7.1. Эпитаксия кремния

Технологический процесс эпитаксии заключается в выращивании на монокристаллической подложке слоев атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру, полностью повторяющую ориентацию подложки. Существует три вида эпитаксии: газофазная, жидкофазная и твердофазная.

Эпитаксиальные слои обладают следующими преимуществами:

-широкая область изменения уровня и профиля легирования;

-изменение типа проводимости выращиваемых эпитаксиальных пленок;

-физические свойства эпитаксиального слоя отличаются от свойств материала подложки в лучшую сторону, в них меньше концентрация примеси, меньше число дефектов;

-процесс может происходить при температурах меньших, чем температура наращивания слитка монокристалла;

-можно нанести эпитаксиальный слой на подложку большой площади;

-эпитаксиальный слой может быть нанесен локально.

Эпитаксия из газовой фазы

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 7.2).

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl₄, трихлорсилан - SiHCl₃, дихлорсилан - SiH₂Cl₂ и силан - SiH₄) и водород. При таких условиях возможно протекание химических реакций типа SiCl₄ + 2H₂ = Si_тв + 4HCl.

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе. Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это происходит при температурах процесса от 900 ºС до 1250 ºС. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.

Рис. 7.2. Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси. 1- держатель; 2- кремниевая пластина; 3- пленка.

Выделяют прямые и непрямые механизмы. Непрямое наращивание происходит, когда атомы кремния образуются за счет разложения кремниевых соединений на поверхности нагретой подложки. Прямое наращивание происходит, когда атомы кремния непосредственно попадают на поверхность подложки и осаждаются на ней, как это имеет место при молекулярно-лучевой эпитаксии – МЛЭ. Метод МЛЭ заключается в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретую монокристаллическую подложку. Этот процесс иллюстрируется с помощью рис. 7.3.

Рис. 7.3. Установка для МЛЭ кремния

Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10^-6 - 10^-8 Па. Температурный диапазон составляет 400 - 800 ºС. Технически возможно применение и более высоких температур, но это приводит к увеличению автолегирования и диффузии примеси из подложки.

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 заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Использование этих заслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку.