Эпитаксиальное выращивание слоев кремния из парогазовой фазы

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно протекает в кварцевом реакторе. Температура подложкодержателя выше температуры парогазовой смеси. При этом на поверхности пластин могут происходить несколько химических реакций. Однородность процесса требует ламинарности газового потока, которая характеризуется числом Рейнольдса:

(1), (5.1)

где D_r – диаметр реакторной трубы; μ – вязкость; v – скорость течения газа; ρ – плотность газа.

Для промышленных установок ламинарность потока обеспечивается при Re < 2000. Как правило, D_r составляет несколько дециметров, v – несколько десятков сантиметров в секунду. Газ - носитель, обычно используемый при эпитаксии, – водород. При подстановке в соотношение значений ρ и μ для водорода получаем Re ≈ 100.

Для выращивания эпитаксиального кремния используются четыре кремнийсодержащих реагента: тетрахлорид кремния (SiCl₄), трихлорсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄). Тетрахлорид кремния изучен лучше других и наиболее широко используется в производстве. Суммарная реакция может быть классифицирована как водородное восстановление Si из SiCl₄:

SiCl_{4 газ} + 2Н_{2 газ} → Si_тв + 4HCl_газ. (5.2)

Очень важным является вопрос о выборе температуры процесса, так как от нее сильно зависит скорость роста кристалла. При высоких и низких температурах скорость роста становится отрицательной.

Рис. 5.1. Зависимость скорости роста от температуры при нанесении кремния химическим осаждением из парогазовой фазы

Для легирования кремния при эпитаксии обычно используют гидриды примесных элементов (для слоев p - типа – бора, для слоев n - типа – фосфора) или мышьяка. Химические свойства таких элементов удобно рассмотреть на примере арсина. На поверхности кремния при осаждении происходят адсорбция арсина, диссоциация молекул и встраивание мышьяка в растущий слой.

2AsH₃_TB→ 2As_газ + 3H_2газ® 2As_TB.

Скорость роста влияет на количество встраиваемой в эпитаксиальный слой примеси. Чем выше скорость роста, тем меньше концентрация. Кроме специально вводимой примеси в слой входят и неконтролируемые примеси из подложки. Это явление называется автолегированием. Примеси внедряются за счет твердотельной диффузии через границу слой - подложка, а также за счет испарения и переноса через газовую фазу. В результате увеличивается ширина переходной области между растущим слоем и подложкой. В структурах с локально легированными скрытыми слоями может наблюдаться боковое автолегирование. Этот процесс заключается в переносе легирующей примеси из локальной диффузионной области на прилегающую к ней поверхность подложки и встраивании этой примеси в легированный слой. Из-за явления автолегирования ограничена минимальная толщина слоев, которая может быть получена управляемым легированием. Процесс легирования обладает довольно большой инерционностью. Его прерывание не приводит к быстрому изменению уровня легирования. При молекулярно-лучевом легировании этого недостатка нет.

Перед выращиванием эпитаксиального слоя обычно проводят газофазное травление поверхности подложки, для чего используют, как правило, безводную HCl при температуре 1200° С. При этом протекают реакции:

2HCl + Si ↔ SiCl₂ + H₂;

4HCl + Si ↔ SiCl₄ + 2H₂. (5.3)

Вместо травления кремния в HCl допускается высокотемпературный отжиг подложек в атмосфере водорода.

Для безопасного проведения процесса эпитаксии оборудование снабжено многочисленными блокировками. Тем не менее, следует помнить, что работа с водородом создает опасность взрыва, а арсин и другие легирующие газы – сильнодействующие отравляющие вещества, токсичные даже при очень низких концентрациях.

Эпитаксиальные слои редко получают с концентрацией примеси выше 10¹⁷ см^-3. Слои с такой концентрацией используются в биполярной технологии при изготовлении транзисторов с эпитаксиальной базой.

Наиболее широкое применение находят слои с концентрацией примеси от 10¹⁴ до 10¹⁷см^-3. Высокоомные слои с концентрацией примеси 10¹² – 10¹⁴ см^-3 используются для специальных видов высоковольтных и выпрямительных приборов. Для получения высокоомных слоев необходимы очень чистый реактор и кремнийсодержащее соединение с малым количеством примеси. В настоящее время доступны для использования кремнийсодержащие соединения с содержанием примеси менее 10¹³см^-3. Автолегирование с обратной стороны подложки зачастую устраняется маскированием этой стороны слоем окисла или нитрида кремния. Для маскирования обратной стороны непосредственно во время процесса эпитаксии в реакторе с высокочастотным нагревом может быть использован пьедестал с предварительно нанесенным поликристаллом кремния. Этот слой во время отжига в атмосфере HCl или SiCl₄(SiH₂Cl₄) перейдет на обратную сторону подложки. Нижний теоретический предел легирования кремния 1,45·10¹⁰см^-3соответствует собственной проводимости кремния при 23 С.

Максимально возможная толщина эпитаксиального слоя определяется прирастанием боковых поверхностей подложки к подложкодержателю, что существенно затрудняет отделение подложек при разгрузке реактора и приводит к их разрушению. Однако для некоторых силовых приборов изготавливаются эпитаксиальные структуры толщиной в несколько сотен микрон, что примерно соответствует предельно возможной толщине. Как указано выше, получение тонких слоев затрудняется автолегированием, однако в настоящее время выращивают слои толщиной 0,5 мкм. Освоено производство слоев с однородностью ±5 % и воспроизводимостью от процесса к процессу ±5 % и лучше.

Обычно эпитаксиальный реактор работает в диапазоне температур 900 – 1250 С. Правильный выбор температуры процесса, расхода газа - носителя и скорости роста является сложной задачей. Ее решение обеспечивает требуемый уровень однородности толщины и удельного сопротивления слоя, дефектности, смещения топологического изображения и искажения рисунка.

Перед эпитаксией, как и перед окислением и диффузией, поверхность подложки необходимо тщательно отмыть. Должны быть устравнены все органические и металлические загрязнения. Твердые частицы удаляют с помощью ультразвуковой отмывки, обработкой влажными кистями или гидродинамической мойкой. С чистыми пластинами необходимо обращаться осторожно, не допускать загрязнения, особенно пылинками. Для предотвращения загрязнения пластин реакционную камеру помещают в чистую комнату, а зону загрузки дополнительно защищают скафандром.