Классификация эпитаксии:Классификация эпитаксии:В зависимости от агрегатного В зависимости от агрегатного

состояния:состояния:газофазнаяжидкостнаяМЛЭПо природе взаимодействия:По природе взаимодействия:

автоэпитаксия (гомоэпитаксия)гетероэпитаксияхемоэпитаксия (реактивная диффузия)реотаксия (аморфная, стеклообразное)

По виду наращивания:По виду наращивания:прямые (без промежуточных реакций)непрямые (с химическими превращениями)

Массоперенос в газофазной Массоперенос в газофазной

эпитаксии:эпитаксии:

Массоперенос I типа

подложкаКинетическая область(процессы с участием подложки)

Масс

оп

ерен

ос

II т

ип

а

I типа. Стадия доставки реагентов в зону осаждения и удаление продуктов из зоны осаждения. Определяется динамическими свойствами газового потока в реакторе.II типа. Перенос реагентов к поверхности из потока и продуктов в поток. Механизм обмена диффузионный.

газ-носитель +реагенты

газ-носитель + непрореагировавшиекомпоненты +продукты реакции

адсорбцияреагентов

десорбция продуктовреакции

миграция, химические реакции, зародышеобразование

Достоинства:Достоинства:• а) получение монокристаллических слоев полупроводников а) получение монокристаллических слоев полупроводников

заданной ориентацией кристаллографических осейзаданной ориентацией кристаллографических осей• б) равномерное распределение примесей в слояхб) равномерное распределение примесей в слоях• в) лишь две стадии диффузии при получении 4-х слойных в) лишь две стадии диффузии при получении 4-х слойных

транзисторных структур в ИСтранзисторных структур в ИС• г) получение транзисторных структур с лучшими, чем при г) получение транзисторных структур с лучшими, чем при

тройной диффузии, характеристиками и упрощение операций тройной диффузии, характеристиками и упрощение операций по изоляции элементов р- по изоляции элементов р- nn-переходами;-переходами;

• д) сокращение длительности операций получения д) сокращение длительности операций получения транзисторных структур (скорость роста эпитаксиальных транзисторных структур (скорость роста эпитаксиальных пленок относительно высока).пленок относительно высока).

Автоэпитаксия кремния Автоэпитаксия кремния промышленным хлоридным промышленным хлоридным методом.методом.Термодинамическая модель:Термодинамическая модель: Химические реакции:Химические реакции:

• SiClSiCl44+H+H2 2 SiHClSiHCl33+HCl+HCl

• SiHClSiHCl3 3 SiClSiCl22 + + HClHCl

• SiClSiCl22 1/2Si + 1/2SiCl1/2Si + 1/2SiCl44

• PP00Cl Cl 3P3PSiHClSiHCl33 + P+ PHCl HCl + 4P+ 4PSiClSiCl44 + 2P+ 2PSiClSiCl22

PP00H H 2P2PHH22 + P+ PSiHClSiHCl33 + P+ PHClHCl

• PPSiClSiCl44+P+PSiHClSiHCl33

+P+PSiClSiCl22+P+PHH22

+P+PHClHCl=1=1

PSiHCl3 * PHCl

PSiCl4 * PH2

k1 =

k2 =PSiCl2

*PHCl

k3 =P1/2

SiC4

PSiCl2

PSiHCl3

α

Уравнения материального балансаУравнения материального баланса::

T

Pi

1473K

PSiCl4

PHCl

PSiCl2PSiHCl3

PSiCl4

1173 1375 1575 1673

α1

α2

α2 > α1

η

T1473K

PPSiClSiCl44 – (P – (PSiClSiCl33

+ P + PSiHClSiHCl22 + P + PSiClSiCl44

))

22PPHH22 + P+ PHClHCl + P + PSiHClSiHCl33

η=

Термодинамическая эффективность:

Состав газовой фазы:

0

0

1/T1/1473 1/13231/1523

Ea =0

диффузияЕа = 150-160 кДж/моль

кинетика

Vр

Н28 л/мин

Vр

0,1

мкм

/ми

н

VH2

0,3

мк/м

ин

8л/моль

Vр

Влияние технологических режимов на скорость роста.

