Рис. 3. Схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев InAs с помощью системы In-HCl-AsH3-H2: 1-выпускная труба; 2-подложка.
xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H2, (17)
где х - мольная доля HСl участвующая в реакции (сильно зависит от температуры). Следует отметить, что реакция протекает не до конца, т.е. химическое равновесие не наступает. Наиболее вероятной причиной наблюдаемого отклонения от химического равновесия является геометрия установки и значительные скорости потока газа. Гидриды элементов V группы, в том числе и AsH3, термически неустойчивы при температурах, обычно используемых при выращивании эпитаксиальных слоев. Основные реакции осаждения следующие:
3InCl+1/4As4+1/2H2 « InAs+HCl. (18)
При получении эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-AsH3-H2 является гибким методом наращивания. Качество слоев, полученных с помощью этой системы, обычно эквивалентно или даже превосходит качество слоев, полученных с участием других систем и методов, за исключением хлоридной системы In-AsCl3-H2.
Система InAs-SiCl4-H2.
Эпитаксиальные пленки арсенида индия высокой чистоты можно получать с использованием в качестве транспортирующего агента тетрахлорид кремния. Схема установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема установки для эпитаксиального наращивания InAs с использованием системы InAs-SiCl4-H2: 1-печь; 2-первый источник InAs; 3-второй источник InAs; 4-подложка.
Водород, насыщенный тетрахлоридом кремния, при температуре -30СО, подается во внутреннюю трубку реакционной камеры. Продукты разложения (водород, хлористый водород и дихлорид кремния) вместе с остатком тетрахлорида кремния поступают во внешнюю реакционную трубу, где взаимодействуют с первым источником арсенида индия. При этом на источнике растет пористая пленка кремния и образуется хлорид индия мышьяк. На втором источнике, предназначенном для полного восстановления хлоридов кремния, также осаждается небольшое количество кремния. Эпитаксиальное наращивание пленок арсенида индия проводится на одноименные подложки, расположенные за вторым источником. Этот процесс можно представить следующим
последовательнымрешением:
в реакционной камере
SiCl4 ® SiCl2+2HCl, (19)
с источник арсенида индия
2InAs+ SiCl4+ SiCl2®2Si+2InCl+1/4As4, (20)
2InAs+SiCl4®4InCl+As4, (21)
на подложке
2InCl+As2+H2®2InAs+HCl. (22)
Тетрахлорид кремния как транспортный агент в газотранспортных реакциях имеет преимущество перед другими хлоридами:
· может быть получен особо высокой степени чистоты;
· имеет высокое парциальное давление при относительно невысоких температурах;
· не дает донорных уровней в эпитаксиальном слое.
Пиролиз МОС.
Значительный интерес представляют реакции металлоорганических соединений. Процессы такого рода проводятся при низких температурах, что существенно повышает чистоту, синтезируемого соединения, кроме того синтез многих МОС носит избирательный характер, а так как целый ряд примесей, влияющих на электрофизические параметры полупроводниковых материалов, не образуют аналогичных соединений, то уже в процессе самого синтеза МОС происходит очистка от нежелательных примесей до уровня 10-5-10-6 вес %.
Основными реакциями, приводящими к образованию арсенида индия при участии МОС, можно назвать следующие:
· термическое разложение индивидуального МОС по схеме
RnInAs®InAs+nRH (23)
разложение происходит в атмосфере водорода;
· реакции элементоорганических производных, имеющими подвижный водород по схеме
(C2H5)3In+AsH3®InAs+3C2H6; (24)
· совместное разложение двух или более МОС или гидридов, приводящее к образованию твердых растворах на их основе.
В качестве источников индия и мышьяка для выращивания эпитаксиальных структур используются метил- и этил производные, эфираты триметил индия. Последние соединения в сравнении с триметилиндия более технологичны, так как менее реакционно способны и удобнее как в процессе очистки, так и при проведении процесса эпитаксиального наращивания.
Как правило, процесс осаждения термическим разложением МОС осуществляется в атмосфере водорода. Возможно проведение процесса также в смеси водорода и азота или только в азоте.
