Способи проведення епітаксії

 

Епітаксія істотно розширює функціональні можливості елементів, пристроїв електронної техніки. Епітаксія можлива з будь-якої фази: газової (газофазна епітаксія – ГФЕ), рідкої (рідинна або рідиннофазна епітаксія – РФЕ) і твердої (твердофазна епітаксія – ТФЕ). Найбільший розвиток отримали ГФЕ та РФЕ [1].

Методи ГФЕ поділяються на хімічні та фізичні. Процес хімічної ГФЕ полягає у вирощуванні плівки з газової фази, отриманої в результаті таких хімічних реакцій:

· відновлення хлоридів Si та Ge воднем (SiCl₄ + 2H₂ ↔ Si + H Cl↑ - хлоридний процес);

· піролітичне розташування моносилану (SiH₄ ↔ Si + 2H₂↑);

· диспропорціонування диіодидів і дихлоридів Si і Ge (2SiCl₂ ↔ SiCl₄ + Si);

Ці процеси здійснюються в реакторах (рис. 2); газова система забезпечує подавання в реакторну камеру газової суміші необхідного складу. Додаючи до газової суміші сполуки легуючих елементів (наприклад, AsCl₃, B₂H₆), вирощують епітаксійні шари n- або p- типу відповідно. Температура процесу коливається в межах 800-1300 °C.

До фізичних методів належать методи термічного осадження з молекулярних пучків у вакуумі, миттєвого випаровування, «гарячої стінки», а також методи катодного розпилення та осадження. За методом термічного осадження з молекулярних пучків речовина, що випаровується, нагрівається до необхідної температури у надвисокому вакуумі (<1,3 ´ 10^-8 Па), при цьому його атоми і молекули потрапляють на підкладку, де відбувається їх конденсація. Найдосконалішим є електронно-променевий спосіб нагрівання, тому такий метод отримав назву молекулярно-променевої епітаксії.

Цей метод допомагає в процесі осадження контролювати структуру і стан поверхні підкладок, регулюючи густину молекулярного потоку, тобто швидкість росту кристалів, забезпечувати можливість за допомогою маски виконувати локальну кристалізацію, отримувати чіткі міжшарові межі, вирощувати надтонкі (10-100 нм) епітаксійні шари напівпровідників, діелектриків і металів, створювати надрешітки, здійснювати багатошарову

а б

Рис. 1.1. Схема горизонтальної (а) та вертикальної (б) реакторних камер для епітаксії з газової фази хлоридним методом [1]: 1 – реакторна камер; 2 – нагрівач; 3 – підставка для підкладок; 4 – підкладка

 

забудову решітки. Метод миттєвого випаровування є найближчим до методу осадження з молекулярних пучків і полягає в тому, що вихідна речовина безперервно і рівномірно потрапляє у випарник, між ним і складом газової фази підтримується термодинамічна рівновага [1, 3].

Метод катодного розпилення відрізняється від термічних методів тим, що вихідною речовиною є речовина твердого тіла, яка нагрівається. Процес відбувається у середовищі інертного газу при тисках 0,133-13,3 Па, за нижчої, ніж в методах термічного випаровування, епітаксійної температури.

Суть методу РФЕ полягає в кристалізації розчину з розплаву та розрізняється залежно від способу видалення розчину з поверхні плівки (рис. 1. 2).

РФЕ можна вести при відносно невисоких температурах (400-500 ^оС). Вона дає змогу отримати багатошарові епітаксійні структури і плівки певної конфігурації (за допомогою маски SiO₂) [1].

а б

Рис. 1.2. Схема пристроїв для рідкофазної епітаксії зі зливом розчину з поверхні плівки (а) та вимушеним видаленням розчину (б) [1]: 1 - підкладка;

2 - контейнер; 3 - піч опору; 4 - кварцова ампула; 5 - термопара; 6 - 9 розчини; 10 - повзунок касети

 

Методи ТФЕ полягають в проведенні орієнтованого росту епітаксійних шарів у двошарових і тришарових системах при ізотермічному відпалюванні. Один з шарів – монокристалічна підкладка, інші – аморфні та полікристалічні шари напівпровідників і металів. Для збереження розташованих у підкладці приладних структур застосовують імпульсну термічну обробку [4].

 

Епітаксія з газової фази

 

Атоми напівпровідника переносяться в складі хімічної сполуки, яка дисоціює на підкладці. При цьому відбувається перенесення реагентів до поверхні кристалічної підкладки, адсорбція та реакція реагентів на поверхні, десорбція продуктів реакції, перенесення продуктів реакції з кристала до основного потоку і впорядкування кристалізації адсорбованих атомів кремнію у гратці. Ріст достатньо товстих досконалих монокристалічних шарів ускладнюється, утвореними дефектами росту [1].

Газофазні процеси здійснюються в установках з горизонтальними або вертикальними водоохолоджуваними кварцовими реакторами, а як метод нагрівання найчастіше використовують індукційний. Форму підкладок, виготовлених із молібдену або графіту, ураховуючи необхідність отримання рівномірних покриттів на пластинах великої площі.

Процес епітаксійного нарощення проводять за температур 1300-1500 K у випадку газофазної епітаксії і 900-1000 К у випадку рідинної епітаксії [1].

Осадження при нормального тиску. Технології осадження з газової фази за нормального тиску застосовуються для епітаксійного нарощування кремнію, осадження плівок SiO₂, Si₃N₄, напівкристалічного кремнію тощо. Цей метод забезпечує достатню однорідність нанесених покриттів і може реалізуватись за низької температури. Для осадження плівок полікристалічного кремнію та нітриду кремнію використовуються установки вертикального та горизонтально типів з нормальним тиском.

Плазмове осадження. Метод плазмового осадження нітриду кремніюмає значні переваги над іншими методами. За рахунок регулювання величини потоку газу залежно від рівня ВЧ-потужності та умов розподілу можна одержати плівку з високою однорідністю на великій площі [1, 4].

В установці (рис. 1. 3) використовується система газів N₂+NH₄+SiH₄ і осаджується плівка складу Si_xH_yN_z (температура обробки 473-573 К, вакуум 0,26 ´ 10² Па, ВЧ-потужність 500 Вт, швидкість осадження плівки – 0,67 нм/с).

Сполукою, яку найчастіше використовують для осадження кремнію, є силан (SiH₄), який внаслідок високої температури осадження, малочутливий до окиснення, що призводить до виникнення поверхневих дефектів.

Розкладання силану на поверхні кремнієвої підкладки відбувається згідно з реакцією:

SiH_4(газ)→Si_(тв)+2H_2(газ) (1. 1)

 

Рис. 1.3. Конструкція установки плазмового осадження з газової фази конденсаторного типу [1]: 1- джерело ВЧ-потужності; 2 - вакуумний насос

 

Установки для епітаксійного вирощування тетрахлориду кремнію мають вертикальний або горизонтальний реактор. Перед осадженням пластини кремнію обробляють у потоці хлористого водню при температурі 1473 К для видалення залишкової поверхневої плівки SiO₂, потім у реактор подається водень, насичений парою тетрахлориду, і на пластині відбувається відновлення SiCl₄ до атомарного кремнію

SiCl₄+2H₂→Si+HCl (1. 2)

Швидкість росту плівки кремнію пропорційна до парціального тиску силану.

 

Рідкофазна епітаксія

 

Рідкофазна епітаксія полягає в нарощуванні монокристалічного шару з розплаву металу, насиченого напівпровідниковим матеріалом, який рекристалізується на поверхні підкладки. Розчинником може слугувати легкоплавкий компонент сполуки, що нарощується. Це знижує температуру кристалізації, підвищує чистоту нарощуваного шару та зменшує концентрацію вакансій. Для отримання епітаксійних шарів сполук А^ІІІ В^V використовують тільки монокристалічні підкладки [1].

На рис. 1. 4 наведена схема пристрою, який забезпечує одержання гетеропереходів (Ge-Si, GaAs-GaP) товщиною менше, ніж 1 мкм.

 

Рис. 1.4. Схема рідинної епітаксії [1]: 1 - електрична піч; 2 - кварцова труба; 3 - термопара; 4 - обмежувач; 5 - підкладка; 6 - основний графітовий тримач; 7 - графітовий ковзний тримач розчину; 8 - штовхач

 

Якщо епітаксія керується струмом (електроепітаксія), через граничний шар, який вирощують, пропускають електричний струм, температура системи підтримується постійною. Таким способом вирощують напівпровідникові шари InSb, GaAs, InP і шари гранатів.

Удосконалити реактори для рідинної епітаксії можна пропусканням струму через межу розчин-підкладка (рис. 1. 5), що супроводжується Пельтьє-нагріванням або Пельтьє-охолодженням, залежно від напрямку струму. Кінематика росту плівки залежить від товщини шару, утвореного на межі розчину [1, 4].

Рис. 1.5. Епітаксійне нарощування [1]: а - комірка для епітаксійного нарощування GaAs з розчинів Ga=As; б - залежність швидкості росту плівки GaAs з розчину Ga=As від зміни температури на межі; 1 - електроди; 2 - підкладка, GaAs; 3 - розчин Ga=As; 4 - ізолятор

 

 

РОЗДІЛ 2