Н2

Ламинарный потокТурбулентный поток

L~V -1/2

VH2

5 10 15

Расстояние от подложки, мм

T1>T2

T1

T2

Перенос Si

Удаление HCl

ВыходH2

Диффузионная модель роста:

Pi

T2

T1

Di * (p0i-pi)

RTLVроста

Квазиравновесная модель скорости Квазиравновесная модель скорости роста:роста:

• VVроста роста = = ЈЈ**ηη**ββ

ЈЈ – – поток осаждаемого вещества на поток осаждаемого вещества на входе в зону роставходе в зону роста

ηη – термодинамическая – термодинамическая эффективностьэффективность

ββ – доля газового потока – доля газового потока который который приходит в равновесие с подложкойприходит в равновесие с подложкой

ββ = 1 массоперенос типа = 1 массоперенос типа II

ββ << 1 массоперенос типа 1 массоперенос типа IIII

Качественная модель кинетического режима.Рост определяется процессами адсорбции/десорбции и поверхностными реакциями.

Адсорбция Н2

H2(г) + S H2(адсорб.)

V1= k1*PH2* Θ

V-1= k-1* ΘH2

½ H2 + S H

V2= k2 *PH21/2 * Θ

V-2= k-2* ΘH

С диссоциацией Без диссоциации:k1 k2

k-1S – вакантная позиция на поверхности Скорость адсорбции:

Скорость десорбции:

Доля занятых мест ΘH2 и ΘH

определяется из условий равновесия:

V1=V-1 V2=V-2

ΘH2 =

k1/k-1*PH2

1+ k1/k-1*PH2

= βH2

*PH2

1+ βH2*PH2

ΘH = βH*P1/2

H2

1+ βH*P1/2H2

+ βMX*PMX

Скорость десорбции пропорциональна доле пустых мест Θ

ΘMX = βMX*PMX

1+ βH*P1/2H2

+ βMX*PMX

Поверхностные реакции:Модель Ленгмюра – Хиншельвуда для случая когда оба вещества вступают в реакцию на поверхности, причем молекула Н2 адсорбируется диссоциативно, а молекула МХ без диссоциации.

Надс + МХадс Мтв + НХ(газ) Тогда доли занятых мест водородом и молекулой МХ определяется , как

k

ΘH = βH*P1/2

H2

1+ βH*P1/2H2

+ βMX*PMX

Доля незанятой поверхности:

Θ = 1 – ΘH - ΘMX

Скорость роста:

V = k*ΘMX*PH2

=

k*βH*P1/2H2

* βMX*PMX

(1+ βH*P1/2H2

+ βMX*PMX)2

м

мх + Н + НХ(газ)

м

х + Нм

м м

х х

Н2

+

м м

х х

Н - Н

м м

2НХ

Модель Ридила: взаимодействие между адсорбированным и газообразным реагентом.

Н2(газ) + 2МХадс 2Мтв + 2НХ(газ)k

V = k*Θ2MX*PH2

=k*PH2

* β2MX*P2

MX

(1+ βH*P1/2H2

+ βMX*PMX)2

Применения.Применения.

• В настоящее время для создания приборов высокочастотной электроники и оптоэлектроники все более широко используются структуры, содержащие субмикронные слои монокристаллического кремния, а также арсенида галлия и других соединений типа АΙΙΙ ВV. На основе структур, содержащих тонкие слои GaAs, изготавливаются высокочастотные диоды Шотки и полевые транзисторы; тонкие слои твердых растворов GaAlAs входят в состав структур низкопороговых инжекционных лазеров, работающих на длине волны 0,85 мкм, а также содержатся в структурах полевых транзисторов на двумерном электронном газе. Тонкие слои GalnAsP используются в качестве активной области инжекционных лазеров, излучающих на длинах волн 1,3—1,5 мкм; в будущем на их основе, возможно, будут созданы полевые транзисторы нового поколения.