Причина появления и преимущества технологии изготовления эпитаксиальных пленок

Эпитаксия - процесс выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Существует 2 вида эпитаксии:

• гомоэпитаксия (автоэпитаксия). Процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным, если материал слоя и подложки идентичен, например, кремний выращивают на кремнии.
• гетероэпитаксия. Процесс называют гетероэпитаксиальным, если материал слоя и подложки отличается (например, Al_xGa_1-x выращивается на GaAs).

Наращивание имеет следующие характерные особенности:

• процесс можно производить при температуре, меньшей температуры выращивания слитка монокристалла;
• концентрация примесей и их распределение варьируются в широком диапазоне;
• возможно получение эпитаксиального слоя с противоположным типом проводимости;
• получаемый эпитаксиальный слой содержит меньше дефектов, связанных с примесью кислорода и углерода по сравнению с подложкой;
• имеется возможность нанесения однородного по толщине тонкого эпитаксиального слоя на подложку большой площади;
• эпитаксиальный слой может быть локально нанесен на определенном участке поверхности подложки.

Причиной появления эпитаксиальной технологии послужила необходимость совершенствования процесса изготовления биполярных транзисторов. Эти приборы обычно формируются в объеме полупроводниковой подложки с большим удельным сопротивлением r, определяющим высокое напряжение пробоя база - коллектор Uбк.

С другой стороны, высокие значения r приводят к увеличению рассеиваемой в полупроводниковой подложке мощности и уменьшению коэффициента усиления транзистора на высоких частотах. С целью разрешения этого противоречия была разработана технология получения высокоомных полупроводниковых слоев на низкоомной подложке.

В настоящее время при изготовлении интегральных схем используются низкоомные эпитаксиальные слои с противоположным относительно подложки типом проводимости (см. рис. 1). Образующийся при этом p-n переход служит для электрической изоляции соседних транзисторов, а сильнолегированный n⁺ диффузионный слой используется в качестве коллекторного контакта.

Ступенька, показанная на рисунке, применяется в дальнейшем при операциях самосовмещения в процессах литографии.

Слои, синтезированные по эпитаксиальной технологии, обладают следующими преимуществами:

• широкая область изменения уровня и профиля легирования;
• изменение типа проводимости выращиваемых эпитаксиальных пленок;
• физические свойства эпитаксиального слоя отличаются от свойств материала подложки в лучшую сторону, например, в них меньше концентрация кислорода и углерода, меньше число дефектов;
• процесс может происходить при температурах меньших, чем температура наращивания слитка монокристалла;
• можно нанести эпитаксиальный слой на подложку большой площади;
• эпитаксиальный слой может быть нанесен локально.

Эпитаксия из газовой фазы

Эпитаксия из газовой фазы.
Идея метода, схема реактора.

Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитаксиальным.

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 1).

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl4, трихлорсилан - SiHCl₃, дихлорсилан - SiH2Cl2 и силан - SiH4) и водород. При таких условиях возможно протекание химических реакций типа SiCl4 + 2H2 = Si_тв + 4HCl.

Рис. 1. Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси.

1- держатель; 2- кремниевая пластина; 3- пленка.

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса Re = D·v·r/h = 100 меньше критического значения Reкрит = 2000, где D - диаметр трубы реактора, v - скорость течения газа, r - плотность газа, h - коэффициент вязкости газа.