Метод пиролитического разложения моносилана (SiH4) основан на реакции пиролиза
которая может идти при достаточно низких температурах (1000 - 1100 °С), что в среднем на 100 - 150 °С ниже температур, используемых в хлоридном процессе. Это позволяет получать резкие градиенты концен-траций примесей в пленках. При снижении температуры от 1100 до 1000 °С коэффициенты диффузии легирующих элементов (бор и фос-фор) уменьшаются на порядок вели-чины. Благодаря этому диффузия примесей из подложки в пленку рез-ко уменьшается.
На рис.3.12 приведена темпера-турная зависимость скорости роста пленок при пиролизе моносилана в интервале температур 950 - 1260 °С. На графике четко выделяются два участка:
1) от 1260 до 1100 °С скорость роста при заданном давлении SiH4 не зависит от температуры;
2) от 1100 до 950 °С скорость роста убывает при снижении температуры.
Скорость роста как функция давления SiH4 также ведет себя по-разному в зависимости от того, нагрета подложка ниже или выше
1100 °С. Если предположить, что реакция гетерогенна, то лимитирующей стадией для температур выше 1100 °С будет массоперенос реагирующих веществ, а для температур ниже 1100 °С - адсорбция их, собственно процесс химической реакции или десорбция продуктов реакции.
|
|
Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических
подложках
Эпитаксиальные слои кремния могут быть выращены на некоторых ориентирующих диэлектрических подложках, которые должны обладать следующими свойствами:
- не вносить существенных загрязнений в слой жидкого полупроводника при температуре, близкой к точке его плавления;
- иметь близкие к полупроводнику значения коэффициентов термического расширения;
- быть химически стойкими к травителям, применяемым для обработки полупроводника.
Для получения эпитаксиальных слоев Si наиболее часто используется в качестве подложки сапфир, иногда кварц, окись бериллия.
Различия как в постоянных решетки, так и в ТКР у кремния с этими кристаллами велики. Это приводит к образованию дислокаций несоответствия, растрескиванию и отслаиванию пленок кремния при охлаждении, особенно при значительной их толщине.
Наиболее перспективным в настоящее время представляется использование сапфира в качестве подложки для гетероэпитаксии кремния благодаря его структурному совершенству и экономической до-
ступности.
Наиболее хорошие результаты получены при эпитаксии Si на
a-Al2O3. Качество пленок в сильной степени зависит от подготовки поверхности подложки. Поэтому кристаллы сапфира сначала тщательно полируются, а затем травятся для удаления нарушенного слоя в следующих реактивах:
фосфорной кислоте при T = 400 - 500 ºС;
|
|
фтористом свинце PbF2 при T = 850 ºС;
бораксе N2B4O7 при T = 1000 ºС.
Однако даже такое травление не обеспечивает полностью гладкой поверхности: после H3PO4 она волнистая (при этом трудно регулировать скорость травления); PbF2 оставляет на поверхности ямки; N2B4O7 дает наиболее совершенную поверхность, но сам трудно удаляется, поэтому пленки Si получаются очень дефектными. Перед осаждением кремния сапфир обрабатывают в водороде при T ~ 1260 ºС в течение 2 ч (обработка поверхности при 1260 ºС дольше 2 ч сопровождается травлением сапфира). Кремний наращивается либо восстановлением тетрахлорида или трихлорсилана, либо пиролизом силана.
При восстановлении SiHCl3 скорость роста пленок в пределах
0,2 - 2,5 мкм/мин не оказывает влияния на их качество. С повышением температуры роста от 1000 до 1200 ºС монокристалл не образуется, получаются поликристаллические слои.
При пиролизе SiH4 монокристаллические слои образуются при температуре 1100 - 1130 ºС. Ниже 1080 ºС растет поликристаллический слой, а при 1000 ºС - черный аморфный слой. При температуре 1200 ºС и выше сплошные пленки отсутствуют, растут отдельные кристаллы, конденсат имеет грубую структуру.
Пленки, полученные пиролизом, более совершенны, чем при восстановлении галогенидов, что объясняется следующими причинами: при пиролизе силана скорость образования и плотность зародышей значительно выше; зародыши не имеют огранки, они мелкие и при срастании дают меньше дефектов, к тому же их срастание идет сразу после начала осаждения. Поэтому время образования сплошной пленки оказывается на порядок ниже, чем при осаждении из SiCl4.
Надо отметить, что плотность дислокаций в монокристаллических пленках кремния на сапфире велика (2×108 см–2). Это объясняется низким качеством кристаллов-подложек с высокой плотностью дислокаций 105 - 106 см–2 и деформацией пленок вследствие различия в значениях ТКР сапфира и кремния (на границе пленка - подложка возникают большие механические напряжения - до 1010 дин/см2).
Легирование пленок из подложки особенно наглядно выявляется при отжиге пленок электронной проводимости (легированных фосфором), поскольку отжиг таких пленок сопровождается образованием на границе с подложкой прослойки с дырочной проводимостью.
Автолегирование приводит к уменьшению электросопротивления пленок. Происходит уменьшение удельного сопротивления примерно на порядок величины при возрастании температуры на 50 ºС. Одновременно наблюдаются малые (по сравнению с обычными) значения подвижности носителей заряда.