Раздел 4 Эпитаксия из газовой фазы.

Ориентированной кристаллизацией или эпитаксией называется процесс роста слоев, решетка которых определенным образом ориентирована относительно исходного кристалла - подложки. Название имеет корни в греческом языке и означает “упорядочение”. Различают прямые и непрямые эпитаксиальные процессы. При прямых атомы полупроводника от источника попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней. С точки зрения физики нет препятствий для использования для этих целей методов ТВН или ионного распыления, но качество пленок при этом получается таким, что они практически не применяются.

В непрямых процессах атомы полупроводника достигают подложки непрямым путем - присутствует некая среда - носитель, жидкая или газообразная. Рассмотрим сначала эпитаксию из газовой фазы. Подложка помещается в специальную капсулу, через которую прокачивается газовая смесь, состоящая из газа носителя (азот, водород или инертный газ) и газа реагента. Подложка тем или иным способом (чаще всего индукционным нагревом) нагревается то определенной температуры, при которой газ-реагент разлагается таким образом, чтобы твердым продуктом разложения являлись атомы полупроводника, которые и осаждались бы на подложку.

Для кремния таким газом реагентом является силан SiCl₄. Реакция разложения силана идет по следующей схеме:

SiCl₄+ 2H₂  Si + 4HCl 

6

4

2

0

0 0,1 0,2 0,3 Q

Рис.2.4 Скорость роста пленки Si

рост

травление

W,мкм/мин

Причем скорость роста зависит от концентрации SiCl₄ так, как это показано на рис.2.4. По оси абсцисс отложено Q - отношение количества молекул силана к полному количеству молекул в газе. С ростом содержания силана скорость роста достигает максимума и начинает падать. В какой то момент начинает преобладать обратная реакция и начинается травление подложки. Таким образом имеется возможность управления процессом образования эпитаксиальной пленки.

Для легирования получаемой пленки донорными или акцепторными примесями к смеси газов добавляют различные компоненты, такие как фосфин (PH₃) и диборан (B₂H₃). Необходимо учитывать, что эти вещества являются сильно действующими ядами.

Поскольку для получения сложных структур метод газовой эпитаксии не вполне пригоден, то для этих целей применяют жидкостную эпитаксию, которая является по сути тем же самым методом Чохральского. Подложка находится в термодинамическом равновесии с раствором (расплавом) и процесс наращивания происходит вследствие перенасыщения при уменьшении температуры.

При применении этого метода необходимо учитывать критерий Джексона, согласно которому все вещества делятся на три категории в зависимости от их удельной теплоты плавления. При малых значениях (характерно для металлов) фазовая граница кристалла с расплавом шероховата, так что встраивание вещества возможно по всей поверхности. Это обеспечивает рост кристалла уже при малых переохлаждениях (порядка долей градуса). Поэтому контролируемый рост кристалла практически невозможен.

При больших значениях удельной теплоты плавления (большинство неорганических и органических соединений) фазовая граница огранена и рост возможен только при больших переохлаждениях (единицы градусов), что позволяет производить контролируемый рост кристаллов. Полупроводники представляют собой промежуточный случай. Поэтому для улучшения контроля процесса применяют жидкостную эпитаксию, управляемую электрическим током - электроэпитаксию. При этом через выращиваемый граничный слой пропускают электрический ток и вследствие эффекта Пельтье (выделение или поглощение тепла на контакте двух разнородных проводников в зависимости от направления протекания электрического тока) происходит охлаждение или нагрев границы раздела двух фаз, как это показано на рис.2.5. Расплав материала выращиваемой пленки 3 находится в электрически изолированном реакторе 1 и граничит с электрическим контактом 2 и подложкой 4. Подложка в свою очередь граничит с электрическим контактом 5. Через расплав пропускается постоянный электрический ток так, как это показано на рисунке.

-

+

1

2

3

4

5

Рис.2.5 Схема процесса электроэпитаксии

Кинетика роста пленки обусловлена охлаждением за счет эффекта Пельтье границы раздела расплав-подложка. Охлаждение приводит к локальному перенасыщению расплава на границе, что обеспечивает контролируемый рост пленки, т.к. скорость процесса напрямую связана с величиной протекающего электрического тока. При изменении полярности будет наблюдаться обратный процесс - растворение верхнего слоя подложки в расплаве.

При газофазной и жидкостной эпитаксии выращиваемая пленка все время находится в контакте со средой-носителем, поэтому возможно неконтролируемое загрязнение пленки. Идеальной средой-носителем с этой точки зрения является глубокий вакуум. Поэтому для выращивания особо чистых пленок применяется метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), использующий конденсацию молекулярных пучков в вакууме.

Испаряемый материал нагревается в специальном тигле и затем в режиме свободного молекулярного потока напыляется на подложку. Основное преимущество заключается в низкой температуре процесса. Снижение температуры уменьшает диффузию примеси из подложки и автолегирование. При этом возможно одновременное напыление основного материала (например кремния) и легирующих примесей из отдельных источников. Низкое давление паров основного напыляемого материала и легирующей примеси гарантирует их конденсацию на относительно холодной подложке. Параметры пленки должны выдерживаться в пределах 1% по всей поверхности.

Процесс проводится в сверхвысоком вакууме при давлении 10^-7-10^-8 Па. При этом значение длины свободного пробега порядка 10⁴ м. Число Кнудсена молекулярного потока (отношение длины свободного пробега молекулы к характерному размеру установки) в идеале стремится к . Поскольку в сверхвысоком вакууме столкновения между атомами маловероятны, скорость переноса определяется в большей степени термической энергией и процессом роста пленки можно управлять, изменяя параметры источника.

0

2

10

тигель

расплав

L

Рис.2.6 Угловое распределение парового потока при МЛЭ

Тигель, из которого производится испарение материала, представляет собой цилиндр, чаще всего из нитрида бора, в котором испаряемое вещество находится в твердом или жидком состоянии. В тигле диаметром 2R, как это показано на рис.2.6 на расстоянии L от края тигля расположено испаряемое вещество. Диаграмма направленности парового потока при различных соотношениях L к R будет иметь различную форму. При соотношении равном 0 (расплав вровень с краем тигля) имеем обычный косинусоидальный закон распределения.

Диаграмму направленности можно также корректировать, если закрыть тигель крышкой с диафрагмой. Температурный диапазон МЛЭ лежит в пределах от 400 до 800⁰С. В принципе возможно применение и более высоких температур, но это интенсифицирует процессы автолегирования и диффузии из подложки. Скорость роста пленки колеблется в пределах от 0,01 до 0,3 мкм/мин.

Первоначально для реализации метода МЛЭ применялось стандартное оборудование для ТВН, однако требования сверхвысокого вакуума привели к необходимости применения совершенно других материалов и установок, стоимость которых даже не сравнима со стоимостью установок ТВН.

Качество получаемых эпитаксиальных слоев во многом определяется условиями сопряжения кристаллических решеток наращиваемого слоя и подложки, причем существенным является их структурно геометрическое соответствие. Легче всего сопрягаются вещества с одинаковой или близкой кристаллической структурой и процесс эпитаксиального роста осуществляется успешно, если разность постоянных решеток не превышает 10%, при этом наращиваемый слой продолжает атомные плоскости подложки и возникает псевдоморфный переходной слой. При больших различиях в решетках лучше сопрягаются плотно упакованные плоскости, иначе возникают дислокации несоответствия.