В зависимости от условий проведения процесса термического разложения арсенид индия может быть получен как в виде порошка, так и в виде эпитаксиально выращенных слоев.
Одним из преимуществ метода является легкость проведения легирования в процессе эпитаксиального наращивания. С этой целью применяют широкий ассортимент алкильных соединений элементов.
Из рассмотренных диаграмм парциальных давлений для хлоридного, хлоридно-гидридного метода и пиролиза триметилиндия с арсином в водороде следует, что максимальную область осаждения арсенида индия имеет система (CH3)3In-(CH3)3As-H2, минимальную система In-AsCl3-AsH3-H2. Из этого следует, что с учетом ограничений связанных с кинетикой, процесс получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС менее критичен к температуре, давлению и концентрации реагентов, а осуществление этого процесса возможно в более широком диапазоне, чем в случае хлоридного метода.
Важным вопросом с точки зрения развития метода получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС является возможность загрязнения слоев углеродом. Термодинамическим анализом процесса получения арсенида индия по реакции
(CH3)3In+AsH3®InAs+3CH4 (25)
показано, что переход углерода в слои арсенида индия за счет вторичных превращений углеводородов (метана, этана, этилена) в присутствии избытка арсина и водорода невозможно.
Получение эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием МОС открывает возможности стимулирования процессов газофазного выращивания под воздействием электромагнитного поля, лазерного и ультрафиолетового облучения.
Основными особенностями и преимуществами метода являются:
· простота конструкции реактора с одной высокотемпературной зоной;
· более низкая температура процесса, что уменьшает эффект самолегирования, улучшает профиль распределения концентрации по толщине слоя;
· возможность независимой регулировки исходных компонентов, что обеспечивает возможность получения эпитаксиальных слоев с любым заданным профилем распределения концентрации носителей заряда по толщине слоя;
· отсутствие травящих агентов (HСl) в системе позволяет осуществлять рост эпитаксиальных слоев на гетероподложках;
· возможность получать субмикронные эпитаксиальные слои (0.2-0.8 мкм), величина переходной области подложка-слой составляет 0.03-0.1 мкм.
Жидкофазная эпитаксия арсенида индия.
Несмотря на то, что получение эпитаксиальных слоев из паровой фазы является основным направлением в технологии изготовления полупроводниковых приборов процесс эпитаксиального оста из жидкой фазы в ряде случаев обладает некоторыми преимуществами к примеру
· при получении сильнолегированных слоев;
· p-n переходов высокого качества.
Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида индия производится с использованием легкоплавких металлов или их смесей, которые могут быть как донорными так и акцепторными примесями в получаемых слоях.
На качество и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев, выращиваемых из жидкой фазы, влияют следующие факторы:
· скорость охлаждения раствора-расплава;
· начальная равновесная температура раствора-расплава;
· увеличение веса растворяющего вещества сверх равновесного значения;
· соотношение объема расплава и контактирующей площади поверхности подложки с расплавом;
· физико-химическая природа растворителя и растворимого вещества;
· металлографическое состояние поверхности подложки;
· чистота используемых в процессе веществ и конструкционных материалов.
На рис.5 представлена схема установки для проведения процесса эпитаксиального роста из жидкой фазы, а на рис.6 изображена кривая нагрева печи в ходе процесса.
Рис. 5. Схема
установки эпитаксиального роста из жидкой фазы: 1-держатель подложки;
2-полдложка; 3-держатель раствора-расплава; 4-раствор-расплав.
Рис. 6. Температурный профиль процесса эпитаксиального роста InAs из жидкой фазы.
Электронографические и металлографические исследования установили, что слои выращенные в высокотемпературных областях, имеют более совершенную структуру по сравнению с теми, которые которые получены в низкотемпературных областях.
Молекулярно лучевая эпитаксия арсенида индия.
МЛЭ - один из современных и много обещающих технологических методов выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых структур.
