Эпитаксия: основные положения и классификация, принципы сопряжения решеток

Термин «эпитаксия» был введен в 1928 году Руане, изучавшим явление ориентированного нарастания одного вещества на кристаллической поверхности другого, т. е. наиболее общий случай ориентированной кристаллизации. Можно классифицировать эпитаксию по видам конкретного фазового перехода. В этом случае говорят об эпитаксии из газовой (парогазовой) фазы, жидкофазной эпитаксии или даже о эпитаксиальном наращивании из твердой фазы, причем материал подложки служит затравочным кристаллом.

В дальнейшем мы практически не будем касаться вопросов эпитаксии из твердой фазы, имеющей ограниченное практическое применение, например при восстановлении решетки после процесса ионной имплантации или горцев лазерных элементов, требующих специальной обработки для устранения дефектов механической обработки. В современной литературе часто классифицируют процесс эпитаксии, исходя из кристаллографических параметров подложки и пленки, причем последнюю называют эпитаксиальной. Если материал и кристаллическая структура подложки и пленки идентичны, процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным, хотя лишь в редких случаях на практике процесс строго соответствует вышеприведенному определению. Как правило, подложка и пленка даже в случае использования одного и того же материала значительно отличаются по своим параметрам, либо вследствие легирования различными приемами, либо по уровню легирования и, как следствие, есть отличия в величинах констант решетки, наличии напряжений вокруг атомов примесей, флуктуациях химического потенциала.

Отметим далее, что даже при полном соответствии кристаллографических структур подложки и пленки в зависимости от условий проведения процесса (скорости, температуры осаждения и т. п.) могут вырастать как монокристаллические, так и аморфные или поликристаллические пленки. В том случае, если химический состав подложки отличается от состава пленки, говорят о гетероэпитаксиальном процессе, однако и в этом случае структуры решеток пленки и подложки должны быть сходными для обеспечения роста монокристаллического слоя. В этом случае полностью бездефектного сопряжения решеток принципиально быть не может. В технологии микросхем часто используют ориентированное наращивание пленок на произвольно выбранную поверхность кристаллической подложки, полнокристаллическую или аморфную поверхности. В этом случае также оказалось возможным получать монокристаллические или частично ориентированные (текстурированные) слои.

Речь идет об одновременной кристаллизации из большого числа зародышей, распределенных по всей площади макроскопической подложки, и нам необходимо создать условия, при которых возникающие зародыши были бы одинаково ориентированы и достаточно совершенны. В этом случае при разрастании и последующем смыкании этих зародышей на поверхности подложки образуется определенным образом ориентированный первичный слой, на который и будет происходить дальнейшее наращивание. Нетрудно представить, что при произвольной ориентации зародышей пленка будет состоять из сросшихся поликристаллов, а в том случае, когда поступающие на поверхность частицы будут лишены возможности мигрировать по ней мы можем получить аморфный слой. Все сказанное подтверждает, что выращивание эпитаксиальных пленок является сложным, многофакторным процессом, требующим для получения качественных результатов не менее дорогостоящего оборудования, чем, например, установки для роста монокристаллов. Проблемы, связанные с полной автоматизацией этих процессов еще ждут своего решения. Тем не менее, развитие технологии микроэлектроники не может быть эффективным без решения этих проблем. Наилучшие результаты в этом направлении достигнуты при получении эпитаксиальных пленок кремния.

Первоначально широкое использование эпитаксиальной технологии было вызвано ростом требований к параметрам дискретных, кремниевых транзисторов. Их структуру формировали в объеме подложки толщиной порядка 200 мкм методом двойной диффузии. Коллектором при этом служила часть подложки, примыкающая к базе, созданная диффузией с поверхности, и, следовательно, величина коллекторного напряжения задавалась удельным сопротивлением кремниевой подложки. А если так, то оказывались как бы заданными и другие параметры транзистора—емкость коллектора, сопротивление насыщения, время рассасывания носителей заряда при переключении и т. д. Добавим к этому, что вся структура формировалась в слое подложки, не превышающем 10—15 мкм, т.е. более 90% дорогостоящего кремния не использовалось. Это отрицательно сказывалось на КПД прибора, его частотных и импульсных характеристиках.

