложка; 7 – держатель подложек; 8 – датчики; 9 - вакуумный затвор

Подложки с оксидной маской, размещаются по периферии держателя (контейнера) в несколько ярусов. В процессе облучения подложек неподвижным ленточным лучом держатель вращается и совершает возвратно-поступательное движение. Подложки, таким образом, постепенно набирают необходимую дозу легирования, контролируемую датчиками, которые располагаются между ними. По достижении необходимой дозы системой контроля вырабатывается сигнал, отключающий ионный луч.

Перед выгрузкой контейнера с обработанными подложками вакуумный затвор отсекает рабочую камеру от остального объёма установки, камеру открывают и производят замену контейнера с пластинами. После закрытия камеры и открывания затвора вакуумные насосы восстанавливают рабочее давление и начинается следующий цикл обработки.

Глубина проникновения ионов в подложку, главным образом, зависит от их энергии и размеров и обычно не превышает 1…2 мкм.

При торможении ионов в подложке происходит деформация кристаллической решетки. Внедренная примесь может оказаться как в узлах, так и между узлами решетки. Установлено, что примесь может эффективно проявлять донорные или акцепторные свойства находясь преимущественно в узлах решетки. Для восстановления нарушенного слоя и перевода внедрённой примеси в активное состояние прибегают к отжигу поверхностного слоя путём облучения коротким (порядка 1 мс) и мощным импульсом инфракрасного излучения.

Ионная имплантация (как и диффузия) допускает полное (все поверхности подложки) и локальное легирование. Локальное легирование производится через КМ (обычно из SiO₂ и Si₃N₄) или сканированием сфокусированным ионным пучком. Материал КМ должен обеспечивать более сильное (по сравнению с материалом подложки) торможение ионов и слабо распыляться под действием ионной бомбардировки.

Основные преимущества ионной имплантации по сравнению с термической диффузией:

1) процесс не требует нагрева пластин и, следовательно, не приводит к изменению параметров ранее сформированных слоёв (за счёт диффузионной разгонки);

2) так как ионный пучок перпендикулярен к пластине, размеры легированной области более точно соответствуют размерам окна в КМ;

3) количество введённой примеси точно дозируется (контролируется в процессе облучения).

Недостатком процесса ионной имплантации является то, что при постоянной энергии ионов невозможно получить глубоко залегающий переход с одновременным присутствием примеси на поверхности. В связи с этим на практике применяют один из процессов (рис. 4.52).

а б

Рис. 4.52. Формирование глубоких профилей:

а - ступенчатый процесс; б - комбинирование имплантационной загонки с диффузионной разгонкой

1. Ступенчатый процесс - непрерывное и глубокое распределение примеси от поверхности до перехода обеспечивается несколькими ступенями легирования при различных энергиях, причём первый (глубокий) профиль обеспечивает заданную глубину залегания p-n-перехода Х_n, а последний (у поверхности) - необходимую поверхностную концентрацию N₀ (рис. 4.52, а).

2. Комбинированный процесс - имплантационная загонка примеси при низкой энергии обеспечивает необходимую дозу легирования и присутствие примеси на поверхности, а диффузионная разгонка - заданную глубину залегания p-n-перехода Х_n (рис. 4.52, б).