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

коэффициентов расширения сапфира и кремния, их плотность обычно около 108 см~2. Подвижность носителей заряда в пленке

ром испарение кремния на подлож­ ку производят путем прямого разо­ грева электрическим током прямоугольной пластины кремния, от­

стоящей от подложки на несколько сотен микрон. Получаемые пленки имеют большие удельные сопротивления. На рис. 6.5 при­ ведена зависимость скорости испарения кремния от температуры.

Хорошие результаты получены методом рекристаллизации. Пленки кремния наносят на холодную подложку, по которой затем сканирует узкий электронный луч, приводящий к рекристаллизации пленки с образованием монокристалла.

§ 6.3. Эпитаксия германия

Для экспериментального осуществления газотранспортных реак­ ций используют два метода: метод запаянной ампулы и метод от­ крытой трубы.

Метод запаянной ампулы применяют для осаждения эпитакси­ альных слоев с помощью реакции диспропорционирования. На рис. 6 . 6 показана схема метода. Печь имеет две температурные зо-

180

ны: в зоне источника 1 температура выше, чем в зоне подложки 2. В ампулу, откачанную до давления 1 0 ~4—1 0 ~ 5 мм рт. ст., помеща­ ют навеску йода, обеспечивающую насыщение камеры парами тет­ райодида германия, который образуется в высокотемпературной зоне в результате взаимодействия паров йода с исходным источ­ ником германия. В зоне подложки тетрайодид не образуется, так как температура слишком мала для реакции. Под влиянием гради­ ента концентрации пары тетрайодида достигают подложки, где разлагаются на дийодид и германий, осаждающийся на ней. Гра­ диент концентрации паров дийодида обусловливает их перемеще-

1X1IXI

1 г

IXi IX!

ние в зону источника, где с их участием вновь образуется тетрай­ одид. Таким образом, йод транспортирует германий от источника к подложке и возвращается обратно, совершая многократный кру­ гооборот.

В качестве подложек чаще применяют монокристаллический

Метод открытой трубы применим для осуществления всех видов реакций в газовой фазе. Схема устройства реактора показана на рис. 6.7. Очищенный аргон или водород поступает в зону /, темпе­ ратура в которой равна 50—80° С. Здесь из навески 1 образуются пары йода, которые переносятся к источнику германия в зону //, находящемуся при температуре 550—700° С. Пары йода реагируют с германием, образуя тетрайодид:

Ge ~Т 2В -*■G6 I4

181

Тетрайодид в свою очередь соединяется с германием источника и превращается в дийодид:

Ge + Gel4 ->■2GeI2

Газообразный дийодид уносится потоком аргона в зону III, где при 300—400° С происходит диспропорционирование. Термодинами­ ческое равновесие в двух последних зонах может быть представле­ но в виде следующего уравнения:

Рис. 6.7. Схема устройства для осаждения пленок германия путем диспро­ порционирования Qel2:

/ — йод; 2 — источник германия; 3 — затравочные пластины

На рис. 6.8 показаны экспериментальные данные изменения скорости роста пленки германия на различным образом ориенти­ рованных подложках в зависимости от давления паров дийодида германия. Скорость протока аргона составляла около 10-8 м3/сек. Кривые не изменяются, если вместо аргона использовать водород.

§ 6.4. Эпитаксия арсенида галлия

Газотранспортные реакции относятся к перспективным методам синтеза полупроводниковых соединений в виде тонких эпитакси­ альных пленок.

Метод открытой трубы является наиболее совершенным и про­ изводительным. Газом-носителем служит хлористый водород. На рис. 6.9 изображена схема установки с горизонтальной трубой.

182

Кварцевая труба 1 с помощью уплотнений 2 закреплена в печи сопротивления 3. В трубу вставлены две термопары 4, а печь име­

Благодаря избытку водорода трихлорид галлия восстанавлива­ ется до монохлорида:

GaCl3 + Н2 -> GaCl + 2НС1

183

Наличие монохлорида облегчает восстановление галлия у под­ ложки. Процесс образования арсенида галлия описывается реак­ цией

2GaCl + As2 + Н2 -+ 2GaAs + 2НС1

После окончания процесса пластины охлаждают в токе водо­ рода.

Кинетика процесса осаждения и качество эпитаксиальных пле­ нок определяются распределением температуры в реакторе. С уве­ личением температуры источника свыше 900° С возрастает количе­ ство переносимого арсенида галлия, но изменяется температурный градиент и осаждение пленки происходит на стенках трубы. Уве­ личение температуры подложек уменьшает скорость роста вслед­ ствие конкурирующего процесса травления, а снижение нагрева ухудшает качество пленок.

