Файл: Дорфман В.Ф. Газофазная микрометаллургия полупроводников [Текст] 1974. - 190 с.pdf

на основания тетраэдрического дефекта упаковки, а /г — глубина его залегания].

Группы дефектов упаковки могут взаимодействовать друг с другом, образуя весьма разнообразные формы (рис. 28). Закономерности формообразования дефектов ■ уіпаікоівки в эпитаксиальных слоях исследовались в рабо­ тах [196, 197]. Важно отметить, что дефекты упаковки расширяются в направлении роста кристалла, захваты­ вая все большую часть его поверхности и объема. С элек­ трофизической точки зрения наиболее нежелателен тот факт, что дефекты упаковки вызывают неоднородное распределение примесей п таким образом ухудшают электрофизические характеристики слоев (подобно пуч­ кам дислокаций).

іВ настоящее время можно считать твердо установлен­ ным, что образование дефектов упаковки при кристалли­ зации из газовой фазы вызывается окислами, карбидами и другими примесями, а также механическими повреж­ дениями подложки, хотя при прочих равных условиях плотность этих дефектов зависит от кинетики и кристал­ лографического направления роста. Детальный механизм образования дефектов упаковки еще не вполне ясен, но технологически проблема получения эпитаксиальных

Рис. 28. Дефект упаковки и дислокационные ямки травления, геометрически находящиеся в двойниковом положении на плоскости (111) а арсенида галлия, -полученного иодндным методом (давление ~ 2 ат, температура кристаллизации 850°С, толщина слоя 300 мкм).Х470

119

структур германия, кремния п арсенида галлия, свобод­ ных от этих несовершенств, практически решена; основ­ ное условие для этого — тщательная подготовка поверх­ ности подложки II глубокая очистка всех компонентов газовой фазы. На практике нередко предпочитают усло­ вия, в которых образуются структуры с очень низкой плотностью дефектов упаковки, так как это облегчает контроль толщины слоев.

При кристаллизации из газовой фазы германия, кремния, арсенида галлия и, вероятно, других полупро­ водников с алмазоподобпой решеткой наблюдаются так­ же дефекты, вызванные многократным двойникованием. Наиболее типичны среди них так называемые «триппрамнды», возникновение которых в кремнии обычно связы­ вают с присутствием включений карбида S1C у границы раздела с подложкой [198, 199]. Для германия и арсени­ да галлия, где 'возникают соверішеіішо аналогичные трипирамиды, образование карбидов не характерно п, оче­ видно, «дефектными центрами» здесь служат частицы других примесей (для соединений А ШВ Ѵ пмщпо-вндимо- му, могут служить микрообластп с отклонением от стехи­ ометрии) .

В арсениде галлия п других полупроводниковых сое­ динениях двойниковые дефекты наиболее многообразны.

никают также полярные двойники (111) — (1Г1), что при­ водит к сильному нарушению морфологической неодно­ родности [45].

Важно, что імногие нарушения структуры полу­ проводниковых соединений ..могут возникать н в от­ сутствие примесных включений. Поэтому для получения

.совершенных эпитаксиальных структур ЛШВѴ и других сложных полупроводников необходима не только тща­ тельная очистка поверхности подложки и компонентов газовой фазы, но и выбор специальных технологических режимов кристаллизации.

Морфологические несовершенства

Для так называемой «планарной технологии», основ­ ной в современной .микроэлектронике, требуется совер­ шенная поверхность: микронеровности должны иметь

120

нежелательны неровности с резкими углами; общая не­ однородность слоев по толщине должна быть в пределах <±110% , а в специальных случая _< ± 5% и даже ±

±1% от средней толщины. Это обстоятельство, а также, явная корреляция микрорельефа с условиями роста оп­ ределили широкий размах морфологических исследова­ нии при эпитаксии из газовой фазы.

Целесообразно выделить три основных класса мор­

их граней к базисной плоскости колеблется в пределах от нескольких секунд [45] до б— 10° [494]. Однако при за­ данных условиях функция распределения фигур по углу наклона граней имеет вид кривой с ярковыраженным максимумом, и существует определенная зависимость среднестатистического угла наклона от условий роста. При этом среднестатистическая ширина основания фигур

Другой характерный вид микрорельефа — «холмики роста» II другие фигуры, лишенные определенной огран­ ки. Хотя эти образования также зависят от кристалло­ графического направления роста, однако они не облада­ ют явно выраженной симметрией подложки,, как вицинали. Замечательным свойством эпитаксиального роста из газовой фазы является то, что вицинали и неограненньге формы образуются в различных, условиях, и лишь в исключительных случаях можно наблюдать их совме­ стное образование.

Среди других форм, характерных для плоскостей с низкими индексами или близких к ним, следует отметить слоистый и линейчатый микрорельеф (см. рис. 25 и 26). Эти две формы, по-видимому, определяются «тонкой» ориентацией подложки, так как при выращивании тол­ стых слоев иногда наблюдается серпообразный краевой эффект, когда фронт кристаллизации наклонен к подлож­ ке на величину < Г , а слоевой рельеф сменяется линей­ чатым (см. рис. 26,6). Для некоторых ориентаций (на­

121

пример, для плоскости (2(1) германия) характерен «че­ шуйчатый» рельеф (рнс. 30), мало чувствительный (за исключением размера фигур) к условиям кристаллиза­ ции.

'Общим .правилом служит следующее: чем лучше под­ готовка подложек (последовательная полирующая об­ работка механическими средствами, жидкими и газовы­ ми травителямм), ниже концентрация кислорода и дру­ гих примесей, тем ниже плотность и относительная высо­ та фигур роста. Поэтому нередко можно встретить утвер­ ждение, что появление фигур роста связано исключи­

122

тельно с влиянием примесей (см. например, [28, с.43]. В действительности микрорельеф чрезвычайно чувстви­ телен ко всем основным параметрам процесса. Основным из них является температура, причем зеркально-гладкие ■ слои легче всего -получаются при высоких температурах [і81]. С другой стороны, очень'большую роль играет ре­ жим массообмена, и экранирование подложки позволяет регулировать характер рельефа в широком диапазоне [42]. Выше уже отмечалась активная роль хемосообпи-

ошибка» в результате тех или иных особенностей микро­ рельефа (например, слоистого роста). Средства регули­ рования температуры и массопотока, будучи принци­ пиально простыми, вызывают на практике немалые тех­ нические трудности (о некоторых из них см! [202]). Вто­ рой источник неоднородности устраняется очень точной ориентацией подложек (по плоскостям с низкими индек­ сами либо, напротив, под заданным углом к ним). Зна­ чительную роль играют вращение контейнера [46], его конструкция [203], а в некоторых случаях — защита кра­ ев подложки окисными масками [204].

123

Неуправляемое перераспределение легирующих примесей

Каждый р—«-переход млн область с заданным рас­ пределением примесей в эпитаксиальных структурах подвергаются диффузионному отжигу в .процессе даль­ нейшего роста. Это особенно существенно при получении гетеропереходов. Например, в системе Ge—GaAs герма­ ний является легирующей примесыо по отношению к арсениду галлия, галлий п мышьяк-— акцептором .и до­ нором по отношению к германию, причем коэффициен­ ты диффузии галлия и мышьяка существенно отличны.

щих примесей может происходить даже при столь низких температурах кристаллизации, когда объемной диффу­ зией в твердой фазе можно пренебречь. Наиболее суще­ ственны два типа процессов перераспределения, связан­ ные с особенностями механизма кристаллизации из газо­ вой фазы: физико-химическое автолегирование и трех­ мерное зародышеобразованпе. Сущность первого из них заключается в том, что вещество подложки или ранее осажденного слоя химически травится в газовой фазе, а затем вновь осаждается вместе с кристаллизуемым ве­ ществом. В результате между подложкой и слоем или двумя последовательно наращиваемыми слоями образу­ ется пограничная область переменного состава. Этот во­ прос детально исследовался во многих работах (см., в частности, [80]). В динамических системах, работающих в режиме идеального вытеснения, автолетироваине мож­ но практически полностью устранить, что значительно более трудно достигается в замкнутых реакторах. Поло­ жительный эффект при любых методах кристаллизации достигается путем маскирования обратной стороны под­ ложки окисной пленкой [204]. (Заметим, что в закрытых реакторах возможен также автоколебательный характер распределения примесей, связанный с их накоплением-в реакционном объеме).

Роль второго механизма перераспределения при фор­ мировании твердотельных структур впервые исследована в работах Л. Н. Александрова [106]. В «их, в частности, показано, что даже кратковременное прерывание крис­ таллизации вызывает образование переходного слоя' с измененными электрофизическими свойствами. Раңңис

124

устранена путем подбора специального режима тепло- и массообмена в начальный период кристаллизации [ 14'5].

Образование пор может также вызываться окпсными пленками. Соответствующие участки подложки пассиви­

ложки поры могут либо остаться открытыми, либо пол­ ностью зарасти на последующих стадиях; такие скры­ тые поры геометрически подобны перевернутым дефек­ там упаковки. Дефекты этого типа иногда наблюдаются при кристаллизации в сэндвич-методе. Они устраняются тщательной обработкой подложки в газовой фазе.

Включения второй фазы, по-впдпмому, не являются характерным дефектом в кристаллах, получаемых из га­ зовой фазы. Другой вид включений — области с инород­ ной ориентацией. Они образуются в результате квазнгоімогенной кристаллизации .при неупорядоченном режиме массообмена, приводящем к локальным .пересыщениям в объеме газовой фазы. Этот нежелательный дефект можно полностью предотвратить, если обеспечить одно­

окисные пленки и механические повреждения подложки служат причиной возникновения большинства дефектов. Лишь относительно малая часть структурных наруше­ ний наследуется из подложки или возникает на поздних стадиях роста, причем в последнем случае нарушения иногда являются вторичным следствием несовершенств границы раздела (сложное двойникование с образовани­ ем трипирамид, автокаталитическое развитие неровнос­ тей микрорельефа, которые зарождаются на ранних ста­ диях и т. п.).

Другой важнейший фактор, определяющий резупоря-

переходного слоя переменного состава, эрозия границы раздела, паразитные р—/г-лереходы.

Наконец, специфические особенности механизма на­ чальных стадий кристаллизации из газовой фазы могут приводить к возникновению переходного слоя с неодңо-

126