45. Понятие эпитаксии. Гомо- и гетероэпитаксия

Эпитаксией называют ориентированный рост слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки.

В микроэлектронике на явлении эпитаксии основаны технологические процессы эпитаксиального наращивания различных полупроводниковых структур.

Механизм ориентированного роста монокристаллических слоев зависит от технологического метода. Используют три основных технологических метода:1) газофазные реакции, 2) вакуумное осаждение и 3) кристаллизацию из жидкой фазы.

При изготовлении эпитаксиальных полупроводниковых структур применяют в основном газофазные реакции, например, для эпитаксиального синтеза — реакции восстановления хлоридов германия и кремния водородом до чистых элементов, осаждавшихся в монокристаллической затравке.

Эпитаксиальное выращивание представляет собой один из видов синтеза монокристаллов и поэтому имеет много общего с ростом кристаллов из раствора или расплава. Доминирующим фактором, влияющим на эпитаксиальный рост, является поверхностная подвижность осажденных атомов. Рост кристалла из газовой фазы происходит быстрее, чем из разбавленного раствора, но медленнее, чем из чистого расплава. Скорость роста, т. е. линейный прирост толщины пленки, составляет несколько сантиметров в сутки. Выращивание монокристалла состоит из трех основных этапов:

1) переноса паров к поверхности подложки (затравки);

2) кристаллизации и роста новых слоев на поверхности подложки;

3) рассеяния освобождающейся скрытой теплоты кристаллизации и теплоты реакции.

Миграция осевших по поверхности атомов приводит к возникновению устойчивых зародышей кристаллизации. Вследствие тепловых колебаний некоторые атомы могут оторваться от зародышей. Вероятность отрыва тем больше, чем меньше насыщенных связей у осевших атомов. Энергия их связи с растущими гранями кристалла пропорциональна числу смежных сторон. Рост эпитаксиального слоя происходит вдоль поверхности, растущий слой повторяет морфологию подложки. Если подложка и растущая пленка состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, если из различных — гетероэпитаксиальным. В зависимости от соотношения удельного сопротивления слоя _S и подложки _V различают прямую (_S >> _V) и обратную (_S<<_V) эпитаксии.

С помощью автоэпитаксии в технологии микроэлектроники создают тонкие монокристаллические слои кремния, легированные требуемой примесью до нужной концентрации, в которых формируются активные и пассивные элементы ИМС. Гетероэпитаксия позволяет получать гетеропереходы, обладающие специфическими электрофизическими свойствами. Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев совместно с диффузией примесей используют для получения транзисторных структур полупроводниковых ИМС. Применение методов эпитаксиального наращивания слоев в технологии полупроводниковых ИМС дает следующие преимущества:

а) получение монокристаллических слоев полупроводников с заданной ориентацией кристаллографических осей; б) равномерное распределение примесей в слоях (при использовании только диффузии примесей это практически невозможно); в) лишь две стадии диффузии при получении четырехслойных транзисторных структур в интегральных микросхемах; г) получение транзисторных структур с лучшими, чем при тройной диффузии, характеристиками и упрощение операций изоляции элементов р-n-переходами; д) сокращение длительности операций получения транзисторных структур (скорость роста эпитаксиальных пленок относительно высока).

Все методы эпитаксиального наращивания полупроводниковых слоев принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах частицы полупроводника переносятся от источника к подложке без промежуточных химических реакций путем испарения из жидкой фазы, сублимации, реактивного распыления. В косвенных методах атомы полупроводников получают на поверхности подложки путем разложения паров полупроводниковых соединений. К ним относятся методы, основанные на восстановлении в водороде хлоридов, бромидов, йодидов кремния и германия.