Жидкофазная эпитаксия. Эпитаксия арсенида галлия и других полупроводниковых соединений из жидкой фазы обладает рядом преимуществ по сравнению с эпитаксией из газовой фазы: возмож­ ность получения высококачественных р-га-переходов и сильно леги­ рованных эпитаксиальных слоев (до концентраций I020—1021 см~г), высокие скорости роста (около 1000 нм/сек), возможность выращи­ вания пленок больших толщин (свыше 100 мкм), простота и до­ ступность применяемого оборудования.

Выращивание проводят методом открытой трубы, если исполь­ зуют не летучие легирующие добавки, такие, как германий, крем­ ний, олово, так как обеднение ими расплава за время процесса незначительно. Применение в качестве легирующих добавок цинка, теллура, серы ведет к неравновесным условиям выращивания, и в этих случаях применяют метод закрытой трубы.

Процесс выращивания пленок состоит из двух этапов: смачива­ ние поверхности арсенида галлия расплавом, содержащим легиру­ ющие добавки, и эпитаксиальное наращивание.

Рассмотрим получение пленок арсенида галлия методом жид­ кофазной эпитаксии в закрытой трубе. Пластину арсенида галлия механически и химически полируют. Сплав готовят на основе гал­ лия с добавкой лигатуры в количестве 0,2—2,0 вес.%: цинка — для выращивания слоев с электропроводностью p-типа или теллура — для выращивания слоев с электропроводностью n-типа. Чтобы пре­ дотвратить разложение подложек арсенида галлия при нагреве в ампуле вследствие сублимации мышьяка, сплав насыщают арсе­ нидом галлия до 15—20%. Пластину и сплав закладывают в рас­ положенные рядом углубления, а затем в графитовую кассету. Кас­ сету устанавливают в кварцевую ампулу, в которой создают дав­ ление около 10~5 мм рт. ст. Ампулу наполняют формир-газом и от­ паивают, помещают в печь сопротивления с температурой 950— 1050° С. Сплав плавится и пары мышьяка насыщают ампулу. После небольшой выдержки, способствующей очистке поверхности пласти­ ны арсенида галлия, ампулу поворачивают так, чтобы расплав рас­ текся по поверхности пластины и смочил ее. В процессе смачива­

184

ния происходит травление поверхности подложки материалом раст­ ворителя и удаление поверхностных загрязнений и дефектов. Сма­ чивание длится 10—30 мин — до установления равновесного со­ стояния. Часть поверхностного слоя растворяется в сплаве в соот­ ветствии с фазовой диаграммой. Затем следует медленное охлаж­ дение, при котором идет эпитаксиальное наращивание. Для роста совершенных пленок необходимо наличие градиента температуры в направлении роста около 103 град/м, чтобы кристаллизация про­ исходила в основном на подложке. Увеличение градиента и скоро­ сти охлаждения ухудшает качество пленок, так как в них захва­ тывается маточный раствор.

К числу недостатков метода жидкофазной эпитаксии относятся отклонение состава растущих пленок от стехиометрического соста­ ва, сильная зависимость качества пленок от ликвации по удельно­ му весу (расслоение расплава вследствие различия в удельных весах его компонентов), наличие эвтектической фазы на поверхно­ сти пластин после кристаллизации.

§ 6.5. Легирование в процессе эпитаксии

Для введения легирующей примеси в выращиваемую пленку используют следующие способы:

1) легирование с помощью примесей, растворенных в кристал­ ле полупроводника (источнике);

2)легирование из паров примеси, находящейся в элементарной форме;

3)легирование из газов и паров соединений, содержащих при­ месные элементы.

Первый способ позволяет изменять тип и концентрацию при­ меси в очень широком диапазоне. Важным является то, что можно использовать летучие примеси — фосфор, мышьяк, сурьму. Атомы примеси не могут быть перенесены из источника до тех пор, пока не испарятся окружающие их атомы полупроводника. Таким обра­ зом, можно точно регулировать концентрацию примеси.

Введение примесей в состав газообразных веществ производят с использованием фосфина — РНз, арсина — AsH3, диборана — В2Н6 и некоторых других газов, добавляемых в водород или инерт­ ные газы в концентрациях от 5 -10“4 до 1 %.

Наиболее широко в методе открытой трубы применяют легиро­ вание из паров трехбромистого бора — ВВг3, треххлористого фос­ фора РС1з или оксихлорида фосфора — РОС13, добавляемых в со­ суд с SiCl4, либо испаряемых из отдельных резервуаров.

Наличие атомов примеси, адсорбированных на растущей по­ верхности пленки, влияет на активность центров кристаллизации. Акцепторные примеси почти не сказываются на скорости роста пленки, донорные уменьшают ее.

Рост пленки сопровождается перераспределением атомов при­ меси из подложки в пленку. Уровень легирования и распределение концентрации примеси в эпитаксиальной пленке определяются не

185