Эпитаксия из газообразной фазы – основы материаловедения

May 24, 2013 by admin Комментировать »

Процессы, происходящие при выращивании эпитаксиальных пленок методом газовой эпитаксии с помощью химических реакций, по существу, уже обсуждались при описании выращивания монокристаллов из газовой фазы (см. гл. 6). Рассматривались 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. Для достижения стационарного процесса роста образующиеся в результате химических реакций газы необходимо непрерывно удалять, для чего всегда целесообразно использовать проточные системы.

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. В этом методе принципиальна обратимость химических реакций в отличие от первого.

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. Для каждого материала или группы схожих материалов подбираются такой тип реакций и такие условия конденсации, которые обеспечили бы наилучшие структурные и электрические параметры выращиваемых эпитаксиальных пленок. Рассмотрим примеры выращивания эпитаксиальных пленок этими способами.

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 выполняет 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. 9.8. 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. Поток водорода регулируется краном К1, который пропускает водород непосредственно в реакционную камеру, чтобы обеспечить требуемое молярное соотношение SiCl4/H2 = 1:20 – 1:50, и краном К2, направляющим водород в термостатированный испаритель, содержащий SiCl4 (для насыщения H2 парами SiCl4 ). Было установлено, что количество выделяющегося кремния при фиксированной температуре конденсации может быть заметно увеличено, если в газовую фазу дополнительно ввести молекулы HCl. Поэтому в систему включен кран K3, через который вводится обезвоженный HCl. Кремниевые подложки вырезают из монокристаллов с высоким структурным совершенством в определенном кристаллографическом направлении (как правило, перпендикулярно направлению роста <111>) и перед помещением их в реакционную камеру предварительно обрабатывают (механическая и химическая полировка). Осаждение ведут обычно при температуре подложек 1200–1290◦C. Были опробованы различные методы нагрева подложек, однако в подавляющем большинстве вариантов промышленных установок используют высокочастотный нагрев. Благодаря локализованному нагреву в этом случае осаждение кремния на стенках камеры сводится к минимуму. Таким образом, подложки нагреваются излучением и посредством теплопроводности от нагревателя, питаемого индукционными токами. При этом идут основная реакция осаждения реакции

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl,                           (9.9)

SiCl4 + H2 = SiHCl3 + HCl,  SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl       (9.10)

и конкурирующая реакция травления

SiCl4 + Si = 2SiCl2 .                                (9.11)

Рис. 9.8. 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.

Кроме того, в системе протекает ряд  других  реакций,  определяемых возможными равновесиями в системе Si–H–Cl.  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).

Технология получения эпитаксиальных пленок Ge вполне аналогична описанной технологии выращивания пленок Si как с точки зрения используемого оборудования, так и самой сущности процесса.

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. Реагентами-переносчиками могут служить I2,   Se,   Te,   H2, пары воды и

Рис. 9.9. 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).

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

GeI4 = Ge + 2I2 ,  2GeI2 = Ge + GeI4 .                (9.12)

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. 9.9). 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. В замкнутой системе перенос Ge в составе летучего соединения из области, находящейся при высокой температуре, в более холодную область осуществляется диффузионным образом (молекулярная и (или) конвективная диффузия). 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 при температуре 300–400◦C. 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. Направление реакции сильно зависит от давления паров йода. Так, при низких давлениях преобладает реакция травления (Si + 2I2 → SiI4) и кремний переносится из холодной зоны в горячую.

При более высоких давлениях I2 (выше 60–100 мм рт. ст.) перенос Si идет из горячей зоны в холодную.

Метод газотранспортных реакций может быть использован для получения эпитаксиальных пленок и в проточных системах. Например, пленки GaAs, обладающие хорошими электрофизическими свойствами, получаются в проточных системах. В качестве исходных материалов используются следующие реагенты: AsCl3, Ga. Процесс проводится в установке, изображенной на рис. 9.10. Исходный Ga и подложки помещают в кварцевую трубу (реактор), которая расположена в двухзонной печи. В реактор подается смесь водорода и паров AsCl3. Для дозировки соотношения AsCl3/H2 поток водорода разделяют на две «нити»: по одной дозированное количество H2 подается непосредственно в реактор, а по другой — водород сначала проходит через испаритель, содержащий AsCl3, насыщается его парами, а затем смешивается с основным потоком H2 . Паро-газовая смесь, попадая в реактор, нагретый до температуры T1 = 800–850◦C, подвергается реакции

2AsCl3 + 3H2 → 6HCl + 2As.                         (9.14)

Образующийся хлористый водород реагирует с Ga, находящимся в лодочке,

2Ga + 2HCl → 2GaCl + H2.                        (9.15)

Пары мышьяка полностью поглощаются расплавленным галлием, находящимся в лодочке в зоне с температурой T1 = 800–850◦C, до тех пор, пока не образуется насыщенный раствор As в Ga. Газообразный GaCl переносится в более холодную часть камеры (T2 = 750–800◦C) и частично диссоциирует по реакции

3GaCl → 2Ga + GaCl3.                              (9.16)

После того, как образовался насыщенный раствор As в Ga (2.3% мышьяка), свободный мышьяк переносится вместе с GaCl и во второй зоне происходят реакции

6GaCl + As4 → 4GaAs + 2GaCl3 , 4GaCl + As4 + 2H2 → 4GaAs + 4HCl. (9.17)

Рис. 9.10. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок GaAs методом газотранспортных реакций в проточной системе: 1 — водород; 2 — блок тонкой очистки водорода; 3 — игольчатые натекатели; 4 — расходомеры; 5 — испаритель с AsCl3 ; 6 — расплав галлия; 7 — подложки.

В качестве подложек используют пластины с ориентацией <110>, вырезанные из монокристаллических слитков полуизолирующего GaAs (который получается введением глубоких примесей Cr и O).

Все рассмотренные методы эпитаксиального наращивания используются и для получения гетероэпитаксиальных слоев.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты