Автоэпитаксия кремния

В настоящее время большинство микросхем создается на базе автоэпитаксиальных слоев кремния или эпитаксиальных слоев кремния на сапфире.

Наиболее распространены процессы в газовой фазе (хорошая управляемость, воспроизводимость, однородность, большие площади). Концентрация примесей может быть изменена в широких пределах. Недостаток - наблюдаемое перераспределение примесей на границе слой – подложка. Устраняется формированием активной зоны прибора в объеме эпитаксиального слоя.

Промышленными методами получения автоэпитаксиальных слоев кремния являются хлоридный и силановый.

В основе хлоридного метода процесса лежит восстановление тетрахлорида кремния водородом: SiCl₄+2H₂ Si+4HCl – реакция многостадийная.

П роцесс проводят в горизонтальных или (чаще) в вертикальных реакторах в проточной системе при термостатировании. Парогазовая смесь образуется при пропускании Н₂ через испаритель с SiCl₄. Максимальный выход Si имеет место при Т=1479К и мольном соотношении Н₂ к SiCl₄ как 200:1.

Скорость роста зависит от ориентации подложек (минимальная для грани [111]) и несколько больше для [110].

Для легирования бором и фосфором применяют BBr₃ (BCl₃), PCl₄. Их упругость пара близка к упругости SiCl₄, а для высокоомных слоев используют SbCl₃.

Надежными способами получения легированных слоев является газоразрядный или электроискровой. На Pt – электроды помещают GaP, GaAs, GaSb, LaB₆. Далее возбуждают электроискровый разряд. Соединения различаются и в атмосфере Н₂ образуются РН₃, AsH₃(стибин), B₂H₆(диборан). Ga – уносится газовым потоком. Иногда используют специальные стандартные смеси этих газов с концентрацией от 0,01 до 5 % при 100 ат.

Хлоридный метод не позволяет получать высокоомные слои вследствие загрязнения слоя летучими примесями.

Получение эпитаксического слоя Si.

Силановый метод получения эпитаксиальных слоев кремния основан на пиролизе моносилана. Приобретает ведущую роль. Позволяет получать высокоомные однородные слои Si.

В его основе реакция разложения силана: SiH_4(г) Si_(тв)+ 2H_2(г) Т≈1000°С.

Так как в этом методе температура ниже, чем в хлоридном, то уменьшается диффузия примесей.

Реактор для эпитаксиального роста обычно совмещают с установкой синтеза моносилана. Его получают двумя путями: по реакции

SiCl₄ + LiAlH_{4 (гидрид)} SiH₄ + LiCl + AlCl₃

или

MgSi + 2H₂ → SiH₄ + 2MgO.

SiH₄ – безцветный газ, самовоспламеняющийся при контакте с воздухом. При добавлении 5% Н₂ или Ar теряется способность к самовоспламенению. Т_кип=161К, Т_затв=88,3К, Р_крит=48,3 атм. Хранят в баллонах при 60 атм. Оптимальная концентрация SiH₄ в реакторе 0,04 об %. Оптимальная температура процесса 1050÷1100°С. Скорость роста пленки в этих условиях ~ 0,8 мкм/мин, концентрация до 10^-4 об. % (PH₃, AsH₃, B₂H₆).