ЕПІТАКСІЙНІ ПЛІВКИ КРЕМНІЮ НА КРИСТАЛАХ ІНШИХ РЕЧОВОН
3.
4.
Епітаксійні плівки кремнію на ізоляторі
В залежності від матеріалу епітаксійного шару та підкладки розрізняють гомоепітаксію та гетероепітаксію. При гомоепітаксії хімічний склад шару і підкладки співпадають, наприклад, при осадженні кремнієвого шару на кремнієву підкладку. При гетероепітаксії хімічні склади епітаксійного шару та підкладки різні. Проте тип та основні параметри кристалічних решіток повинні бути однаковими.
Кремній на ізоляторі (КНІ) - технологія виготовлення напівпровідникових приладів, яка базується на використанні тришарової підкладки зі структурою кремній-діелектрик-кремній замість монолітних кремнієвих пластин, які звичайно використовуються. Дана технологія дозволяє досягти істотного підвищення швидкодії мікроелектронних схем при одночасному зниженні потужності і габаритних розмірів. Так, наприклад, максимальна частота перемикання транзисторів, виконаних за технологічним процесом 130 нм, може досягати 200 ГГц. У перспективі, при переході до технологічних процесів з меншим розміром активних елементів (вже існує 22 нм, або тільки розробляється зараз 10 нм), можливе ще більше підвищення цього показника [22, 23].
Підкладка, виготовлена за технологією «кремній на ізоляторі», являє собою тришаровий пакет, який складається з монолітної кремнієвої пластини, діелектрика і розміщеного на ньому тонкого поверхневого шару кремнію. В якості діелектрика може виступати діоксид кремнію SiO2 або, набагато рідше, сапфір (в цьому випадку технологія називається «кремній на сапфірі» або КНС). Подальше виробництво напівпровідникових приладів з використанням отриманої підкладки за своєю суттю практично нічим не відрізняється від класичної технології, де в якості підкладки використовується монолітна кремнієва пластина [22, 23].
|
|
|
В першу чергу технологія КНІ застосовується в цифрових інтегральних схемах (зокрема, в мікропроцесорах), більша частина яких в даний час виготовляється з використанням КМОH (комплементарної логіки на МОH-транзисторах). При побудові схеми за даною технологією велика частина спожитої потужності витрачається на заряд паразитної ємності ізолюючого переходу в момент перемикання транзистора з одного стану в інший, а час, за який відбувається цей заряд, визначає загальну швидкодію схеми. Основна перевага технології КНІ полягає в тому, що за рахунок тонкого поверхневого шару та ізоляції транзистора від кремнієвої основи вдається багаторазово знизити паразитну ємність, а, отже, і знизити час її зарядки разом зі спожитою потужністю. Інша перевага технології КНІ - радіаційна стійкість до іонізуючих випромінювань. Тому така технологія широко використовується для аерокосмічного і військового електронного обладнання.Гетероепітаксія кремнію на ізолюючих підкладках являється одним з перспективних напрямків в технології інтегральних мікросхем, так як в цьому випадку природним шляхом вирішується проблема ізоляції елементів схеми на підкладках. Недолік технології КНІ - велика вартість [24].
|
|
|
Кремній на сапфірі
Монокристалічні плівки кремнію великої площі на кристалі сапфіра (Al2O3) з високою адгезією отримали Манасевіт і Сімпсон. SiCl4 або SiHCl3 відновлювали воднем, або термічно розкладали силан.
Перед осадженням поверхню сапфіра обробляють воднем при високих температурах. Обробка у водні при температурі 1260 оС повинна продовжуватися не більше 2 годин, оскільки відбувається травлення сапфіра. Якість полірування поверхні повинна бути максимальною, оскільки від неї залежить якість шарів, що ростуть [25].
Хімічне травлення сапфіру здійснюють в наступних реакціях:
- фосфорна кислота (t=400-500 оС);
- фтористий свинець (t=850 оС);
- боракс (N2B4O7) (t=1000 оС).
Всі ці реакції видаляють деформований шар при шліфуванні. Після травлення фосфорною кислотою, ями травлення та подряпини на поверхні відсутні, але виникає хвилястість, швидкість травлення при цьому складно регулювати. В другому випадку травлення протікає швидко, але виникають нерівності. Найбільш досконалу поверхню дає обробка бораксом, однак при цьому виникає шар травника, який складно видалити, і плівка кремнію виявляється не якісною.
|
|
|
При відновленні трихлорсилану швидкість росту, яка лежить в межах 0,2-2,5 мк/хв., не впливає на якість плівок. З підвищенням температури росту від 1000 до 1200 оС плівки стають більш якісними, але при подальшому нагріванні рефлекси на рентгенограмах від цих плівок розмиваються і при температурах вище 1300оС утворюється полікристалічний шар [25, 26].
Ріст кремнію на сапфірі в звичайних умовах проходить шляхом виникнення та подальшої коалесценції трьохвимірних зародків.
При tn=1100 оС та 1250 оС (CSiCl4=2 мол.%) кристали кремнію, які виросли на поверхні сапфіра із зародків, мають неправильну форму. На електронограмі, яка відповідає початковій стадії росту, спостерігаються кільцеві рефлекси.
При tn=1200 оС (CSiCl4=2 мол.%) частинки мають чітко виражену форму країв у вигляді трикутника або шестикутника та мають орієнтування відносно підкладки (111) 110 Si (0001) 1120 Al2O3. При tn=1300 оС відбувається травлення підкладки з утворенням ям [25].
|
|
|
При використанні реакцій відновлення SiCl4 (SiHCl3) або розкладення SiH4 для утворення та росту зародків кремнію на сапфірі є певні відмінності в утворенні зародків. По-перше, при піролізі силану швидкість утворення та щільність зародків значно вища. По-друге, при відновленні SiCl4 кристали мають огранювання. По-третє, при осадженні із SiCl4 час, який потрібний для утворення суцільної плівки, на порядок вищий.
