13. Эпитаксия. Факторы, влияющие на процесс эпитаксиального роста.

Под эпитаксией понимают явление, представляющее собой строго определённое по отношению к подложке ориентированное нарастание новой фазы (плёнки) того же или инородного вещества. Эпитаксия позволяет получать тонкие (1-10 мкм) однородные монокристаллические слои – эпитаксиальные слои – любого типа проводимости и удельного сопротивления, какие невозможно создать иным способом. Различают гетероэпитаксию, когда вещества подложки и наращиваемого слоя различны по химическому составу и кристаллической структуре, и гомоэпитаксию (автоэпитаксию), когда подложка и наращиваемый слой одинаковы по химическому составу, или отличаются только примесным составом.

Факторы, влияющие на процесс эпитаксиального наращивания. Свойства эпитаксиальных слоев во многом определяются условиями сопряжения кристаллических решеток наращиваемого слоя и подложки, при чем существенно их структурно – геометрическое соответствие: легче всего сопрягается вещества кристаллические структуры которых одинаковы или близки (например, вещества с кристаллической структурой сфалерита и алмаза).

Эпитаксия легко осуществляется, если разности постоянных решеток не превышает 10%. В этом случае тонкий эпитаксиальный слой продолжает атомные плоскости подложки (возникает псевдоморфный слой). При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотно упакованные плоскости. При размягченных решетках сопрягаемых веществ в эпитаксиальных слоях возникают дислокации несоответствия.

Плотностью дислокаций несоответствия можно управлять, меняя параметры решетки растущего кристалла (например, введением примесей) и получая таким образом бездислокационный эпитаксиальный слой с высокой подвижностью и малой плотностью носителей заряда.

Качество эпитаксиальных слоев зависит также от температуры процесса, степени пересыщения осаждаемого вещества, совершенства подложки и чистоты ее поверхности. Поэтому подложку перед эпитаксией обычно подвергают механической, химической или радиационной обработке. Эпитаксиальный слой растет за счет атомов и молекул, составляющих адсорбционный слой, и скорость роста зависит от пересыщения в этом слое.

При эпитаксии кремния формирование сплошного слоя протекает через зарождение, рост и коалесценцию зародышей, причем характер этого процесса зависит от метода наращивания. Осаждение из силана характеризуется более высокой плотностью зародышей, ранним достижением сплошности, преимущественной ориентацией и меньшей дефектностью.

Для исследования кинетики формирования кремниевых слоев на изолирующих подложках при различных температурах и скоростях наращивания используют методику световой индикации поверхности. На рис.3.1. приведены кривые отражения, полученные в процессе осаждения кремния на сапфировые подложки при различных температурах. Характерными особенностями кривых, снятых при сравнительно низких (900-9200С) температурах наращивания, являются равномерно затухающая интерференция в начальной стадии роста и значительное падение интенсивности отраженного луча при последующем увеличении толщины слоя (рис 3.1а). Это свидетельствует об отсутствии заметной коалесценции кремниевых островков в начальной стадии роста.

Рис. 3.1 Зависимости интенсивности отражённого светового луча от толщины эпитаксиального слоя при различных температурах выращивания.

Падение интенсивности отраженного луча с повышением толщины слоя вызвано интенсивным развитием рельефа поверхности связанного с поликристаллической структурой кремниевого слоя.

Повышение температуры наращивания до 10000С приводит к образования более совершенных кремниевых слоев с гладким рельефом поверхности. При этом на кривой отражения наблюдается некоторое снижения первого интерференционного максимума и лишь незначительное изменение отражательной способности пленки с увеличением ее толщины (рис 3.1б). С увеличением толщины кремния от 0,08 до 0,16 мкм структура пленки изменяется от ярко выраженного поликристалла до текстуры близкой к монокристаллу.

Повышение температуры наращивания до 10400С при толщине слоя 0.05 мкм приводит к упорядочению островков со слабым проявлением текстуры. Процесс коалесценции усиливается, что приводит к заметному падению амплитуды первого интерференционного максимума (рис.3.1в).

При толщине кремниевого слоя 0.1 мкм достигается оплошность, а при толщине 0.15 мкм в объеме слоя наблюдается двумерные дефекты, которые представляют собой микродвойники и дефекты упаковки.

Описанная эволюция структуры эпитаксиальных пленок кремния в процессе их роста сохраняется при увеличении температуры наращивания. Однако с увеличением температуры увеличивается скорость и этих изменений, т.е. характерные изменения структуры пленки наблюдаются на более ранних стадиях роста. Прямые измерения плотности двухмерных дефектов по мере роста толщины кремниевого слоя при различных температурах показали, что имеет место общая для всех температур тенденция – снижение плотности с увеличением толщины слоя.

При увеличении температуры от 1040 до 10800С усиливающаяся коалесценция кремниевых островков модулирует второй интерференционный максимум (рис.3.1г) и при температуре 11000С приводит к резкому изменению кривой интенсивности отражения (рис.3.1д). Неоднородность пленки при толщине 0,15-0,2 мкм приводит к образованию характерного минимума на кривой отражения, приходящегося на третий и четвертый интерференционные максимумы.

С дальнейшим увеличением температуры наращивания до 11700С характер кривых отражения не изменяется (рис.3.1е,ж), однако наблюдается увеличение во времени периода неоднородности кремниевого слоя и заметное снижение его отражательной способности. Дальнейшее снижение интенсивности отраженного луча отличается при увеличении температуры наращивания до 1180–12000С (рис. 3.1з). Это обусловлено поликристаллическим ростом пленок, получаемых при этих температурах. Итак, при высоких температурах ориентированному росту кремниевых островков препятствует интенсивное взаимодействие кремния с сапфиром. Островки как бы обволакиваются пленкой аморфного алюмосиликатного стекла.

Основными параметрами, характеризующими эпитаксиальные слои, являются: химический состав, толщина, тип проводимости, удельное электрическое сопротивление, равномерность по толщине, подвижность носителей заряда, распределение концентрации у границы с подложкой, кристаллическое совершенство. Упорядоченная совокупность одного или нескольких эпитаксиальных слоев, нанесенных на подложку, называется эпитаксиальной структурой. Эпитаксиальные структуры подразделяются на собственно эпитаксиальные (гомоэпитаксиальные) и гетероэпитаксиальные. Примером структуры первого типа может служить простая эпитаксиальная кремниевая структура n – Si на подложке n+ - Si, второго типа – гетеропереход, образованный твердым раствором GaAsxP1-x на подложке GaAs.