Для осаждения эпитаксиальных пленок в МЛЭ используются управляемое испарение из термического источника (или одновременное испарение из нескольких источников) в условиях сверхвысокого вакуума. Типичная установка МЛЭ показана на рис. 7.
Рис.7. Схема установки для МЛЭ: 1-молекулярные или атомные источники с заслонками; 2-основная заслонка; 3-подложка; 4-аналитический блок.
Держатель подложки и источники атомных или молекулярных пучков - испарительные ячейки - находятся в условиях сверхвысокого вакуума, получаемого ионной откачкой. Испарительные ячейки представляют собой небольшие нагреваемые камеры (“стаканы”), открытые в сторону подложки. С целью уменьшения теплового взаимодействия и предотвращения взаимного загрязнения испарительные ячейки разделяют экранами, охлаждаемыми жидким азотом. Такой же экран помещают позади держателя образца для уменьшения загрязнения остаточной атмосферы в камере. С этой же целью держатели источников, подложки изготавливают из материалов с низким давлением паров, таких, как алунд, тантал, графит. Рабочий вакуум в ростовой камере близок к 10-8Па.
Для контроля молекулярных или атомных пучков и выращиваемых слоев непосредственно в процессе выращивания используются дифрактометр электронов высоких энергий “на отражение”, масс-спектрометр, оже-спектрометр и ионный вакуумметр, контролирующий нейтральные атомные пучки.
Возможность контроля непосредственно в процессе выращивания - одно из значительных преимуществ МЛЭ. В случае МЛЭ температура подложки может быть сравнительно невысокой (500-600ОС), что приводит к низкой скорости роста (порядка 0.1 нм/с) и низкой скорости объемной диффузии. Основная заслонка и заслонки испарительных ячеек позволяют очень быстро перекрывать пучки. Это дает возможность изменять состав или уровень легирования выращиваемых структур буквально на межатомном расстоянии.
При выращивании слоев арсенида индия методом МЛЭ атомы индия и молекулы As2 и As4 попадают на подложку арсенида галлия (100). К поверхности прилипают практически все атомы индия. Поток атомов мышьяка является избыточным и только один атом As на каждый атом In остается на подложке, формируя стехиометрический состав выращиваемого слоя. Интенсивность молекулярных пучков и, следовательно, скорость осаждения можно варьировать, меняя температуру индиевого источника. Обычно плотность потока индия близка к 1015 атом.(см2×с), а мышьяка она в 5-10 раз выше.
В качестве доноров при выращивании арсенида индия методом МЛЭ используют элементы IV групп, такие, как Si, Ge и Sn. Они могут входить в подрешетку индия или мышьяка, и тип легирования будет зависить от соотношения вакансий индия и мышьяка. Наименее чувствительно к этому соотношению олово, введение которого дает материал n-типа. Самой распространенной донорной примесью, по-видимому, кремний, при его использовании достигается наиболее высокая подвижность при температуре жидкого азота, которая обычно считается основным параметром, характеризующим качество арсенида индия.
Концентрация электронов в слоях арсенида индия, выращенных методом МЛЭ, может превышать 5×1018 см-3, что значительно больше той концентрации, которая достигается при использовании газофазной эпитаксии.
Еще одним преимуществом МЛЭ является сглаживание поверхности арсенида индия в процессе роста. Благодаря этому свойству метод МЛЭ особенно удобно использовать при выращивании гетеропереходов, сверхрешеток и многослойных структур. Как и в случае остальных эпитаксиальных методов, решающим для качества будущей пленки является качество приготовления подложки.
Заключение.
Результаты сравнения различных методов эпитаксиального выращивания приведены в табл. 1.
Список использованной литературы:
1. Вайсс Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение/Пер. с нем. под ред. Хомерики О. К. М.: Энергия, 1974. 384 с.
2. Исследование пригодности гомо- и гетероэпитаксиальных слоев GaAs, InAs и InSb для создания датчиков Холла различных направлений/ Портной Г. Я., Постных О. А., Тихонов В. И., Бессонов В. И.- В кн.: Синтез и рост совершенных кристаллов и пленок полупроводников. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1981, с. 127-132.
3. Герловин И. Л., Двас В. С., Лихницкий М. И. Гальваномагнитные эффекты и их использование. М.: Машиностроение, 1967. 72 с.
4. Александров Л. Н. Гетероэпитаксиальное осаждение полупроводниковых пленок.- Микроэлектроника, 1972, т. 1, № 2, с. 120-133.
5. Проблемы эпитаксии полупроводниковых пленок/ Под ред. Александрова Л.Н. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1972. 226 с.
6. Андреев В. М., Долгинов Л. М., Третьяков Д. Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. М.: Советское радио, 1975. 328 с.
7. Палатник Л. С., Папиров И. И. Эпитаксиальные пленки. М.: Наука, 1971. 480 с.
8. Обзоры по электронной технике: Развитие теории и практики эпитаксиального наращивания из жидкой фазы на примере GaP/Федоров В. А., Минаждинов М. С., Невский О. Б., Одинцова И. Р. М., 1980. Вып. 3 (724). Сер. 6. “Материалы”. 22 с.
9. Чистяков Д.Ю., Райков Ю. П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: Металлургия, 1979. 408 с.
10.Обзоры по электронной технике: Кинетика осаждения эпитаксиальных слоев соединений АIIIBV из газовой фазы/Стрельченко С. С., Матяш А. А., М., 11979. Вып. 8 (678). Сер. 6, “Материалы”. 56 с.
11.Обзоры по электронной технике: Молекулярно-лучевая эпитаксия (особенности технологии и свойства пленок)/Денисов А. Г., Садофьев Ю. Г., Сеничкин А. П. М., 1980. Вып. 14 (762). Сер. 7, “Технология, организация производства и оборудование”. 76 с.
12.Олсен Г. Х., Эттенберг М. Особенности получения гетероэпитаксиальных структур типа АIIIBV.- В кн. Рост кристаллов. М.: Мир, 1981, с. 9-77.
13.Крессел Г., Нельсон Г. Свойства и применение пленок соединений элементов групп III и V, полученных эпитаксией из жидкой фазы.- В кн.: Физика тонких пленок. М.: Мир, 1977, т. 7, с. 58-63.
14.Wieder H. H. Transport coefficients of InAs epilayers.-Appl. Phys. Lett., 1974, v. 25, N 4, p. 206-208.
15.Mc Carthy J. P. Preparation and properties of epitaxial InAs.- Solid- State Electron, 1967, v. 10, N 7, p. 649-655.
16.Исследование начальных стадий роста, структурных и электрофизических свойств гетероэпитаксиальных слоев InAs на GaAs/Стрельченко С. С., Захаров Б. Г., Гурфинкель В. И. и др.- В кн.: Рост и легирование полупроводниковых кристаллов и пленок. Новосибирск: Наука, 1977, ч. 2, с. 98-106.
17.Molecular beat epitaxial growth of InAs/Yano M., Nogami M., Matsuchima Y., Kimata M.- Japan. J. Appl. Phys., 1977, v. 16, N 12, p. 2131-2137.
18.Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп/Пер. с англ. под ред. Б. И. Болтаксаю М.: Мир, 1967. 477 с.
19.Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные полупроводники. М.: Советское радио, 1968. 267 с.
20.Хилсум К., Роуз-Инс А. Полупроволники типа А3В5/Пер. с англ. М.:ИЛ,1963.324 с.
21.Разуваев Г.А., Грибов Б.Г., Домрачев Г.А., Саламатин Б.А. Металлоорганические соединения. М.:Наука, 1972. 479 с.
22.Гидриды, галиды, МОС особой чистоты. М.: Наука,1976.143 с.
23.Осаждение пленок и покрытий разложением МОС. М.: Наука, 1981. 322 с.
24.Активируемые процессы технологии микроэлектроники: Межвузовский тематический научный сборник. Вып. 1. Таганрог, 1975.
25.Корзо В.Ф. и др. Пленки из элементорганических соединений в радиоэлектронике. М.:Энергия, 1973.
