Газофазная эпитаксия

Основные методы эпитаксиального осаждения.

Методы эпитаксии полупроводниковых структур разрабатывались с начала 60-х годов ХХ века взамен «сплавных» технологий полупроводниковых приборов и в рамках развития планарных технологических процессов.

Эпитаксией называют процесс ориентированного наращивания полупроводникового материала на кристалле. Эпитаксиальный слой - это монокристаллический материал, осажденный на кристаллическую подложку, который сохраняет структуру этой подложки. Таким образом, эпитаксиальный слой имеет тот же самый тип кристаллической решетки, что и кристаллическая решетка подложки. Технологии эпитаксии полупроводниковых структур позволяют проводить контролируемое легирование выращиваемых структур примесями различных типов.

Известно три основные группы процессов эпитаксии:

Автоэпитаксия - это процесс ориентированного нарастания кристаллического вещества, однотипного по структуре с подложкой, отличающийся от подложки только содержанием легирующих примесей.

Гетероэпитаксия - это процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по составу от вещества подложки. Процесс сопровождается кристаллохимическим взаимодействием материала эпитаксиального слоя и материала подложки.

Хемоэпитаксия - это процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды. Полученный эпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего на ее поверхность.

Существует три основных технологических метода эпитаксии полупроводниковых материалов:

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия из молекулярных пучков в высоком вакууме.

2. Газофазная эпитаксия, реализуемая с помощью химического взаимодействия подложки и вещества в газовой или парогазовой фазе, называемая газовой или химической эпитаксией.

3. Жидкофазная эпитаксия, реализуемая с помощью химического взаимодействия подложки и вещества жидкой фазы путем рекристаллизации из расплава или расплава.

Наращивание монокристаллического эпитаксиального слоя всегда сопровождается образованием дефектов структуры – дислокаций, дефектов упаковки и т.д., причем тип и концентрация дефектов определяется конкретной схемой и условиями технологического процесса.

Осаждение слоев из газовой фазы – сложный процесс, включающий следующие стадии:

- перенос исходных реагентов в зону осаждения;

- превращения реагентов в газовой фазе в промежуточные продукты;

- массоперенос исходного вещества или промежуточных продуктов к поверхности нагретых подложек;

- реакции на поверхности подложек с образованием полупроводникового слоя;

- десорбцию продуктов реакции и их удаление из рабочей зоны реактора.

До середины 70-х годов ХХ века для осаждения полупроводниковых или диэлектрических слоев использовали реакторы атмосферного давления (РАД). Однако, в связи с возросшими требованиями к качеству полупроводниковых структур и увеличением диаметра подложек, произошел переход к технологиям с пониженным давлением рабочего газа в реакторах (РПД). В Таблице 1 приведено сопоставление основных параметров процессов при атмосферном давлении и процессов при пониженном давлении в реакторах.

Таблица 1.

Параметр	Технологии с пониженным давлением в реакторах (РПД).	Технологии с атмосферным давлением в реакторах (РАД).
Давление, Па (тор)	102 – 103 (1 – 10)	105 (760)
Производительность, пластин в час	До 200	До 50
Снижение производительности при увеличении диаметра пластин	Слабое	Сильное
Равномерность температуры в рабочей зоне, 0С		5 – 10
Разброс слоев по толщине, ±% - по диаметру пластины - по партии пластин		5 – 10 10 – 15
Скорость осаждения кремния, нм/мин	5 – 20	20 – 100
Расход газа-носителя, м3/час	0,05	1,5 – 5
Затраты на обработку одной пластины, отн. ед.		5 - 10

В настоящее время в промышленности используется четыре группы технологий, реализуемых в реакторах с пониженным давлением рабочего газа. К ним относятся:

- испарение в высоком вакууме;

- технологии ионного распыления мишеней;

- осаждение из газовой фазы при пониженном давлении;

- активируемое плазмой осаждение из газовой фазы при пониженном давлении.

Основные технические и технологические характеристики данных методов приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Параметр	Испарение в высоком вакууме	Распыление мишени	Осаждение из газовой фазы при пониженном давлении газа	Активируемое плазмой осаждение из газовой фазы при пониженном давлении
Давление, Па	10-4 – 10-1	< 2	65 – 130	13 – 260
Температура осаждения, 0С	25 – 200		600 – 1000	< 300
Скорость осаждения, мкм/мин	1 – 2	0,01	0,1 – 1	0,05
Структура пленки	Аморфная	Аморфная или кристаллическая	Аморфная или поликристаллическая	Аморфная или поликристаллическая
Источники загрязнений	Нагреватели, тигли, стенки	Стенки, газ, мишени	Стенки, газ	Стенки, газ
Вид пленки	SiO2, Al2O3, металлы	SiO2, Si3N4, TiN, TaN	SiO2, Si3N4	SiO2, Si3N4, SiC
Постоянное напряжение смещения, кВ	-	0,5 – 3	-	0,5
Плотность мощности, Вт/см2	-	1 – 5	-	0,5