Эпитаксия.

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

В настоящее время эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстой подложке, играющей роль несущей конструкции.

Типовой — хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем (рис. 2).

Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl₄. При высокой температуре (около 1200 °С), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин происходит реакция:

SiCl₄ + 2Н₂ = Si + 4HCl.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осажденного кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка.

Химическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве.

Процесс, проходящий в потоке газа, называют газотранспортной реакцией, а основной газ (в данном случае водород), переносящий примесь в зону реакции, — газом-носителем.

Если к парам тетрахлорида кремния добавить пары соединений бора (В₂Н₆) или фосфора (РН₃), то эпитаксиальный слой будет иметь уже не собственную, а соответственно дырочную или электронную проводимость, поскольку в ходе реакции в осаждающийся кремний будут внедряться акцепторные атомы бора или донорные атомы фосфора.

В установке, показанной на рис. 2, предусмотрены некоторые дополнительные операции: продувка трубы азотом и неглубокое травление поверхности кремния в парах HCl (с целью очистки).

Таким образом, эпитаксия позволяет выращивать моно­крис­таллические слои любого типа проводимости и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей тоже любым типом и величиной проводимости (рис 3).

Эпитаксиальная пленка может отличаться от подложки по химическому составу. Способ получения таких пленок называют гетероэпитаксией, в отличие от гомоэпитаксии, описанной выше. Конечно, при гетероэпитаксии материалы пленки и подложки должны по-прежнему иметь одинаковую кристаллическую решетку. Например, можно выращивать кремниевую пленку на сапфировой подложке.

Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, так как примеси в процессе эпитаксии частично диффундируют из одного слоя в другой. Это обстоятельство затрудняет создание сверхтонких (менее 1 мкм) и многослойных эпитаксиальных структур. Основную роль в настоящее время играет однослойная эпитаксия. Она существенно пополнила арсенал полупроводниковой технологии; получение таких тонких однородных слоев (1—10 мкм), какие обеспечивает эпитаксия, невозможно иными средствами.

В заключение заметим, что помимо описанной газовой эпитаксии, существует жидкостная эпитаксия, при которой наращивание монокристаллического слоя осуществляется из жидкой фазы, т.е. из раствора, содержащего необходимые компоненты.

4. Термическое окисление.

Окисление кремния — один из самых характерных процессов в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния (SiO₂) выполняет несколько важных функций, в том числе:

1. функцию защиты — пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p-n -переходов, выходящих на поверхность (рис. 4,а);

2. функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 4, б);

3. функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзистора (рис. 4, в).

 

Такие широкие возможности двуокиси кремния — одна из причин того, что кремний стал основным материалом для изготовления полупроводниковых ИС. Поверхность кремния всегда покрыта «собственной» окисной пленкой, получающейся в результате «естественного» окисления при самых низких температурах. Однако эта пленка имеет слишком малую толщину (около 5 нм), чтобы выполнять какую-либо из перечисленных функций. Поэтому в технологии ИС пленки SiO₂ получают искусственным путем.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000-1200 °С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды.

Во всех случаях процесс проводится в окислительных печах. Основу таких печей составляет, как и при эпитаксии, кварцевая труба, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая либо токами высокой частоты, либо иным путем. Через трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне. Получаемая таким образом пленка SiO₂ имеет аморфную структуру.

Механизм окисления имеет два варианта. Первый вариант состоит из следующих этапов:

1. диффузия атомов кремния через уже имеющуюся пленку окисла к поверхности,

2. адсорбция молекул кислорода поверхностью из газовой фазы,

3. собственно окисление, т.е. химическая реакция. В этом случае пленка нарастает над исходной поверхностью кремния.

Второй вариант состоит из следующих этапов:

1. адсорбция кислорода поверхностью уже имеющегося окисла,

2. диффузия кислорода через окисел к еще не окисленному кремнию,

3. собственно окисление. В этом случае пленка нарастает вглубь от исходной поверхности кремния. На практике оба механизма сочетаются, но главную роль обычно играет второй.

Очевидно, что скорость роста окисла со временем должна убывать, так как новым атомам кислорода приходится диффундировать через все более толстый слой окисла. Полуэмпирическая формула, связывающая толщину окисной пленки со временем термического окисления, имеет вид:

где k — параметр, зависящий от температуры и влажности кислорода.

Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки SiO₂ толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000 °С требуется около 5 ч, а во влажном — всего 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100 °С время окисления возрастает в 2—3 раза.

В технологии ИС различают «толстые» и «тонкие» окислы SiO₂. Толстые окислы (d = 0,5—0,8 мкм) выполняют функции защиты и маскировки, а тонкие (d = 0,05—0,15 мкм) — функции подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах.

Одной из важных проблем при выращивании пленки SiO₂ является обеспечение ее однородности. В зависимости от качества поверхности пластины, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают те или иные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро- и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окисле).

Качество окисной пленки повышается с уменьшением температуры ее выращивания, а также при использовании сухого кислорода. Поэтому тонкий подзатворный окисел, от качества которого зависит стабильность параметров МОП-транзистора, получают сухим окислением. При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса.