Эпитаксиальные методы

Лекция №11

Слово эпитаксия состоит из двух греческих слов: «эпи» — «над» и «таксис» — «упорядочивание». Поэтому термин эпитаксия означает наращивание одинаково кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические же 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 монокристаллического слоя на подложку из того же вещества, что и слой. Например, наращивание эпитаксиального слоя кремния на подложку (объемный кристалл) из кремния.

Гетероэпитаксия – это наращивание слоя на инородную подложку. Например, наращивание эпитаксиального слоя теллурида свинца на монокристаллическую подложку фторида бария. При этом для обеспечения роста монокристаллического слоя кристаллические решетки слоя и подложки должны быть подобны, а параметры решеток близки. Считается, что расхождение в параметрах кристаллической решетки не должно превышать 7÷15%.

Методы эпитаксиального выращивания монокристаллических слоев получили широкое распространение в технологии полупроводниковых приборов только тогда, когда научились получать слои заданного состава, обладающие параметрами, близкими к параметрам объемных кристаллов. Можно сказать, что научно-технический прогресс в области микроминиатюризации интегральных схем в значительной мере обязан внедрению в производство методов эпитаксиальной кристаллизации. При создании p-n перехода методом диффузии примесей в кристалл неизбежно по обе стороны от перехода располагаются довольно широкие области сильно скомпенсированного материала.

Замена создания многослойных структур на базе объемных кристаллов эпитаксиальными слоями позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность технологических процессов их получения, снизить себестоимость.

К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующие преимущества:

· эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев осуществляется, как правило, при температурах более низких, чем температуры получения объемных монокристаллов. При этом упрощается контроль за процессом кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств. Понижение температуры роста сопровождается замедлением диффузии примесей (в том числе и загрязняющих). В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых приборов;

· эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических слоев непосредственно в процессе их выращивания. При этом обеспечивается однородное распределение легирующих элементов в слоях, что дает возможность выращивать резкие p-n переходы со скачкообразно меняющейся концентрацией примесей. Возможность выращивания эпитаксиальных структур с резкими p-n переходами предоставляет разработчику приборов изменять профиль легирования в изготовляемом полупроводниковом приборе в гораздо более широких пределах, чем это возможно при использовании диффузии или ионной имплантации.

Использование эпитаксиальных слоев в электронной промышленности позволило:

· существенно улучшить характеристики туннельных и лазерных диодов;

· разработать технологию получения транзисторов с высоким коэффициентом усиления на высоких частотах,

· разработать технологию получения мощных и высоковольтных транзисторов;

· создание планарных полевых транзисторов, выполненных на структуре металл–окисел–полупроводник с изоляцией V-образными канавками (V-МОП).

Поскольку эпитаксия позволяет получить многослойные структуры со свойствами каждого слоя, практически не зависящими от свойств предыдущего слоя открываются широкие перспективы для разработки качественно новых типов электронных приборов, изготовить которые другими методами затруднено или невозможно, например, инжекционных лазеров на основе двойной гетероструктуры.

Процессы подразделяются по характеру фазы, из которой происходит кристаллизация, и, соответственно – это жидкофазная и газофазная эпитаксия.

При проведении эпитаксиального процесса особое внимание уделяется подготовке подложки. Для нее используется монокристаллические пластины, ориентированные с высокой точностью в заданном наиболее плотно упакованном кристаллографическом направлении. Точность ориентации подложки в выбранном направлении не превышает одной угловой минуты. Подложка должна быть гладкой и атомарно-чистой. Для этого ее подвергают последовательным операциям механической, химико-механической и химической полировке до 14-го класса чистоты.

Очень важно удалить нарушенный и загрязненный слой, возникающий в процессе обработки кристалла, поэтому финишные операции очистки поверхности обычно проводят непосредственно в рабочей камере технологической установки. Для удаления сорбированных на поверхности посторонних атомов и тончайших оксидных пленок подложки подвергают вакуумной термообработке, плазмохимическому и ионному травлению.

При гетероэпитаксии возникают проблемы с несовпадением периодов кристаллической решетки и коэффициентов термического расширения сопрягаемых материалов. Как было сказано выше, при гетероэпитаксии монокристаллический рост слоя возможен, если периоды кристаллической решетки сопрягаемых материалов различаются не более чем на 15%. Однако, уже при несовпадении периодов на сотые доли процента в эпитаксиальном слое начинается интенсивная генерация дислокаций несоответствия. На первых этапах гетероэпитаксии образуется так называемый псевдоаморфный слой – упругодеформированный слой, напряжения в котором еще не превышают величины критического напряжения образования дислокаций. По мере утолщения слоя в нем накапливаются упругие напряжения, приводящие к пластической деформации структуры с образованием дислокаций. Для уменьшения плотности дислокаций технологи вынуждены предпринимать специальные меры.

При выборе технологического метода и режима эпитаксиального наращивания необходимо учитывать следующие требования:

· на границе «подложка-слой» или между смежными слоями не должны генерироваться дополнительные структурные дефекты, поскольку эта граница в большинстве случаев является рабочей для полупроводникового прибора;

· наращиваемый слой не должен изменять свойства других слоев, создаваемых в многослойной структуре;

· границы между подложкой и слоем или между смежными слоями должны быть планарными для строго соблюдения заданной толщины слоя;

· желательно, чтобы поверхность слоев была зеркально-гладкой, чтобы обеспечить заданное распределение легирующих примесей по толщине и площади эпитаксиального слоя.

Следует отметить, что возможность прецизионного управления процессом роста и контроля качества получаемых структур, позволила совершить качественный скачок в развитии физики полупроводников. Так если основными объектами исследования лет 30 назад были монокристаллы, а лет 15 назад – эпитаксиальные слои, полученные в основном методами жидкофазной эпитаксии, то сейчас – это интенсивная разработка газофазных эпитаксиальных технологий получения сверх тонких слоев для многослойных гетероструктур, сверхрешеток и структур с квантовыми нитями и точками.

Дата добавления: 2014-01-07