Эпитаксия – основы материаловедения
Слово эпитаксия состоит из двух греческих слов: «эпи» — «над» и «таксис» — «упорядочивание». Поэтому термин эпитаксия означает наращивание кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические 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 монокристаллической пленки на подложку из того же вещества, что и пленка. Например, наращивание эпитаксиальной пленки кремния на подложу (объемный кристалл) из монокристаллического кремния.
Гетероэпитаксия — это наращивание пленки на инородную подложку. Например, наращивание эпитаксиальной пленки PbTe на монокристаллическую подложку BaF2. Однако при гетероэпитаксии кристаллические решетки пленки и подложки должны быть подобны, а параметры решеток близки для обеспечения роста монокристаллического слоя.
Методы эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок получили широкое распространение в технологии полупроводниковых приборов только тогда, когда научились получать пленки 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. За9.1. Эпитаксия 321
Рис. 9.1. Схемы окрестностей p − n-перехода в случаях диффузионного (а) и эпитаксиального (б) легирования. При создании p − n-перехода методом диффузии примесей в кристалл по обе стороны от перехода располагаются довольно широкие области сильно скомпенсированного материала.
мена объемных кристаллов эпитаксиальными пленками позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность операций, снизить их себестоимость.
К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующие преимущества.
Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых пленок 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 процессе получения эпитаксиальных пленок. В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых материалов.
Эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических пленок непосредственно в процессе их выращивания, обеспечивают однородное распределение легирующих элементов в пленках, дают возможность выращивать резкие p − n-перехода со скачкообразно меняющейся концентрацией (рис. 9.1,б).
Применение эпитаксиальных слоев на подложке предоставляет разработчику приборов возможность изменения профиля легирования в изготовляемой структуре в гораздо более широких пределах, чем это возможно при использовании диффузии или ионной имплантации.
Существенной особенностью эпитаксиального наращивания из газообразной фазы является возможность осаждения чистого материала на сильно легированных подложках. Такая возможность чрезвычайно важна для производства полупроводниковых квантовых генераторов света (лазеров). С другой стороны, для ряда приложений (например, для изготовления транзисторов) необходимы тонкие эпитаксиальные слои полупроводниковых соединений на высокоомных подложках. Эпитаксиальные методы позволяют это довольно просто реализовать.
Использование эпитаксиальных пленок в электронной промышленности позволило существенно улучшить характеристики туннельных и лазерных диодов,1 разработать технологию получения транзисторов с высоким коэффициентом усиления на высоких частотах,2 мощных и высоковольтных транзисторов. На применении эпитаксиальных слоев основано производство таких приборов, как планарные полевые транзисторы, выполненные на структуре металл–окисел–полупроводник с изоляцией V-образными канавками (V-МОП). Эпитаксиальные структуры также используются для улучшения характеристик памяти с произвольным доступом и комплементарных интегральных МОП-схем. Новые перспективы в технике открыло применение эпитаксиальных гетероструктур, создание которых другими методами затруднено, в полупроводниковых приборах (например, для изготовления инжекционных лазеров). Кроме того, эпитаксия дает возможность получения многослойных структур со свойствами каждого слоя, практически не зависящими от свойств предыдущего слоя. Это открывает широкие возможности для разработки качественно новых типов электронных приборов.
Следует отметить, что интенсивная разработка технологических методов тонкопленочной эпитаксии, обеспечивающих прецизионное управление процессом роста и контроль качества получаемых структур, позволила совершить качественный скачок в развитии физики полупроводников. История развития физики полупроводников такова, что если основными объектами исследования лет 30 назад были монокристаллы, а лет 15 назад — эпитаксиальные пленки, то сейчас — это многослойные гетероструктуры, сверхрешетки, структуры с квантовыми нитями и точками.
Действительно, в ходе исследования свойств очень тонких пленок был обнаружен ряд новых интересных физических эффектов, которые откры
1Известно, что во многих оптоэлектронных приборах «объем» кристалла часто играет роль балласта, уменьшающего интенсивность выходящего излучения из-за оптического поглощения и рекомбинации. Отсюда естественное стремление уменьшить этот объем.
2 Стремление к увеличению напряжения пробоя база-коллектор при формировании транзистора в объеме кремния требовало применения материала с высоким удельным сопротивлением, что при большой толщине кремния приводило к чрезмерному увеличению сопротивления коллектора, вело к увеличению рассеиваемой мощности и уменьшению коэффициента усиления. Использование высокоомных эпитаксиальных слоев на подложках с низким удельным сопротивлением позволило решить эти проблемы. Таким же образом были решены аналогичные проблемы и при производстве биполярных интегральных схем.
ли возможность создания принципиально нового класса полупроводниковых приборов — приборов, разработанных на основе свойств структур с квантовыми ямами. Не удивительно, что в настоящее время структуры с квантовыми ямами, нитями, точками являются одними из наиболее интенсивно исследуемых объектов в физике полупроводников, а характеристика стран как «технологических держав» в значительной мере определяется именно уровнем развития технологии получения таких структур.
В настоящей главе будут рассмотрены основы существующих представлений о первых стадиях зарождения и дальнейшем росте эпитаксиальных пленок из газообразных фаз, а также некоторые методы эпитаксиального наращивания тонких слоев полупроводников, включая и жидкостную эпитаксию.
Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Эпитаксиальное выращивание
Эпитаксиальное выращивание представляет собой процесс осажде-ни я атомов кремния из, газовой фазы и получение монокристаллического слоя ( эпитаксиального) кремния. [1]
Эпитаксиальное выращивание представляет собой один из видов синтеза монокристаллов и имеет поэтому много общего с ростом кристаллов из раствора или расплава. Доминирующим фактором эпитаксиального роста является поверхностная подвижность, осажденных атомов. Рост кристалла из газовой фазы происходит быстрее, чем из разбавленного раствора, но медленнее, чем из чистого расплава. [2]
Эпитаксиальное выращивание — это процесс упорядоченного осаждения тонкого монокристаллического слоя материала, который повторяет кристаллическую структуру подложки. Этот слой служит матрицей для изготовления полупроводниковых компонентов в последующих операциях диффузии. В большинстве случаев эпитаксиальные пленки выращиваются на подложках из того же материала, например кремний на кремнии. Этот процесс называется гомоэпи-таксией. Но могут применяться и разные материалы с близкой кристаллической структурой, например пленка кремния на сапфировой подложке. Такой процесс называется гетероэпи-таксиальным наращиванием. [4]
Эпитаксиальное выращивание кристаллов производится за счет осаждения паров полупроводникового материала на подложку того же полупроводника, которая нагрета до температуры ниже точки его плавления. [6]
Эпитаксиальному выращиванию кремния посвящено большое количество работ в связи с широким его применением в создании разнообразных полупроводниковых устройств. Выявлено много важных закономерностей по механизму роста, структуре дефектов и распределению примесей. [7]
При эпитаксиальном выращивании из паровой фазы создаются такие условия, при которых один из полупроводниковых материалов, содержащихся в паровой фазе, конденсируется на кристаллической подложке из другого полупроводникового материала. [8]
При эпитаксиальном выращивании подложкой может быть как монокристаллическая пластина того же материала, так и изоляционные материалы с близкой структурой. [9]
При эпитаксиальном выращивании подложкой может быть как монокристаллическая пластина того же материала, так и изоляционные материалы. [11]
При эпитаксиальном выращивании особые требования предъявляются к качеству подложек. [13]
При эпитаксиальном выращивании из жидкой фазы было обнаружено, что структуры слоев, наращенных на подложках, полированных алмазной пастой, окисью кремния или химически, практически не отличаются. Часто они связаны с дефектами упаковки, плотность которых не превышает 1 — Ю2 см-2. Результаты рентгеновского локального микроанализа показали, что эти включения являются областями, обогащенными Ga. Дефекты упаковки, видимо, являются местами, на которых образуются или закрепляются эти выделения. При снятии химической полировкой эпптаксиального слоя толщиной 40 мкм крупные сферические включения, наблюдаемые ранее в оптическом и инфракрасном микроскопах, исчезают. [14]
При эпитаксиальном выращивании пленок наиболее строгие требования предъявляются к чистоте поверхности. Хотя этот метод ( LEED) и дает воспроизводимые результаты, однако Бауэром недавно было показано, что его чувствительность ограничена одним монослоем. [15]
Источник
Эпитаксия: виды и методы эпитаксиального наращивания
С греческого слово «эпитаксия» переводится как «упорядоченность», «расположение». Процесс эпитаксии – это ориентированное наращивание в вакуумных установках кристаллов на специальных кристаллических поверхностях (подложках).
Виды эпитаксии
В зависимости от ориентировки кристаллической решетки существует несколько видов эпитаксии:
- Автоэпитаксия.
- Гомоэпитаксия.
- Гетероэпитаксия.
Автоэпитаксия – это наращивание того же вещества, что и подложка. Т.е. наращиваемый слой является продолжением основы с идентичной структурой.
Гомоэпитаксия характеризуется образованием эпитаксиальных слоев, повторяющих ориентировку кристаллической решетки подложки. В результате образуется такое же вещество, но с небольшим отличием в составе по количеству легирующих элементов.
Гетероэпитаксия подразумевает нарастание кристалла с совершенно другой структурой и другим составом. Такой процесс возможен в случае химической совместимости веществ, т.е. минералы не должны химически взаимодействовать между собой. Примером гетероэпиксиальных соединений может быть соединение нитрида галлия на сапфировой подложке.
Первые два вида являются естественными процессами и часто встречаются в природе. Гетероэпитаксия может создаваться только искусственным путем.
В природе также часто встречается наращивание элементов внутри кристаллической структуры другого вещества. Такой вид эпитаксии называется эндотаксия.
Методы эпитаксии
Метод эпитаксии зависит от того, в какой фазе находится напыляемое вещество и бывает:
- газофазной;
- молекулярно-лучевой;
- жидкофазной;
- твердофазной.
Большее распространение получили газофазные и молекулярно-лучевые процессы наращивания. Твердофазная и жидкофазная эпитаксия имеют ограниченное применение.
Газофазная эпитаксия
Газофазная эпитаксия позволяет наращивать эпитаксиальные слои из парогазовой смеси. Для ее проведения используется специальное оборудование с пониженным давлением. Установка для газофазного напыления представляет собой кварцевый реактор с нагревателями и газопроводом. Внутри реактора размещается подложка, которая нагревается до 400 0 С — 1200 0 С. Газовая смесь взаимодействует с подложкой и оседает на ней, образуя эпитаксиальные слои. Добавляя в газовую смесь легирующие элементы возможно получение легированного слоя.
Эпитаксиальные методы газофазной эпитаксии основаны на осаждении молекул кремния или германия с помощью химических реакций. Температура нагрева зависит от состава смеси и кинетики химических процессов.
Чаще всего используются следующие химические методы эпитаксии:
- восстановление хлоридов водородом;
- пиролитическое разложение моносилана.
Схема газофазного наращивания хлоридным методом.
Перед наращиванием с поверхности подложки удаляются все загрязнения, включая мельчайшие пленки окислов. Для этого подложку обрабатывают водородом при очень высокой температуре, происходит восстановление кремния. Затем вводится хлоридный водород, который стравливает верхний слой.
После очищения начинается эпитаксиальное наращивание хлоридным методом, для этого в камеру вводится необходимый газовый состав. Происходит химическое взаимодействие веществ: необходимые элементы оседают на подложку, остальные выводятся из камеры. Это необходимо, чтобы предотвратить перенасыщение пространства камеры продуктами распада, поскольку химическая реакция восстановления процесс обратимый и возможно образование обратной реакции.
Недостаток эпитаксиального метода – необходимость в подогреве до очень высоких температур, что приводит к образованию легированного слоя.
Пиролитическое восстановление водорода происходит при более низкой температуре, поэтому позволяет получать более четкие грани между наращёнными слоями.
Молекулярно-лучевая эпитаксия
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии имеет очень широкое применение, так как позволяет полностью контролировать состав, толщину пленки и скорость осаждения. С помощью него возможно совершать точечные наращивания, создавать четкие границы, сверхтонкие и многослойные пленки.
Процесс представляет собой осаждение элементов, которые испаряются в молекулярном источнике, в сверхвысоком вакууме (до 10 -8 Па).
Каждый элемент находится в отдельном тигле, который имеет затвор. Каждый источник нагревается отдельно до температуры, необходимой для образования молекулярного луча и осаждения данного элемента на подложку.
Порядок нагрева различных элементов позволяет создавать сложные слои с точным химическим составом.
Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии состоит из трех узлов, каждый из которых имеет свою функцию.
В первом узле проводится подготовка подложки, во втором – эпитаксия полупроводниковых соединений, в третьем – эпитаксия простых полупроводников или других элементов.
В камеру подложка подается специальными устройствами, чтобы не нарушать глубину вакуума.
В подготовительном модуле имеется ионная пушка, которая протравливает поверхность подложки. С помощью ожеспектрометра, находящегося в камере, проводится профильный анализ химического состава и образовавшейся структуры на поверхности подложки.
Вторая камера оснащена двумя термическими и двумя электронно-лучевыми испарителями. Третья камера снабжена шестью термическими испарителями. В каждой из камер имеется масс-спектрометр и дифрактометр, которые позволяют контролировать количество остаточных газов и качество создаваемого слоя.
Недостаток молекулярно-лучевого метода – низкая скорость наращивания, около 1 мкм в час. Но именно это позволяет строго контролировать параметры одного или нескольких слоев.
Жидкофазная эпитаксия
Жидкофазная эпитаксия позволяет наращивать монокристаллы кремния и создавать многослойные проводниковые соединения.
Наращивание при жидкофазной эпитаксии происходит путем кристаллизации из раствора в расплаве. Процесс проводится в атмосфере инертных газов (азота и водорода) или в вакууме. Для вакуумной кристаллизации подложку необходимо обязательно протравливать.
На подложку наносится расплав определенного состава, выдерживается при высокой температуре и постепенно охлаждается. В результате на поверхности основы образуется новый слой.
Устройства для проведения процесса жидкофазной эпитаксии бывает:
- поворотным;
- пенального типа;
- цилиндрического типа.
Жидкофазный процесс очень сложно контролировать, поскольку качество слоя зависит от многих параметров: скорости охлаждения, температуры расплава, соотношения размеров подложки и количества расплава. Поэтому он практически вытеснен газофазным методом. Хотя существуют некоторые элементы, которые невозможно нарастить другими методами и создаются только из жидкой фазы.
Твердофазная эпитаксия
При твердофазной эпитаксии происходит перекристаллизация смежного с подложкой слоя. Для ускорения диффузии слоев необходима высокая температура, но ниже температуры плавления.
Эпитаксия: особенности и область применения
Качество эпитаксии зависит от трех параметров:
- чистоты подложки;
- скорости наращивания;
- температуры.
Скорость наращивания эпитаксиальных слоев сильно зависит от температуры нагрева, давления и насыщенности газов. Чаще всего эпитаксиальные слои образуются со скоростью нескольких микрометров в минуту.
Высокая температура нагрева способствует свободному перемещению осаждающих атомов в структуру подложки и помогает занять им свое место. Но вместе с этим образуется толстый переходной слой, который значительно ухудшает качественные характеристики эпитаксиального наращивания. А низкая температура нагрева ведет к осаждению поликристаллического слоя, что также не всегда имеет положительный эффект.
Основные направления применения эпитаксии:
- нанотехнологии;
- полупроводниковое производство.
С помощью наращивания эпитаксиальных слоев создаются многослойные структуры для полупроводниковых схем, магнитной памяти и прочего.
Источник