Методы молекулярной эпитаксии

Эпитаксией называется процесс роста слоев кристаллического материала, решетка которого определенным образом ориентирована относительно исходного кристалла-подложки, играющего роль затравки. Растущие слои ориентируются с некоторым соответствием по отношению к соприкасающейся атомарной плоскости, так как в этом случае свободная энергия будет минимальна. Рост пленки осуществляется при температурах, меньших температуры плавления. Если материалы подложки и наращиваемого слоя идентичны, то процесс называют гомоэпитаксиальным; если различны – гетероэпитаксиальным. Подложка и выращиваемый слой могут иметь различные типы проводимости. Это позволяет создавать p-n-переходы.

В настоящее время существуют два основных технологических метода эпитаксии, позволяющие формировать многослойные структуры со сверхтонкими слоями. Это молекулярно-лучевая и газофазная эпитаксия, в том числе с использованием металлоорганических соединений и гидридов.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), или молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), проводится в вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. Основными преимуществами метода являются: низкая температура процесса и высокая точность управления уровнем легирования. Снижение температуры процесса уменьшает диффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получать качественные тонкие эпитаксиальные слои. Легирование при использовании данного метода является безынерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

Рис. 11.6 Схема установки молекулярно-лучевой эпитаксии

Каждый нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом наращивания осуществляется с помощью затворов (заслонок), расположенных между нагревателем и подложкой. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку.

По своей сути, МЛЭ аналогична методу термического вакуумного напыления, однако позволяет осуществлять прецизионный контроль процесса и получаемой структуры. Процесс происходит в высоком вакууме ‒ не ниже 10⁻⁸ Па. Благодаря этому распространение молекулярных пучков происходит по прямолинейным траекториям. Интенсивность испарения зависит от температуры нагревателей в испарительных ячейках.

С помощью заслонок можно практически мгновенно прекратить поступление вещества на подложку. Преимуществами такого метода являются:

– низкие скорости роста (~1 мкм/час) позволяют менять состав и концентрацию примесей в пределах моноатомного слоя;

– сравнительно низкие температуры роста;

– возможность получения резких профилей распределения компонентов состава и легирующих примесей;

– совместимость с другими технологическими процессами;

– возможность диагностики свойств эпитаксиальных пленок.

Газо-фазная эпитаксия (ГФЭ) – получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа (рис. 11.7). Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750÷1200 °C (в зависимости от способа осаждения, скорости процесса и давления в реакторе). Разогрев подложек осуществляется инфракрасным излучением, индукционным или резистивным способом. Понижение температуры процесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированию поликристаллического слоя. С другой стороны, оно дает возможность снизить ширину диффузионной переходной области между эпитаксиальным слоем и подложкой, наличие которой ухудшает характеристики получаемых приборов.

Для эпитаксии из газовой фазы используется установка, содержащая реактор, через который прокачивается смесь инертного газа-носителя (как правило, водород) и газа-реагента. Подложки, на которые необходимо осадить пленку, нагревают до температуры, при которой газ-реагент разлагается, образуя в качестве твердого продукта атомы полупроводника, которые осаждаются на подложку. Например, для получения кремния в качестве газа реагента используют силан – тетрахлорид кремния (SiCl₄):

SiCl₄ + 2H₂ = Si↓ + 4 HCl↑.

Реакция обратимая, и при повышении температуры и/или концентрации хлорида начинает идти в обратную сторону. Реакции восстановления трихлорсилана и дихлорсилана являются промежуточными в реакции водородного восстановления тетрахлорида кремния. Поэтому их применение в качестве источников кремния позволяет повысить технико-экономические показатели процесса. В то же время при выборе источника учитывают специфику применяемых веществ. Трихлорид и тетрахлорид кремния при комнатной температуре являются жидкими, а дихлорсилан ‒ газообразным. Тетрахлорид кремния является менее опасным при хранении и транспортировке, поэтому трихлорсилан обычно используют при наличии его собственного производства.

Рис. 11.7–Схемы горизонтальной (вверху) и вертикальной (внизу) реакторных камер для эпитаксии из газовой фазыхлоридным методом:1 - реакторная камера;2 - нагреватель;3- подставка для подложек;

4-подложка

Скорость роста слоя ~ 0,1÷2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе.

Ограничения метода: невозможно наращивать эпитаксиальную плёнку на сапфировых подложках, поскольку хлористый водород при этих условиях травит сапфир.

Легирование эпитаксиальных слоёв осуществляется одновременно с их ростом реактивным способом (добавлением легирующей примеси в паро-газовую смесь).