Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

больше, чем меньше насыщенных связей у осевших атомов. Энер­ гия их связи с растущими гранями кристалла пропорциональна числу смежных сторон. Поэтому образования, перпендикулярные поверхности, не имея боковых связей, быстро распадаются. Ско­ рость образования двухмерных зародышей

где N — концентрация атомов полупроводника в паровой фазе; Т — температура осаждения пленки; АЕ — свободная энергия образования зародышей.

При больших значениях v возникает много двумерных образо­ ваний, что способствует совершенству структуры эпитаксиального слоя. Большие значения v в свою очередь возникают либо при большой плотности потока, либо при высокой температуре осаж­ дения. При низких температурах осаждения двумерные зародыши быстро вырастают до больших размеров и на подложке образуют­ ся ступеньки роста. Рост эпитаксиального слоя происходит вдоль поверхности; растущий слой повторяет кристаллографическую структуру подложки. Если подложка и растущая пленка состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, если из различных — гетероэпитаксиальным.

В непрямых процессах атомы полупроводника переносятся в со­ ставе соединений, которые диссоциируют на подложке. Выращива­

отметить две. Согласно первой полупроводник образуется на под­ ложке в результате реакции, катализируемой поверхностью под­ ложки. Согласно второй разложение соединений полупроводника происходит на некотором удалении от подложки. Атомы полупро­ водника достигают ее путем диффузии.

В последние годы получила распространение эпитаксия из рас­ плавов и растворов — жидкофазная эпитаксия, особенно для выра­ щивания пленок полупроводниковых соединений. Процессы эти имеют много общего с рассмотренным ранее процессом рекри­ сталлизации из расплава при сплавлении полупроводника с ме­ таллом.

Перспективным методом является также процесс пар — жид­ кость— твердое тело. На поверхность полупроводника наносится тонкий слой металла, образующего жидкую эвтектическую фазу при низкой температуре. Атомы полупроводника осаждаются из газовой фазы и диффундируют через слой жидкости к границе раздела, где происходит их кристаллизация. Так как толщина слоя расплава не превышает микрона, то скорость роста пленки не зави­ сит от времени диффузии.

175

§6.2. Эпитаксия кремния

Впроизводстве интегральных схем и полупроводниковых при­ боров наибольший объем эпитаксиальных процессов приходится на эпитаксию кремния.

Восстановление тетрахлорида кремния — это наиболее распро­ страненный способ вследствие простоты и доступности исходных материалов. Установки для эпитаксиального выращивания имеют вертикальный или горизонтальный реактор (рис. 6.1). Тетрахлорид кремния 1 охлаждается смесью сухого льда со спиртом. Для осуш­ ки и очистки водорода предусмотрены две ловушки — с палладиро-

Рис. 6.1. Схема установки для эпитаксиального выращивания пленок кремния

ванным алюмогелем и с молекулярными ситами. Краны 2 на сосу­ де с SiCU позволяют пропускать водород 3 непосредственно в ре­ актор 4 или через сосуд с SiCU. Пластины кремния 5 помещают на графитовые или стеклографитовые подложки 6, нагреваемые с по­ мощью индуктора 7 токами высокой частоты. Перед осаждением пластины кремния обрабатывают в токе хлористого водорода при 1200°С для удаления остаточной поверхностной пленки Si02. За­ тем в реактор подается водород, насыщенный парами тетрахлори­ да, и на пластине происходит восстановление SiCU до атомарного кремния:

На рис. 6.2 изображены кривые температурной зависимости ско­ рости роста пленки кремния v для вертикального (1) и горизонтальнрго (2) реакторов. Энергия активации этой реакции состав­ ляет около 105 кдж. Увеличение содержания SiCl4 до 5% приво­ дит к увеличению скорости роста пленки v (рис. 6.3), затем ско­ рость уменьшается вследствие неполного восстановления SiCU. При невысоких температурах и больших содержаниях SiCl4 образуют­

176

ся рыхлые аморфные пленки. Увеличение температуры подложки и уменьшение мольной доли SiCl4 обусловливает уплотнение

пленок.

Выращивание производится при температурах подложки 1200— 1280° С, молярном содержании SiCl4 1—3% и протоке водорода

V,

чти. ед.

за неплотного прилегания подложки к кассете на обратной стороне может происходить частичное осаждение пленки или травление пластины.

Реакция диспропорционирования. Осаждение кремния можно производить путем пиролиза тетрайодида кремния — Sil4, но для этого нужны низкие давления и небольшая скорость роста. Для увеличения скорости роста пленки можно использовать реакцию частичного восстановления Sil4 при нормальном давлении:

Образующийся дийодид нестабилен и существует только в рав­ новесии с Sil4 и йодом:

Sil4 Z Sll2 + 21

Замкнутая труба содержит пары йода с концентрацией около 1 кг/.и3, наполнена водородом до давления 300 мм рт. ст. и имеет продольный температурный градиент. Источник и подложка, вы­ полненные из кремния, размещены в ее противоположных концах. В области источника при температуре 1100°С реакция (6.3) идет справа налево — происходит травление источника. Образующиеся пары Sil2 под действием градиента концентрации переносятся в зо­ ну подложки, где поддерживается температура 950° С. При этой температуре реакция (6.3) идет слева направо, в результате чего кремний осаждается на подложку, а пары диффундируют обратно в зону источника. Скорость роста составляет 3—4 нм/сек. Монокристаллическая пленка может быть получена при Г < 800° С, что значительно ниже температуры других процессов.

Пиролиз силана. При высоких температурах во время осажде­ ния происходит заметная диффузия примесей из сильно легиро­ ванной пластины в пленку (автолегирование), что изменяет кон­ центрацию примеси в пленке. Для уменьшения диффузии стремят­ ся выбирать легирующую примесь в подложке с минимальным ко­ эффициентом диффузии, например сурьму или мышьяк. Силановый метод позволяет снизить температуру подложки. Уравнение реак­ ции термораспада силана

SIH4 - Si + 2 Н2

Температуру подложки можно уменьшить до 1000° С, что прак­ тически предотвращает диффузию и способствует росту пленок с равномерным распределением легирующей примеси.

Метод близкого переноса («сэндвич»-метод) основан на исполь­ зовании обратимых химических реакций переноса. Расстояние меж­ ду источником и пластиной (подложкой) составляет доли милли­ метра. Условия химического переноса в зазоре почти не зависят от состояния других частей системы, так как транспортирующий агент не расходуется при переносе, а используется многократно. В каче­ стве газообразных реагентов для получения кремния обычно при­ меняют безводный хлористый водород и пары SiCl4 или SiHCU. В поле температурного градиента при температуре источника на 10—50° С больше температуры подложки протекает обратимая реакция:

Si + 2НС1 ^ SiCl2 + Н2

178

Под действием градиента концентрации образовавшиеся пары летучего SiCl2 переносятся к подложке, где идет обратная реакция. Возникший у подложки хлористый водород диффундирует к источ­ нику, где вновь идет прямая реакция. Наиболее существенным преимуществом «сэндвич»-метода является незначительный обмен между реакционным промежутком и окружающей средой, что уменьшает содержание неконтролируемых примесей и дает воз­ можность получить пленки кремния с высоким удельным сопро­ тивлением. Данный метод применим также для эпитаксии на гер­ мании, арсениде и фосфиде галлия.

Селективная эпитаксия. При изготовлении интегральных схем часто оказывается необходимым обеспечить локальный рост эпи­ таксиальных слоев. Это достигается путем маскировки части полу­ проводника таким материалом, на котором вследствие отсутствия ядрообразования не происходит осаждения пленки, либо материа­ лом, который впоследствии удаляется совместно с осевшей на него пленкой. Обычно селективную эпитаксию осуществляют с помощью окон в слое Si02, однако поверхность оксида, чтобы на нее не осаж­ дался кремний, должна быть достаточно совершенной. Иногда при­ меняют металлические маски, но они не обеспечивают достаточно четких границ.

Гетероэпитаксия кремния на сапфире. Пленки кремния на изо­ лирующих подложках применяют при изготовлении интегральных схем. Успешное выращивание их в значительной степени зависит от кристаллографических соотношений на границе раздела и от состояния поверхности подложки. Кремний обладает кубической алмазной решеткой с постоянной а = 5,42А. Структура сапфира бо­ лее сложна, он принадлежит к ромбоэдрическому классу, но ему можно приписать гексагональные символы. Параметры решетки сапфира: а0 = 4,75А, Со=12,95А. Химические особенности системы Si—А120 3 изучены недостаточно, чтобы можно было указать ха­ рактер установления граничных связей, однако более вероятно, что рост пленки начинается с замещения кремнием атомов алюмйния. Плоскость (111) кремния растет на плоскости (0001) и плоскости ( 1 0 1 0 ) сапфира.

Поверхность подложки подвергают шлифовке, полировке и уль­ тразвуковой очистке. В реакторе сапфировую пластину помещают на алундовый держатель, расположенный на кремниевом держа­ теле, нагреваемом токами высокой частоты. При температуре 1400—1500° С происходит газовая полировка сапфира хлористым водородом, в результате которой удаляются поверхностные несо­ вершенства. Затем подложки очищают путем прогрева при 1200— 1300° С в водороде. Выращивание пленки осуществляют хлоридным или силановым методом при температуре подложек

1100—1200° С.

Пленки, выращенные из SiCU, обычно имеют электропровод­ ность p-типа и высокое удельное сопротивление. При использова­ нии силана воспроизводимость результатов хуже, но плотность дис­ локаций меньше. Образование дислокаций связано с различием

179