Хлоридные и силановый методы получения эпитаксиальных слоев

Гидридную эпитаксию проводят чаще всего при температуре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая идет почти с такой же скоростью, как и реакция восстановления SiCl4 при температуре 1200° С:

SiH4 => Si + 2Н2

cкорость растущей пленки зависит от давления в реакторе. В интервале температур 1100 - 1225° С скорость роста пленки практически не зависит от температуры.

При температурах выше 1225° С начинается газофазное разложение силана, что приводит к уменьшению скорости осаждения Si. Скорость осаждения пленки зависит также от концентрации силана в газовом потоке. При концентрациях силана больших, чем 0,2 маc.%, и температурах выше 1100° С скорость осаждения уменьшается из-за газофазного разложения SiH4. Газофазное разложение силана помимо уменьшения количества Si, осаждающегося на пластину, приводит к попаданию твердых частиц продуктов газофазного пиролиза SiH4 в растущий слой.

Силановый процесс, который проводится при относительно низкой температуре, позволяет легко регулировать концентрацию SiH4 в газовом потоке, выбирать диапазон скоростей, слабо зависящий от температуры, что облегчает поддержание рабочей температуры с точностью ± 10° С.

К недостаткам гидридной эпитаксии следует отнести пирофорность силана (возможность самовозгорания на воздухе и взрыва). Это приводит к необходимости разбавлять силан аргоном или водородом до безопасных концентраций в баллоне (2,5 - 4%). Кроме того, если произошло газофазное разложение SiH4, то реактор, не имеющий водяного охлаждения, "зарастает" и выращенные пленки имеют большую плотность дефектов. При гидридном процессе требуется тщательно герметизировать все элементы газовых магистралей и узлы реакционной камеры, так как при взаимодействии SiH4 с воздухом образуется соединение, которое может забить магистрали. По сравнению с хлоридом силан - дорогостоящий продукт.

Пиролиз дихлорсилана. Гидридную эпитаксию можно осуществить реакцией пиролиза дихлорсилана SiH2Cl2. Реакция начинается при температуре 600° С. Оптимальные температуры для получения пленок 1080 - 1100° С. Ухудшение качества слоев происходит при температуре ниже 1050° С.

Химические реакции с участием SiH2Cl2 занимают промежуточное положение между реакциями с участием SiCl4 и SiH4. Осаждение Si из SiH2Cl2 может происходить в среде аргона или азота по реакции

SiH2Cl2 => Si +2HCl

причем водород не оказывает восстанавливающего действия. Кроме основной реакции возможны побочные:

SiHCl3 + Ar => Si + ЗНСl

SiCl2 + Ar => Si + 2HCl

SiCl4 + Ar => Si + 4HCl

Разложение SiH2Cl2 при избытках Н2 уменьшает вероятность протекания побочных реакций.

Как и при предыдущем процессе, на скорость роста эпитаксиальной пленки сильно влияет концентрация SiH2Cl2 в Н2 и температура процесса. В диапазоне 1100 - 1200° С, однако, это влияние незначительно. Энергия активации процесса при пиролизе дихлорсилана невелика, что свидетельствует о том, что скорость осаждения определяется только массопереносом реагентов в газовой фазе.

При пиролизе SiH2Cl2, протекающем при относительно низких рабочих температурах (1080 - 1100° С), практически отсутствует газофазное разложение, возможен подбор условий осаждения, не зависящих от температуры. К недостаткам относятся повышенное требование к герметичности газовых магистралей и реакционной камере и в несколько раз большая стоимость SiH2 Cl2 по сравнению с SiCl4.

Выбор того или иного кремнийсодержащего соединения для эпитаксии Si зависит от возможностей оборудования и температурные ограничений конкретного технологического маршрута.

Хлоридный метод заключается в восстановлении водородом кремния из S1CI4 • Реакция восстановления является гетерогенной

SiCl4 + 2Н2 => Si + 4HCl

При относительно низких температурах скорость осаждения пленок описывается уравнением

Vp=Aexp [- E/(RT)]

Где E – энергия активации процесса; A и R - постоянные, Т – температура процесса.

Пластины после предварительной аммиачно-перекисной отмывки устанавливают на подложкодержатель. Проверяют герметичность установки по скорости уменьшения избыточного давления газа азота. Герметичность установки и реактора считаются достаточными, если избыточное давление 0,2 • 105 Па за 30 мин не уменьшается. После этого реакционную камеру продувают азотом в течение 5 мин (с расходом газа 1,5 м3 /ч). Далее реактор продувают рабочим газом-носителем водородом в течение 5 мин и нагревают подложкодержатель с пластинами до рабочей температуры (1200 - 1250° С).

Рабочую температуру контролируют оптическим пирометром через специальное смотровое окно в реакторе. После отжига пластин при рабочей температуре в течение 5-7 мин производится их газовое травление. Для этого к основному газу-носителю добавляют газообразный хлористый водород (расход хлористого водорода определяют по ротаметру или более точно с использованием регулятора расхода газа). Газовое травление проводится 1-2 мин со скоростью травления 0,1 - 0,2 мкм/мин. После травления газовую магистраль с хлористым водородом закрывают. Во время газового травления испаритель с SiCl4 продувают водородом на байпасную линию для установления требуемого рабочего расхода. Водород, проходя через испаритель, насыщается его парами. Смесь SiCl4 + H2 после окончания газового травления добавляется к основному потоку водорода путем открывания соответствующих газовых кранов. После окончания выращивания эпитаксиальной структуры линию подачи водорода в испаритель закрывают.

Увеличение концентрации SiCl4 выше некоторого критического значения приводит к образованию газообразного НС1, который травит поверхность пластины и осаждаемого слоя.

Увеличение скорости роста с увеличением температуры связано с более интенсивным протеканием реакции восстановления. Повышение скорости газового потока при фиксированной температуре также приводит к увеличению скорости роста, что связано с интенсификацией доставки и отвода продуктов реакции.

Удельное сопротивление эпитаксиальной структуры зависит от типа и количества примесей, введенных в газовую смесь в процессе осаждения. В качестве источников легирующей примеси п - и р-типов используют фосфин (РН3) и диборан (В2Н6) соответственно. Зависимость концентрации примеси в растущей пленке от концентрации примеси в газовой фазе очень сложная.

Хлоридным методом получают эпитаксиальные структуры с низкой дефектностью, т.е. малой плотностью дефектов упаковки и дислокации [порядка (2…5) 102 см-2], что вязано с гетерогенным характером протекания реакции. Условия реакции можно подобрать таким образом, чтобы не происходило взаимодействия между реагентами и стенками реактора, что обеспечивает чистоту процесса. Кроме того, SiCl4 легко поддается очистке, нетоксичен и недорог, что позволяет предъявлять пониженные требования к герметичности газовых магистралей.

Недостатки хлоридного процесса - сравнительно высокий диапазон ра6очих тёмператур (1200 - 1250° С) и, как следствие" невозможность получения резких p-n-переходов из-за "диффузионного размытия" границы пленка - пластина во время процесса эпитаксиального осаждения.

Если необходимо получать пленки с резким изменением концентрации примесей на границе пластина - эпитаксиальный слой, используют реакцию пиролиза силана.

Эпитаксию из парогазовых смесей обычно проводят при атмосферном давлении (10s Па). Понижение давления до (6,5 …13) х 103 Па позволяет уменьшить эффекты бокового и вертикального автолегирования.