Епітаксійні плівки кремнію на кристалах інших речовин

 

Кремній на ізоляторі (КНІ) – технологія виготовлення напівпровідникових приладів, яка базується на використанні тришарової підкладки зі структурою кремній-діелектрик-кремній замість монолітних кремнієвих пластин, які звичайно використовуються. Дана технологія дозволяє досягти істотного підвищення швидкодії мікроелектронних схем при одночасному зниженні потужності і габаритних розмірів. Так, наприклад, максимальна частота перемикання транзисторів, виконаних за технологічним процесом 130 нм, може досягати 200 ГГц. У перспективі, при переході до технологічних процесів з меншим розміром активних елементів (вже існує 22 нм, або тільки розробляється зараз 10 нм), можливе ще більше підвищення цього показника [5, 6].

Рис. 3. 1. Схема КНІ-підкладки [5]

 

Підкладка, виготовлена за технологією «кремній на ізоляторі», являє собою тришаровий пакет, який складається з монолітної кремнієвої пластини, діелектрика і розміщеного на ньому тонкого поверхневого шару кремнію. В якості діелектрика може виступати діоксид кремнію SiO2 або, набагато рідше, сапфір (в цьому випадку технологія називається «кремній на сапфірі» або КНС). Подальше виробництво напівпровідникових приладів з використанням отриманої підкладки за своєю суттю практично нічим не відрізняється від класичної технології, де в якості підкладки використовується монолітна кремнієва пластина [5, 6].

В першу чергу технологія КНІ застосовується в цифрових інтегральних схемах (зокрема, в мікропроцесорах), більша частина яких в даний час виготовляється з використанням КМОП (комплементарної логіки на МОП-транзисторах). При побудові схеми за даною технологією велика частина спожитої потужності витрачається на заряд паразитної ємності ізолюючого переходу в момент перемикання транзистора з одного стану в інший, а час, за який відбувається цей заряд, визначає загальну швидкодію схеми. Основна перевага технології КНІ полягає в тому, що за рахунок тонкого поверхневого шару та ізоляції транзистора від кремнієвої основи вдається багаторазово знизити паразитну ємність, а, отже, і знизити час її зарядки разом зі спожитою потужністю. Інша перевага технології КНІ – радіаційна стійкість до іонізуючих випромінювань. Тому така технологія широко використовується для аерокосмічного і військового електронного обладнання. Недолік технології КНІ – велика вартість [6, 7, 8].

 

Кремній на сапфірі

 

Монокристалічні плівки кремнію великої площі на кристалі сапфіра (Al₂O₃) з високою адгезією отримали Манасевіт і Сімпсон. SiCl₄ або SiHCl₃ відновлювали воднем, або термічно розкладали силан.

Перед осадженням поверхню сапфіра обробляють воднем при високих температурах. Обробка у водні при температурі 1260 ^оС повинна продовжуватися не більше 2 годин, оскільки відбувається травлення сапфіра. Якість полірування поверхні повинна бути максимальною, оскільки від неї залежить якість шарів, що ростуть [9].

Хімічне травлення сапфіру здійснюють в наступних реакціях:

- фосфорна кислота (t=400-500 ^оС);

- фтористий свинець (t=850 ^оС);

- боракс (N₂B₄O₇) (t=1000 ^оС).

Всі ці реакції видаляють деформований шар при шліфуванні. Після травлення фосфорною кислотою, ями травлення та подряпини на поверхні відсутні, але виникає хвилястість, швидкість травлення при цьому складно регулювати. В другому випадку травлення протікає швидко, але виникають нерівності. Найбільш досконалу поверхню дає обробка бораксом, однак при цьому виникає шар травника, який складно видалити, і плівка кремнію виявляється не якісною.

При відновленні трихлорсилану швидкість росту, яка лежить в межах 0,2-2,5 мк/хв, не впливає на якість плівок. З підвищенням температури росту від 1000 до 1200 ^оС плівки стають більш якісними, але при подальшому нагріванні рефлекси на рентгенограмах від цих плівок розмиваються і при температурах вище 1300 ^оС утворюється полікристалічний шар [9, 10].

Ріст кремнію на сапфірі в звичайних умовах проходить шляхом виникнення та подальшої коалісценції трьохвимірних зародків.

При t_n=1100 ^оС та 1250 ^оС (C_SiCl4=2 мол. %) кристали кремнію, які виросли на поверхні сапфіра із зародків, мають неправильну форму. На електронограмі, яка відповідає початковій стадії росту, спостерігаються кільцеві рефлекси.

