Механизмы наращивания эпитаксиальных пленок

Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 1).

Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl4, трихлорсилан - SiHCl3, дихлорсилан - SiH2Cl2 и силан - SiH4) и водород. При таких условиях возможно протекание химических реакций типа SiCl4 + 2H2 = Siтв + 4HCl.

Рис. 1. Схема реактора для эпитаксии из парогазовой смеси.

1- держатель
2- кремниевая пластина
3- пленка

Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически, т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и название "химическое осаждение из газовой фазы".

Процессы массопереноса

Число Рейнольдса - безразмерный параметр, описывающий характер течения газа в реакторе:

Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса Re = D*v*r/h = 100 меньше критического значения Reкрит = 2000, где D - диаметр трубы реактора, v - скорость течения газа, r - плотность газа, h - коэффициент вязкости газа.

Если Dr составляет несколько сантиметров, v - несколько десятков сантиметров в секунду, то

Re<2000 - ламинарное течение газа в реакторе. В этом случае около стенок реактора формируется

пограничный слой с уменьшенной скоростью течения газа. Толщина слоя:

y = (D·x/Re)^1/2

По мере продвижения слоя вдоль реактора его толщина увеличивается вплоть до полного смыкания. Причина полного смыкания пограничного слоя не всегда небольшая длина реактора. Через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют от поверхности подложки и удаляются основным потоком газа.

Рис. 2. Образование приграничного слоя в горизонтальном реакторе.

Рис. 3. Зависимость скорости роста пленки от расстояния вдоль подложкодержателя.

При конструировании реактора в первую очередь должно быть учтено влияние величины у на процессы массопереноса. Поскольку величина y, определяющая поток реагентов к поверхности, обратно пропорциональна скорости потока газа, то для достижения однородности скорости роста эпитаксиальной пленки по длине реактора при заданной температуре необходимо подбирать оптимальное значение толщины пограничного слоя, согласованное с изменением температуры и концентрации реагентов. Этого можно достичь, например, путем изменения потока газа в реакторе (т.е. числа Re). Таким образом, изменяя число Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки одновременно и добиться условий равномерности (см. рис. 3).

Например, для трубы диаметром D = 20 см обычная скорость течения газа составляет v = 50 см/с, а значение y = (D*x/Re)^1/2 меньше, чем половина диаметра трубы (x - расстояние вдоль оси реактора).

Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того, как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это происходит при температурах процесса от 900 ºС до 1250 ºС. Обычно скорость роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких микрометров в минуту.