15. Эпитаксиальный рост пленок полупроводника.

Технология получения тонких пленок основана на переводе исходного материала в газообразное или жидкое состояние и последующей конденсации его на подложке. При этом для формирования структуры пленки важное значение имеет состояние поверхности подложки и соответствие параметров кристаллических решеток подложки к напыляемого вещества. Для получения высококачественных пленок поверхность подложек подвергается механической, химической и тепловой обработкам, приводящем к выравниванию поверхности до величины неровности порядка 10^-8 м, удалению с поверхности механически и физически нарушенных слоев, а также удалению с поверхности загрязнений. Если подложкой является монокристалл, то в случае совпадения типов кристаллических решеток подложки и напыляемого вещества, а также близости параметров этих решеток (с точностью до 10 %) происходит ориентированная кристаллизация монокристаллических слоев, или эпитаксиальное наращивание, при этом решетка пленки определенным образом ориентирована относительно исходного кристалла - подложки. Частным случаем является процесс автоэпитаксии - ориентированное наращивание пленки на монокристалле того же вещества. В случае использования неориентирующих подложек (стекло, ситалл) образуются поликристаллические и аморфные пленки.

Ориентированный рост поверхности монокристалла, т.е. рост слоя, повторяющего структуру подложки, называют эпитаксиальным ростом.

Рассмотрим кратко сущность эпитаксиального наращивания пленок. В производстве полупроводниковых приборов наиболее часто используются методы газовой и жидкостной эпитаксии, при которых эпитаксиальный рост происходит за счет химического переноса наращиваемого вещества конвекцией или диффузией химических соединений. Типовой - хлоридный процесс эпитаксиального наращивания полупроводниковых слоев заключается в следующем (рис. 1.19). Монокристаллические кремниевые пластины (1) загружают с тигель «лодочку» (2) и помещают в кварцевую трубу (3). Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl₄. При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревателем (4), на поверхности пластин происходит реакция

SiCl₄+ 2Н₂= Si + 4HCl ,

в результате чего на подлодке осаждается слой кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Данный процесс, протекавший в потоке газа, подучил название газотранспортной реакции, а основной газ, переносящий вещество в зону реакции, - газа-носителя.

Если к парам SiС1₄ добавить пары соединений бора (B₂Н₆) или фосфора (РН₃), то эпитаксиальный слой будет иметь не собственную, а соответственно, дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В случае жидкостной эпитаксии наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т.е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

К доминирующим факторам ТП относятся: состав применяемой парогазовой смеси; температура процесса и точность ее поддержания; газодинамическая обстановка над подложкой; чистота и совершенство структуры подложки, особенно ее поверхности; материал подложки; скорость осаждения пленки и др.

Процесс переноса вещества от источника к подложке может и не сопровождаться протеканием химической реакции. К таким методам получения тонких пленок относятся термовакуумное испарение, катодное и ионно-плазменное распыление вещества.