Кинетика кристаллизации аэс

Характер температурной зависимости скорости роста (рис. 4) свидетельствует о том, что процесс автоэпитаксии возможен как в кинетической, так и в диффузионной области.

Рис. 4. Температурная зависимость скорости хлоридного процесса

В соответствии с изменением кривой Аррениуса при температурах ниже 1373К закономерности процесса определяются кинетической стадией. Скорость ее меняется с температурой по экспоненте. Величина энергии активации процесса в этой области экспериментальных условий составляет, по данным разных авторов, 155–167 кДж/моль. В кинетической области гетерогенная реакция протекает по следующим стадиям:

• гомогенная реакция взаимодействия тетрахлорида кремния с водородом (реакция 2);

• диффузия реагирующих веществ к границе раздела фаз;

• диссоциативная адсорбция трихлорсилана (реакция 2);

• взаимодействие адсорбированных на поверхности веществ и выделение элементарного кремния (реакция 3);

• десорбция продуктов реакции и их удаление с поверхности.

Лимитирующей стадией процесса предполагается диссоциативная адсорбция трихлорсилана (реакция 3).

При переходе в высокотемпературную область энергия активации резко уменьшается и наблюдается зависимость скорости процесса от газодинамических условий в системе. Эти факторы свидетельствуют о возрастающем влиянии на суммарную скорость реакции диффузионных процессов. Учитывая зависимость микромеханизма кристаллизации АЭС кремния от температуры, следует также выделить две области протекания процесса – низко- и высокотемпературную.

В низкотемпературном диапазоне механизм роста эпитаксиальных слоев соответствует схеме пар  АЭС кремния. Эпитаксиальные слои, полученные в этой области, имеют довольно грубый и неровный рельеф поверхности, скорость эпитаксии в значительной мере зависит от локальных свойств поверхности подложки.

С увеличением температуры процесса эпитаксии ход кривой Аррениуса имеет ярко выраженный перегиб для АЭС кремния, легированных фосфором и мышьяком при температуре соответственно 1404 и 1346 К; для АЭС кремния, легированных бором, ход кривой Аррениуса с повышением температуры плавно изменяется, проходя через максимум при температуре 1543 К.

Зависимость скорости роста от концентрации SiCl₄ в ПГС имеет вид кривой с ярко выраженным максимумом в области концентраций, различных при разных температурах (от 0,3 до 3–4 мол% при температурах 1173 и 1391 К.

Скорость роста описывается следующим уравнением:

v = p(SiCl₄)^0,5[K₂Z^0,5 – K₃(1–Z)^0,5] (6)

Первый член этого уравнения – p(SiCl₄)^0,5[K₂Z^0,5 – определяет скорость лимитирующей стадии процесса – диссоциативной адсорбции трихлорсилана, где p(SiCl₄)^0,5 – парциальное давление трихлорсилана; Z – степень превращения тетрахлорида кремния в трихлорсилан.

Второй член уравнения – K₃(1–Z)^0,5 – определяет скорость протекания конкурирующей реакции травления эпитаксиальной пленки тетрахлоридом кремния.