11.6.1. 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 эпитаксйальных 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-пер-еходом. Перед проведением процесса эпитаксиального наращивания пленки в предполагаемых местах размещения транзисторов в подложке с применением процессов фотолитографии и диффузии создаются сильнолегированные слои n-тйпа (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 авто-эпитаксии, 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. 11.6.1 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 К.НС 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.

Рис. 11.6.1. Сопряжение граней (100)Si к (0012)Al₂O₃ при нанесении кремния на монокристалл Al₂O₃

к (0112)А!20з при нанесении кремния на монокристалл

АЬОз

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.

Рис. 11.6.2. 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. 11.6.2). 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.