Использование высокоомных эпитаксиальных слоев на подложках с низким удельным сопротивлением позволило успешно решить эти проблемы. Практически одновременно был достигнут реальный успех при создании интегральных схем на биполярных транзисторах, в которых подложка (р-типа) и эпитаксиальная пленка (n-типа) имеют различные типы проводимости для создания изоляции обратно смещенным р—n-переходом. Перед проведением процесса эпитаксиального наращивания пленки в предполагаемых местах размещения транзисторов в подложке с применением процессов фотолитографии и диффузии создаются сильнолегированные слои n-типа (скрытые слои), обеспечивающие низкоомные коллекторные контакты.

На первом этапе исследования эпитаксиальных процессов было выдвинуто положение о необходимости структурного соответствия подложки и пленки по срастающимся граням и отдельным рядам. До тех пор пока речь шла о случаях автоэпитаксии, это утверждение не вызывало существенных возражений, однако по мере развития и внедрения в практика эпитаксиальных методов было обнаружено слишком большое число исключений из этого правила, чтобы можно было ему довериться. В настоящее время, когда в подавляющем большинстве практического приложения эпитаксиальных методов речь идет о наращивании кремниевых пленок на кремниевые же подложки, данный вопрос не является существенно важным—его не требует уже сама постановка задачи. В то же время развитие оптоэлектроники, функциональной электроники и т. п., когда надо наносить вполне определенные пленки на инородные им подложки, причем свойства этих и пленок и подложек определены вполне конкретными их физическими свойствами, необходимыми для решения конкретной задачи, выдвинуло проблему соответствия решетки и подложки на первый план. Суммируя итоги многолетних теоретических и экспериментальных работ, можно сформулировать современное состояние проблемы: при правильное понимании взаимодействия поверхности подложки с растущей пленкой и соответствующей технологией проведения процесса можно обеспечить условия, когда эпитаксиальным образом могут срастаться два вещества с совершенно различными как кристаллическими структурами, так и типами химических связей.

В этой связи сразу возникают два предельных случая взаимодействия атомов подложки и атомов нарастающей пленки. В первом из них можно учитывать превалирующее взаимодействие атомов решетки подложки и пленки между собой. Тогда решетка подложки как бы достраивается атомами растущей пленки. Именно эта ситуация является наиболее типичной для современной эпитаксиальной технологии, и большинство вопросов возникает по поводу влияния характера сопряжения решеток пленки и подложки на ориентацию и дефектность растущей пленки. Во втором случае принимается, что взаимодействие атомов в растущей пленке значительно превышает взаимодействие атомов пленки и подложки. Теория этого варианта разработана значительно слабее, практика почти целиком основывается на экспериментальных данных. Тем не менее необходимо отметить, что без теоретической разработки этого варианта невозможно представить себе технологию будущих объемных приборов микро- и оптоэлектроники.

Рассмотрим основные критерии взаимных ориентации подложки и пленки для достижения их оптимального сопряжения. В случае эпитаксии изоструктурных соединений наблюдаются простые параллельные ориентации. Этот вариант реализуется при получении гетеропереходов между полупроводниками, кристаллизующимися в структурных типах алмаза, сфалерита или вюрцита. Значительно сложнее случай, когда необходимо осуществить эпитаксию неизоморфных веществ, например кремния на сапфире КНС. Представим себе, что эпитаксиальное наращивание КНС состоялось, и мы рассматриваем физическую картину на границе раздела. Поскольку потенциальная энергия атомов в каждой из примыкающих решеток является периодической, атомы, расположенные по обе стороны границы раздела, располагая свободными связями, стремятся взаимодействовать друг с другом, располагаясь в таком порядке, чтобы занимаемые ими положения отвечали или были близки к минимуму потенциальной энергии всей системы, объединяющей приграничный слой.

Для достижения этого межатомные расстояния по обе стороны границы в слоях к ней непосредственно примыкающих должны несколько измениться, что, естественно, вызовет появление механических напряжений в плоскости границы. Для того чтобы возможно большее число поверхностных связей могло максимально взаимно насытиться через границу раздела необходимо, чтобы на срастающихся поверхностях геометрия расположения атомов была подобна, а их ретикулярные плотности одинаковы. В случае пленок КНС этот подход, называемый принципом структурно-геометрического подобия, приводит к поиску сопрягающихся поверхностей по двум критериям: во-первых, ретикулярная плотность в плоскости нарастающего кристалла должна быть высокой; во-вторых, ретикулярные плотности в сопрягающихся плоскостях кристаллов должны быть одинаковы, а симметрия расположения атомов, в этих плоскостях подобной. В таком случае выберем у кремния и окиси алюминия наиболее упакованные грани: (100), (110), (111) для кремния и (1120), (0001) и (0112) у окиси алюминия. На рис. 1 показано сопряжение граней (100) кремния к (0112) окиси алюминия.