При t_n=1200 ^оС (C_SiCl4=2 мол. %) частинки мають чітко виражену форму країв у вигляді трикутника або шестикутника та мають орієнтування відносно підкладки (111) [1`10] Si úú (0001) [11`20] Al₂O₃. При t_n=1300 ^оС відбувається травлення підкладки з утворенням ям [9].

При використанні реакцій відновлення SiCl₄ (SiHCl₃) або розкладення SiH₄ для утворення та росту зародків кремнію на сапфірі є певні відмінності в утворенні зародків. По-перше, при піролізі силану швидкість утворення та щільність зародків значно вища. По-друге, при відновленні SiCl₄ кристали мають огранування. По-третє, при осадженні із SiCl₄ час, який потрібний для утворення суцільної плівки, на порядок вищий.

Щільність дислокацій на монокристалічних плівках кремнію на сапфірі виявляється високою (~2 ´ 10⁸ см^-2). Це пояснюється низькою якістю кристалів-підкладок з густиною дислокацій 10⁵-10⁶ см^-2, а також деформацією плівок внаслідок неоднакового теплового розширення кремнію та сапфірі. Залишкові напруги, які виникають в плівках кремнію з цієї причини, приблизно дорівнюють 10¹⁰ дин/см² [9].

Для легування кремнієвих підкладок кремній осаджували на гранях (0001) та (1`102) сапфіра по методу піролізу силану. При розкладанні силану без спеціального легування утворюються плівки з p-провідністю, опором від 1 до 100 Ом´см т рухливістю носіїв 50-250 см²/В´с. Плівки з високим опором ростуть при низьких температурах або при меншому часу попереднього відпалювання підкладки у водні. Плівки з n-провідністю осаджуються при легуванні силану фосфіном. Для встановлення механізму легування окремі зразки піддаються додатковій термічній обробці в умовах, які виключають їх забруднення. На рис. 3. 2 показані типічні профілі розподілення легуючого елементу в шарі.

 

Рис. 3.2. Профілі розподілу домішок за товщиною кремнієвої плівки, осадженої на сапфірі [9]

 

Криві 1 та 2, які відносяться до двох зразків кремнію, осадженому на сапфірі при 1160 ^оС без додаткової термічної обробки, характеризують розподілення легуючої домішки внаслідок автолегування. Крива 3 відноситься до зразка, приготовленого наступним чином: шар кремнію товщиною 7 мк вирощується при 1160 ^оС, відпалюється 30 хв у водні при 1325 ^оС і потім повторно осаджується кремній при 1160 ^оС (h=23 мк). Четвертий зразок (плівку товщиною 14 мк) після осадження при 1160 ^оС відпалюється 30 хв при 1375 ^оС. Початковий рівень легування – 10¹⁷ см^-3 [9, 10].

 

3.2. Гетероепітаксійні системи Ge_1-x-Si_x

 

Орієнтована кристалізація кремнію на германії при відновленні SiCl₄ відбувається у вузькому інтервалі температур. При t_n=900 ^оС германій покривається полікристалічним шаром кремнію і лише при температурі підкладки, близької до точки плавлення германію, кремній утворює на площині (111) суцільний орієнтований шар. Плівки кремнію та германію мають n-провідність [9].

Джерело кремнію знаходиться при температурі 1100 ^оС, а германієва підкладка – при 900 ^оС. Епітаксійні шари осаджують на підкладках з орієнтацією (111) та (100).

Вивчення структури кремнієвих шарів свідчить про їх низьку досконалість. Крім чисельних мікродефектів в самому осаді, під плівкою було знайдено кавітаційний шар, який містить великі порожнини. Його товщина росте зі збільшенням тривалості процесу. Цей шар виникає внаслідок дифузії германію в епітаксійну плівку кремнію. Після 64-годинного осадження германієву підкладку товщиною 1 мм розрізнити вже не вдається. За допомогою рентгенівського мікроаналізу було досліджено розподілення германію по товщині шару кремнію, що росте (рис. 13). Бачимо, що градієнт концентрації германію збільшується зі зниженням температури росту. Плівки монокристалічні по всій товщині, причому вимірювання періодів решітки твердих розчинів, що утворюються, узгоджуються з результатами мікроаналізу [9, 10].

При високій температурі германієвої підкладки за присутності парів йоду поряд з осадженням кремнію відбувається травлення германію.

Орієнтований ріст кремнію на підкладках із германію з орієнтацією (111) спостерігається до 650 ^оС. При більш низьких температурах швидкість росту значно знижується (рис. 13) причому кремній асаджується в основному на стінках ампули при температурі близько 800 ^оС. Орієнтований ріст на підкладках з орієнтацією (100) проходить лише при t_n>800 ^оС.

Для дослідження механізму потрапляння германію в кремнієві шари був вивчений вплив подальшого довготривалого відпалювання шарів (600 год при 918 ^оС) на характер розподілення германію в плівці. Виявилося, що відпал не супроводжується помітною дифузією. Германій переноситься в шар не дифузійним шляхом, а через пори в підшарі внаслідок реакції з йодом в газовій фазі [9, 10, 11].

 

Рис. 3.3. Залежність концентрації германію від товщини епітаксійної кремнієвої плівки [9]

 

В останні кілька десятиліть значна увага приділяється дослідженню властивостей та методів вирощування епітаксійних шарів Ge_1-x-Si_x[9, 11]. Надзвичайний інтерес до таких структур обумовлений багатьма причинами. Одна із них полягає в тому, що можна змінювати фізичні властивості таких структур в заданому напрямку не вдаючись до додаткового легування, а лише змінюючи відносну концентрацію германію в епітаксійному шарі. Така зміна концентрації германію впливає, наприклад, на прозорість структур в оптичному спектрі, що є важливим для технології виготовлення сонячних елементів. Змінюючи неперервно вміст германію в гетероструктурі, можна приготувати великий спектр переходів з практично будь-якими властивостями, що є надзвичайно важливим у виробництві мікроелектронних приладів. Привабливість таких структур пояснюється ще й тим, що гратки германію та кремнію мають однаковий структурний тип і лише незначно відрізняються періодами трансляцій, що робить можливим вирощування псевдоморфних перехідних шарів без таких дефектів, як двійники або включення іншої фази. Варто відзначити також і відносну дешевизну таких структур в порівнянні з двокомпонентними шарами на базі елементів In, Cd, Te [12, 13].

Таким чином, привабливість епітаксійних структур Ge_1-x-Si_x ви-значається наступними факторами: широким спектром використання (завдяки можливості регулювати оптичними, електричними та магнітними властивостями без легування), високою технологічністю (подібність структури граток вихідних компонентів, доступністю і незначною собівартістю вихідних матеріалів.

Існує декілька широковживаних методів вирощування псевдоморфних шарів Ge_1-x-Si_x, які умовно поділяються наступним чином:

— метод низькотемпературного осадження з рідинної фази;

— метод низькотемпературного осадження з газової фази;

— метод молекулярнопучкової епітаксії.

Розглянемо коротко деякі з таких методів. Метод лазерного роз-пилення передбачає наявність установки високого вакууму ∼10^-7 Toрр, оскільки дифузія практично всіх елементів, які містяться в атмосфері, сильно змінює властивості перехідного шару, а поверхневі дефекти, що утворюються, сильно впливають на ріст наступних шарів, практично повторюючись в кожному наступному шарі [14]. При цьому вихідна кремнієва підкладинка попередньо шліфується, очищується і обезжирюється. Для запобігання утворенню термічних напруг вона попередньо підігрівається до температури, приблизно рівної температурі розплавленого германію. Режим сканування та потужність лазера підбираються таким чином, щоб запобігти острівковому росту епітаксійного шару.

Метод іонного розпилення вимагає значних енергетичних затрат. Це пов’язано з нагріванням підкладки і мішені та з прикладенням поля, необхідного для розгону іонів. Крім того, заряджені іони можуть утворювати неконтрольовані комплекси із точкових дефектів. Даним методом вдалося виростити плівки товщиною від 10 Å до 3 мкм. Швидкість росту плівок становить ∼7 Å/с при іонному розпиленні і ∼50 Å/с при термічному випаровуванні.

Найбільш енергетично привабливим серед даних методів є метод хімічного осадження, оскільки не вимагає нагрівання і розплавлення вихідних компонентів. Але цей метод не дозволяє контролювати дифузію чужорідних домішок в перехідні шари, які обов’язково присутні у вихідних хімічних сполуках. Наприклад, часто спостерігається утворення сполук іншої фази на основі кремнію та вуглецю, що веде до порушення псевдоморфізму структури [15, 16, 17].

 

 

РОЗДІЛ 4