1

10. Монокристаллические пленки. Эпитаксия. Особенности гетероэпитаксии.

Причины образования структурных дефектов. Жидкостная эпитаксия.

Термин эпитаксия означает наращивание кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические подложки или друг на друга.

Монокристаллическая подложка в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла. Можно выделить два вида эпитаксии: гомоэпитаксию (автоэпитаксию) и

гетероэпитаксию.Гомоэпитаксия — это наращивание монокристаллической пленки на подложку из того же вещества, что и пленка. Гетероэпитаксия — это наращивание пленки на инородную подложку.

Замена объемных кристаллов эпитаксиальными пленками позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность операций, снизить их себестоимость.

К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующее:

Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых пленок осуществляется, как правило, при температурах более низких, чем температуры получения объемных монокристаллов. При этом упрощается контроль над процессом кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств. Понижение температуры роста сопровождается замедлением диффузии примесей (в том числе и загрязняющих) в

процессе получения эпитаксиальных пленок. В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых материалов.

Эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических пленок непосредственно в процессе их выращивания,

обеспечивают однородное распределение легирующих элементов в пленках, дают возможность выращивать резкие p−n-переходы со скачкообразно меняющейся концентрацией. Применение эпитаксиальных слоев на подложке предоставляет разработчику приборов возможность изменения профиля легирования в изготовляемой

Так как величины упругой деформации сопрягаемых кристаллических решеток ограничены, то на поверхности раздела между псевдоморфным слоем и подложкой

(геометрия плоских сеток которых подобна, но межатомные расстояния разные) могут возникать дислокации несоответствия (рис. 16), которые компенсируют напряжения,

возникающие в двух кристаллических решетках из-за различия их периодов. Иными словами, решетки сопрягающихся кристаллов упруго деформируются таким образом,

чтобы частично (при большом несоответствии их периодов) или полностью (при малом несоответствии) ликвидировать геометрическое различие между ними на определенных участках поверхности, а оставшаяся доля несоответствия, выходящая за пределы упругой деформации, компенсируется возникновением дислокаций несоответствия. Плотность дислокаций несоответствия зависит от степени несоответствия периодов решеток срастающихся фаз: чем выше различие периодов решеток, тем больше плотность дислокаций несоответствия.

6.3. Причины образования структурных дефектов

Одной из важнейших практических задач при выращивании эпитаксиальных монокристаллических пленок является выяснение причин образования дефектов. Большая часть исследований посвящена изучению различных стадий роста эпитаксиальных пленок с целью нахождения способов, позволяющих снизить число дефектов в них.

Исследование структуры пленок в процессе их роста позволило определить основные источники дефектов в пленках. К ним относятся следующие:

1.Дефекты подложки. Пленка может наследовать дислокации подложки.

2.Дислокации несоответствия.

3.Малоугловые границы, образующиеся при срастании стабильных крупных зародышей,

имеющих различную ориентацию.

4. Дефекты упаковки, возникающие при срастании зародышей, и связанные с нарушением порядка чередования атомных плоскостей при слиянии стабильных зародышей по сравнению с ненарушенным монокристаллом. Дефекты упаковки могут возникать и в месте контакта зародыша и подложки.

5. Дислокации, возникающие из-за эффектов пластической деформации растущей пленки.

После коалесценции зародышей и образования сплошной пленки механизм возникновения дислокаций несоответствия перестает действовать. Вместе с тем с ростом толщины пленки в связи с уменьшением доли несоответствия, компенсируемой за счет упругой деформации, напряжение, при котором начинается пластическая деформация,

уменьшается, что ведет к возрастанию плотности дислокаций.

6.В случае сильно легированных подложек дефекты в эпитаксиальных слоях могут вызываться выделениями второй фазы в подложке.

7.Загрязнения поверхности подложки также могут приводить к образованию дефектов в эпитаксиальном слое.

6.4. Методы эпитаксии

Существует целый ряд методов получения эпитаксиальных монокристаллических пленок, из которого принято выделять следующие группы: 1) осаждение из жидких растворов (жидкостная эпитаксия); 2) конденсация из газовой фазы (газовая эпитаксия); 3)

конденсация из паровой фазы.

__________________________________________________________________

6.4.1. Жидкостная эпитаксия

Метод жидкостной эпитаксии по своей сути ничем не отличается от метода выращивания объемных монокристаллов из растворов. Основным преимуществом метода жидкостной эпитаксии является то, что рост эпитаксиальной пленки происходит при температурах более низких, чем температура плавления исходного вещества.

Практически метод жидкостной эпитаксии реализуется следующим образом (рис. 17). Подложка, например, Ge n-типа с ориентацией <111> закрепляется в верхней части наклонного графитового тигля, в нижней части которого находится раствор Ge в In.

Тигель нагревается до температуры 520◦C (раствор находится в перегретом состоянии),

тигель наклоняют так, чтобы раствор покрыл подложку. Далее начинается медленное охлаждение тигля, в процессе которого подложка Ge успевает частично раствориться (≈8

мкм) до установления равновесной концентрации Ge в растворе; при этом ликвидируются поверхностные нарушения подложки. Затем при фиксированной температуре происходит эпитаксиальное наращивание Ge на подложке с образованием пленки толщиной ≈25 мкм.

После осаждения при температуре 350◦C тигель возвращают в исходное положение,

извлекают из печи и остаток In удаляют с поверхности кристалла. При необходимости легирования примесь добавляют в раствор с учетом ее коэффициента разделения в условиях роста пленки. В качестве подложки для Ge оптимальными материалами служат сам Ge и GaAs, имеющий очень близкий параметр кристаллической решетки.

Рис. 17. Схема установки для выращивания эпитаксиальных пленок Ge методом жидкостной эпитаксии: 1 — герметичная камера; 2 — нагреватель; 3 — тигель; 4 —

расплав; 5 — растворяемое вещество; 6 — держатель; 7 — подложка.

11 Эпитаксия из газообразной фазы: метод химических реакций, метод газотранспортных реакций.

Эпитаксия из газообразной фазы

Два основных способа выращивания эпитаксиальных пленок из газовой фазы с помощью химических реакций: 1) метод диссоциации и восстановления газообразных химических соединений и 2) метод газотранспортных реакций.

Первый способ отличается от второго тем, что в нем источником материала для роста эпитаксиальной пленки служат легколетучие химические соединения, которые подвергаются термической диссоциации или восстановлению соответствующим газообразным восстановителем на поверхности подложки, то есть для роста эпитаксиальной пленки используются химические реакции, происходящие только на поверхности подложки. При этом поверхность подложки играет роль катализатора.

Каталитическая активность подложки зависит от строения поверхности

(кристаллографии) и наличия активных центров на ней. Выбираются такие химические реакции, продукты которых, за исключением кристаллизующегося вещества, являются газами и легко удаляются из зоны реакции в проточных системах.

Во втором методе в основе выращивания пленок из газовой фазы лежат обратимые химические реакции, то есть используется возможность изменения направления реакции в зависимости от температуры. В зоне источника химические реакции идут с образованием летучих химических соединений, содержащих кристаллизуемое вещество. Затем летучие соединения за счет конвекции переносятся в зону конденсации, где происходит обратная химическая реакция с выделением кристаллизуемого вещества.

Скорость роста эпитаксиального слоя определяется выходом химических реакций и поэтому зависит от концентрации взаимодействующих компонентов в газовой смеси,

давления в системе, скорости прохождения газовой смеси над подложкой, каталитической активности и температуры подложки. Эти параметры можно регулировать в процессе эпитаксиального наращивания.

Метод химических реакций

Метод химических реакций широко используется при выращивании эпитаксиальных пленок Si. Как правило, используются реакции восстановления галоидных соединений кремния (SiCl4, SiBr4, SiI4 и SiHCl3) водородом.

Наибольшее распространение получил метод восстановления SiCl4 водородом. При этом водород обычно играет роль и газа-носителя, и восстановителя. Преимуществом этого метода является возможность достаточно простой очистки исходных реагентов.

Процесс восстановления водородом осуществляется по схеме, изображенной на рис. 18.