Отметим, что данный подход не учитывает ни различия в природе химических связей, ни их число и ориентацию, ни действие кулоновских сил, когда одно из веществ является ионным кристаллом. Эти вопросы частично рассмотрены при учете электростатического взаимодействия решеток металличёской пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку (щелочно—галлоидный кристалл). Согласно этой теории (Брюка—Энгеля), сумма расстояний между атомами (ионами) металлической пленки и анионами подложки должна быть минимальной, т. е. максимальна должна быть энергия электростатического взаимодействия между первыми слоями металлической пленки и подложки. Учет этого вида взаимодействия в ряде случаев позволяет по-новому подойти к процессу эпитаксиального наращивания. Отметим, что для системы КНС атомы кремния располагаются над атомами алюминия так, чтобы установить связи со свободными валентностями кислорода. Можно представить себе, что энергия, ионизации атома, адсорбированного на поверхность ионного кристалла из паровой фазы, понижается за счет электростатического взаимодействия с ионом противоположного знака.

Сопряжение граней Si к AlO
Рис. 1. Сопряжение граней (100)Si к (0012)Al2O3 при нанесении кремния на монокристалл Al2O3 к (0112)Al2O3 при нанесении кремния на монокристалл

В таком случае процесс ионизации осажденных атомов и процесс эпитаксиального наращивания могут происходить при более низких температурах, чем, например, на металлических подложках, так как в данном случае миграция осажденных атомов в равновесные состояния будет реализовываться не только за счет теплового движения но и за счет электростатического взаимодействия между ионами осаждаемого металла и подложки.

При планировании использования метода эпитаксии в технологии микроэлектроники необходимо решить вопрос о характере сопряжения кристаллических решеток подложки и пленки. Предположим, что на данную подложку эпитаксиально нанесена пленка, отличающаяся по своим физическим параметрам от материала подложки. Очевидно, что любое изменение межатомных расстояний, не сопровождающееся изменением химического состава, должно вызывать появление в решетках обеих фаз больших механических напряжений и резкое возрастание их объемных свободных энергий. Механические же напряжения могут еще возрастать при термоциклировании, вызывая разрушение пленок, если налицо значительные температурные коэффициенты расширения ТКР подложки и пленки. Нам необходимо найти и реализовать условия, при которых как деформация решеток, так и возрастание свободной энергии были бы минимальными. Если создать условия, при которых процессы взаимной диффузии компонентов пленки и подложки будут достаточно эффективны, можно осуществить сопряжение решеток через переходный слой, в котором переход от одних параметров к другим будет осуществляться плавно за счет непрерывного изменения его химического состава.

Расчет параметров слоя и условий его образования производится на основе анализа диаграмм состояний. Однако следует отметить трудности этого подхода, вызываемые необходимостью как проводить процессы в неравновесных условиях, так и получать достаточно четкие и резкие профили многослойной структуры будущего микроприбора. Прямо противоположный подход требует создания условий, исключающих диффузию и способствующих образованию на поверхности подложки тонкой пленки выращиваемого вещества, причем обладающей структурой подложки.

Сетка пограничных дислокаций (дислокаций несоответствия)
Рис. 2. Сетка пограничных дислокаций (дислокаций несоответствия)

Это явление носит название псевдоморфизма. Предполагается, что по мере увеличения толщины происходит переход параметров решетки тонкой пленки к величинам, характерным для объемного образца. Причем для этого варианта величина перехода не должна превышать нескольких процентов, так как нам и не требуется больших толщин, а для решения общей поставленной задачи требуется очень тонкая пленка. При больших несоответствиях, измеряемых десятками процентов, для сопряжения необходимо, чтобы часть возникающей упругой деформации снималась сеткой пограничных дислокаций, называемых дислокациями несоответствия (рис. 2). Расстояние между дислокациями несоответствия зависит от разности периодов решеток. Можно стремиться создать условия, когда даже при больших величинах разницы в постоянных решеток пленки и подложки, вся поверхность раздела последних будет как бы разбита на области полного сопряжения решеток, разделенных узкими дефектными полосками, образованными дислокациями несоответствия. Дислокации несоответствия возникают, таким образом, на стадии образования зародышей, и их плотность возрастает при повороте зародыша вокруг нормали к поверхности роста.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru