.

Методы получения эпитаксиальных слоев кремния

 В зависимости от состояния вещества атомов полупроводника и примеси для получения пленки различают эпитаксию из газовой, жидкой, твердой фаз.

  • Эпитаксия из твердой фазы пока не получила широкого применения.
  • При эпитаксии из жидкой фазы можно проводить наращивание из расплавов элементов металлов, полупроводников их сплавов, а также из солевых расплавов и из жидких электролитов (арсенид и фосфит галлия).

Практический метод получения слоев – из газовой фазы. конденсация из пара при взаимодействии нагретой подложки с различными парогазовыми смесями (это основной метод) хлоридный метод наращивание при химическом взаимодействии нагретой подложки с газовой фазой Основной метод получения эпитаксиальных слоев кремния – хлоридный метод.

Монокристаллические пластины загружают в тигель и помещают в кварцевую трубу, процесс начинается с удаления тонких слоев окисла на поверхности монокристаллических пластин, которые образуются в период хранения и транспортировки пластин. С этой целью поверхность обрабатывается водородом при высокой температуре, при этом происходит восстановление кремния из окисла. Затем хлоридным водородом стравливают наружный слой. Наращивание пленки начинается с момента подачи в реактор потока водорода, содержащего небольшую примесь SiCl4 + H2.  SiCl4 + H2 → Si ↓ + 4 HCl ↑ При высокой температуре, которая обеспечивается высоким нагревом, на поверхности происходит реакция. На подложке осаждается слой чистого кремния. А пары HCl уносятся потоком водорода. Скорость роста эпитаксиальной пленки чувствительна к температуре исходной концентрации. Для получения легированных эпитаксиальных слоев кремния n- или p-типа, в паразитирующую смесь вводят легирующие добавки. Атомно-легирующие примеси образуются в результате реакции восстановления хлорида примеси водородом. 2 PCl3 + 3 H2 = 2 P + 6 HCl 2 BCl3 + 3 H2 = 2 B + 6 HCl Степень легирования (концентрация) примеси в пленке зависит от соотношения PCl3, BCl3, SiCl4.

Хлоридный метод При выращивании эпитаксиальных слоев кремния этим методом над кремниевыми подложками пропускается  водорода, содержащего пары тетрахлорида кремния. Процесс осаждения кремния на подложку может идти при сравнительно низких температурах, но для того, чтобы растущий слой представлял собой монокристалл, попадающие на поверхность атомы кремния должны обладать высокой подвижностью. Достаточно совершенный монокристаллический слой, не содержащий структурных дефектʙ, может быть выращен, если температура процесса состав-ляет не менее 1150 - 1250 С. Если несущий газ содержит пары HCl, то может происходить не рост, а газо-вое травление кремния. Травление кремния тетрахлоридом идет в соответствии с реакцией. В результате, если концентра-ция SiCl4 слишком высока, травле-ние будет происходить и в отсутст-вие HCl в несущем газе . Вначале с увеличением концентра-ции SiCl4 скорость осаждения растет. Важно понимать - для температуры 1170 С при молярной концентрации SiCl4, равной 0,1, скорость роста максимальна, затем она снижается, и при концентрации около 0,27 - 0,28 начинается травление.Пары SiCl4 вводят в основной  водорода, пропуская часть водорода через жидкий SiCl4, находящийся при низкой (0 - 30 С) температуре. Текст с сайта Биг Реферат РУ Концентрация тетрахлорида кремния зависит от скорости  и давления паров SiCl4. Восстановление SiCl4 водородом происходит в два этапа: SiCl4 + H2  SiCl2 + 2HСl; 2SiCl2  Si + SiCl4. Первый этап реакции идет в газовой фазе, а второй этап возможен только при наличии третьего тела, способного поглотить выделяющуюся энергию, и происходит только на поверхности подложки. Скорость роста зависит от ориентации подложки, наименьшая скорость наблюдается на поверхности . При проведении процесса выращивания эпитаксиальных слоев большое значение имеет подготʙка подложек. После механической и химической обработки подложки наращиваемые слои оказываются недостаточно совершенны. По этой причине непосредственно в эпитаксиальной камере проводят дополнительную обработку поверхности подложки: сначала предварительный прогрев в водороде для удаления следов окис-ла, а затем травление в парах обезвоженного хлористого водорода. Скорость травления механически полированных пластин кремния линейно зависит от концентрации HCl при содержании его более 2 об.%  и не зависит от степени легирования пластин и ка-чества исходной обработки их по-верхности. Если концентрация HCl превышает значения, ограниченные кривой, то происходит селективное травление кремния, причем полиро-ванная поверхность покрывается ямками травления. В процессе выращивания эпи-таксиальных слоев можно осуществлять их легирование. При этом атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку растущей пленки. Соотношение атомов примеси и атомов кремния в газовой фазе регулируют таким образом, чтобы выращенный слой содержал заданное количество примеси. Изменяя тип примеси и ее концентрацию, можно в широких пределах изменять электрические свойства эпитаксиальных слоев. Обычно используют два метода легирования:

  • 1) легирование из раствора (для получения пленок n-типа с0,1 Омсм). С этой целью к жидкому SiCl4 добавляют летучие примеси PCl5 и SbCl5, которые испаряются вместе с SiCl4 и поступают в реактор. Недостатком этого метода является необходимость приготʙления специального раствора для каждой степени легирования;
  • 2) газовое легирование, являющееся более практичным. При этом примесь вводится в реактор отдельным газовым ком

. В качестве донорных примесей используется фосфин (PH3) или арсин (AsH3), а в качестве акцепторной примеси - диборан (B2H6). Эти газы разбавляют водородом и вводят в реакционную камеру. Используя такой метод, удается выращивать эпитаксиальные слои n- и p-типа с концентрацией примеси 51014 - 1021 см3. К достоинствам хлоридного метода следует отнести возможность получения достаточно совершенных слоев и относительную простоту оборудования. Недостатки - значительная диффузия примесей из подложки в слой и довольно высокая степень автолегирования. Диффузия обусловлена высокой температурой процессов; для ее уменьшения в качестве легирующей примеси в подложке выбирают элемент с наименьшим коэффициентом диффузии (в случае подложек n-типа не фосфор, а мышьяк или сурьму). Ограничением метода в ряде случаев является трудность получения достаточно чистого SiCl4. Можно использовать восстановление трихлорсилана (SiHСl3) водородом - метод, близкий к хлоридному методу.  Зависимость скорости роста от параметров процесса аналогична той, которая имеет место при восстановлении SiCl4, а энергия активации равна 0,96 эВ.Обычно считают, что при восстановлении трихлорсилана водородом кинетика реакции проще, чем в тетрахлоридном процессе, а качество получаемых слоев кремния примерно одинаково.