Реакционную камеру изготовляют, как правило, из кварцевого стекла и охлаждают водой или воздухом, чтобы исключить реакцию восстановления газовой смеси на стенках камеры, ограничив ее протекание поверхностью нагретых подложек. Реакционная камера соединяется с основной газовой магистралью. Поступающие в камеру газы проходят над поверхностью подложек и удаляются через стеклянную трубку в водоохлаждаемую ловушку. Вся система в целом должна тщательно продуваться.

Осаждение ведут обычно при температуре подложек 1200–1290◦C. В подавляющем большинстве вариантов промышленных установок используют высокочастотный нагрев.

Благодаря локализованному нагреву в этом случае осаждение кремния на стенках камеры сводится к минимуму.

Идут основная реакция осаждения: SiCl4 +2H2 ↔ Si + 4HCl, (1)

Реакции: SiCl4 +H2 ↔ SiHCl3 + HCl, SiHCl3 +H2 _ Si + 3HCl (2)

и конкурирующая реакция травления: SiCl4 +Si ↔ 2SiCl2. (3)

Рис. 18. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок Si методом химических реакций: 1 — нагреватель; 2 — подложки; 3 — расходомеры; 4 — испаритель; 5 —

источник легирующей примеси; 6 — реакционная камера.

Разность скоростей осаждения и газового травления подложки определяет скорость роста эпитаксиального слоя, характерное значение которой составляет 60–300 мкм/ч.

Кроме того, скорость роста и качество получаемых эпитаксиальных пленок зависят от температуры подложки, относительной концентрации SiCl4/H2, скоростей газовых потоков, концентрации примесей, длительности процесса и геометрических характеристик системы.

Этим методом получают Si с удельным сопротивлением 1000Ом·см и плотностью дислокаций 102–103 см−2. Легирование эпитаксиальных пленок Si, получаемых восстановлением SiCl4, обычно осуществляется либо 1) непосредственным добавлением легирующей примеси в испаритель к жидкости SiCl4, либо 2) введением газообразных соединений примеси непосредственно в газовую фазу (PH3, SbCl3, AsCl3, BBr3 или BCl3).

Метод газотранспортных реакций

В процессе эпитаксиального роста с использованием обратимых химических реакций перенос вещества от источника к подложке осуществляется благодаря сдвигу равновесия используемой химической реакции в зонах источника и подложки, которые имеют разные температуры.

Рис. 19 а — Схема установки для получения эпитаксиальных пленок Ge методом газотранспортных реакций в закрытой системе; б — температурный профиль в реакционной камере в течение процесса роста (1 — источник вещества; 2 — реакционная камера; 3 — затравка; 4 — зона сброса; 5 — кварцевая ампула; 6 — эпитаксиальная пленка).

Например, получение пленок Ge с помощью этого метода основано на обратимых реакциях

GeI4 ↔ Ge + 2I2, 2GeI2 ↔ Ge + GeI4. (4)

При фиксированном полном количестве йода равновесие в этих реакциях смещается вправо при понижении температуры.

В рассматриваемом случае реакционная камера загружается затравкой и источником Ge, а затем откачивается. Далее в нее вводят пары I2 в количестве,

необходимом для создания оптимального давления. Затем реакционная камера запаивается и помещается в печь (рис. 19). Вначале температурный профиль в реакционной камере устанавливается таким образом, чтобы при 500–550◦C происходило травление материала источника и затравки, а Ge в составе летучего соединения

GeI4 удалялся и осаждался в зоне сброса, находящейся при температуре 300◦C. Затем газообразный продукт разложения I2 вновь диффузионным образом переносится в зону источника. Далее температурный профиль изменяется так, чтобы температура в области подложки резко падала до 300–400◦C. После этого начинается осаждение на подложку.

Скорость переноса, определяемая скоростью диффузии и давлением йода, зависит также от температуры источника и затравки.

Аналогичные процессы происходят при выращивании эпитаксиальных пленок Si

по реакциям

SiI4 ↔ Si + 2I2, 2SiI2 ↔ Si + SiI4. (9.13)

Характерные температуры для получения Si составляют Tист = 1150◦C и Tподл = 900–

950◦C.