Газофа́зная эпитаксия — получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро - газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых , германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем , .

Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек ( полупроводниковых пластин ), нагретых до 400—1200 °C (в зависимости от способа осаждения, скорости процесса и давления в реакторе ). Разогрев подложек осуществляется инфракрасным излучением , индукционным или резистивным способом. Понижение температуры процесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированию поликристаллического слоя. С другой стороны, оно дает возможность снизить ширину диффузионной переходной области между эпитаксиальным слоем и подложкой, наличие которой ухудшает характеристики получаемых приборов .

Существуют два основных способа получения эпитаксиальных слоев кремния методом газофазной эпитаксии:

• водородное восстановление тетрахлорида кремния (SiCl ₄ ), трихлорсилана (SiHCl ₃ ) или дихлорсилана (SiH ₂ Cl ₂ );
• пиролитическое разложение моносилана

Хлоридный метод

При использовании в качестве источника тетрахлорида кремния суммарная реакция может быть записана в виде:

SiCl ₄ +2H ₂ (сухой)=Si+4HCl

Реакция обратимая, и при повышении температуры и/или концентрации хлорида начинает идти в обратную сторону. Реакции восстановления трихлорсилана и дихлорсилана являются промежуточными в реакции водородного восстановления тетрахлорида кремния. Поэтому их применение в качестве источников кремния позволяет повысить технико-экономические показатели процесса. В то же время при выборе источника учитывают специфику применяемых веществ. Трихлорсилан и тетрахлорид кремния при комнатной температуре являются жидкими , а дихлорсилан — газообразным . Тетрахлорид кремния является менее опасным при хранении и транспортировке, поэтому трихлорсилан обычно используют при наличии его собственного производства.

В целом процесс водородного восстановления тетрахлорида кремния может быть описан следующей системой реакций , :

• SiCl ₄ + H ₂ <--> SiHCl ₃ + HCl;
• SiHCl ₃ + H ₂ <--> SiH ₂ Cl ₂ + HCl;
• SiH ₂ Cl ₂ <--> SiCl ₂ + H ₂ ;
• SiHCl ₃ <--> SiCl ₂ + HCl;
• SiCl ₂ + H ₂ <--> Si + 2HCl

Скорость роста слоя — 0,1-2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе.

Ограничения метода: невозможно наращивать эпитаксиальную плёнку на сапфировых подложках, поскольку хлористый водород при этих условиях травит сапфир .

Силановый метод

SiH ₄ =Si+2H ₂

Разложение происходит при t=1050 °C, что, по сравнению с хлоридным методом, замедляет диффузию и уменьшает вредный эффект автолегирования. Благодаря этому, данным методом удаётся получать более резкие переходы между слоями.

Легирование

Легирование эпитаксиальных слоёв осуществляется одновременно с их ростом реактивным способом (добавлением легирующей примеси в паро-газовую смесь).

Газообразные примеси

Газообразные примеси в большинстве случаев позволяют строить более простую установку, однако нестабильны при хранении и высокотоксичны ( фосфин , диборан , арсин )

Наиболее часто в этом качестве используется арсин AsH ₃ .

Жидкие примеси

Жидкие легирующие примеси заливают в отдельный термостатированный дозатор барботажного типа (если примесь плохо испаряется) или испарительного типа (если хорошо испаряется), в который подают газ-носитель H ₂ . Однако в этом случае труднее регулировать концентрацию примеси в эпитаксиальном слое.

Твёрдые примеси

Твёрдые легирующие примеси распыляются искровым разрядом и далее транспортируются в реакционную камеру водородом, либо испаряются в низкотемпературной зоне печи (для данного метода строятся двухзонные печи).

Автолегирование

Наряду с целенаправленным легированием при эпитаксии происходит также автолегирование — перенос примеси из сильнолегированного слоя в слаболегированный. Основным механизмом автолегирования является диффузия примеси. Однако при осаждении слаболегированных слоев возможена также сублимация примеси из сильнолегированной подложки и её перенос через газовую фазу с последующим встраиванием в растущий слаболегированный слой , .

Физические методы ГФЭ

К методам газофазной эпитаксии, в которых исходные вещества испаряются различными способами, а затем конденсируются на подложку без участия в химических реакциях, относятся технологии осаждения из молекулярных пучков в вакууме ( Молекулярно-пучковая эпитаксия ), мгновенного испарения, «горячей стенки», а также методы катодного распыления и осаждения.

См. также

• Твердофазная эпитаксия
• Жидкофазная эпитаксия
• Магратрон
• Молекулярно-пучковая эпитаксия
• Осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы
• Эпитаксия
• CVD-процесс

Примечания