Щільність дислокацій на монокристалічних плівках кремнію на сапфірі виявляється високою (2 108 см-2). Це пояснюється низькою якістю кристалів-підкладок з густиною дислокацій 105-106 см-2, а також деформацією плівок внаслідок неоднакового теплового розширення кремнію та сапфірі. Залишкові напруги, які виникають в плівках кремнію з цієї причини, приблизно дорівнюють 1010 дин/см2 [25].
Для легування кремнієвих підкладок кремній осаджували на гранях (0001) та (1102) сапфіра по методу піролізу силану. При розкладанні силану без спеціального легування утворюються плівки з p-провідністю, опором від 1 до 100 Ом/см тa рухливістю носіїв 50-250 см2/с. Плівки з високим опором ростуть при низьких температурах або при меншому часу попереднього відпалювання підкладки у водні. Плівки з n-провідністю осаджуються при легуванні силану фосфіном. Для встановлення механізму легування окремі зразки піддаються додатковій термічній обробці в умовах, які виключають їх забруднення.
4.3. Гетероепітаксійні системи Ge1-x-Six
Орієнтована кристалізація кремнію на германії при відновленні SiCl4відбувається у вузькому інтервалі температур. При tn=900 оС германій покривається полікристалічним шаром кремнію і лише при температурі підкладки, близької до точки плавлення германію, кремній утворює на площині (111) суцільний орієнтований шар. Плівки кремнію та германію мають n-провідність [25].
Джерело кремнію знаходиться при температурі 1100 оС, а германієва підкладка - при 900 оС. Епітаксійні шари осаджують на підкладках з орієнтацією (111) та (100).
Вивчення структури кремнієвих шарів свідчить про їх низьку досконалість. Крім чисельних мікродефектів в самому осаді, під плівкою було знайдено кавітаційний шар, який містить великі порожнини. Його товщина росте зі збільшенням тривалості процесу. Цей шар виникає внаслідок дифузії германію в епітаксійну плівку кремнію. Після 64-годинного осадження германієву підкладку товщиною 1 мм розрізнити вже не вдається. За допомогою рентгенівського мікроаналізу було досліджено розподілення германію по товщині шару кремнію, що росте. З досліду було видно, що градієнт концентрації германію збільшується зі зниженням температури росту. Плівки монокристалічні по всій товщині, причому вимірювання періодів решітки твердих розчинів, що утворюються, узгоджуються з результатами мікроаналізу [25, 26].
При високій температурі германієвої підкладки за присутності парів йоду поряд з осадженням кремнію відбувається травлення германію.
Орієнтований ріст кремнію на підкладках із германію з орієнтацією (111) спостерігається до 650 оС. При більш низьких температурах швидкість росту значно знижується причому кремній осаджується в основному на стінках ампули при температурі близько 800 оС. Орієнтований ріст на підкладках з орієнтацією (100) проходить лише при tn>800 оС.
Для дослідження механізму потрапляння германію в кремнієві шари був вивчений вплив подальшого довготривалого відпалювання шарів (600 год. при 918 оС) на характер розподілення германію в плівці. Виявилося, що відпал не супроводжується помітною дифузією. Германій переноситься в шар не дифузійним шляхом, а через пори в підшарі внаслідок реакції з йодом в газофазній фазі [27].
В останні кілька десятиліть значна увага приділяється дослідженню властивостей та методів вирощування епітаксійних шарів Ge1-x-Six [25, 27]. Надзвичайний інтерес до таких структур обумовлений багатьма причинами. Одна із них полягає в тому, що можна змінювати фізичні властивості таких структур в заданому напрямку не вдаючись до додаткового легування, а лише змінюючи відносну концентрацію германію в епітаксійному шарі. Така зміна концентрації германію впливає, наприклад, на прозорість структур в оптичному спектрі, що є важливим для технології виготовлення сонячних елементів. Змінюючи неперервно вміст германію в гетероструктурі, можна приготувати великий спектр переходів з практично будь-якими властивостями, що є надзвичайно важливим у виробництві мікроелектронних приладів. Привабливість таких структур пояснюється ще й тим, що ґратки германію та кремнію мають однаковий структурний тип і лише незначно відрізняються періодами трансляцій, що робить можливим вирощування псевдоморфних перехідних шарів без таких дефектів, як двійники або включення іншої фази. Варто відзначити також і відносну дешевизну таких структур в порівнянні з двокомпонентними шарами на базі елементів In, Cd, Te[28, 29].
Таким чином, привабливість епітаксійних структур Ge1-x-Six визначається наступними факторами: широким спектром використання (завдяки можливості регулювати оптичними, електричними та магнітними властивостями без легування), високою технологічністю (подібність структури ґраток вихідних компонентів, доступністю і незначною собівартістю вихідних матеріалів.Гетероепітаксія дозволяє отримувати гетеропереходи, які володіють специфічними електрофізичними характеристиками.
Існує декілька широковживаних методів вирощування псевдоморфних шарів Ge1-x-Six, які умовно поділяються наступним чином:
- метод низькотемпературного осадження з рідинної фази;
- метод низькотемпературного осадження з газової фази;
- метод молекулярно – променевої епітаксії.
Розглянемо коротко деякі з таких методів. Метод лазерного розпилення передбачає наявність установки високого вакууму >10-5 Па, оскільки дифузія практично всіх елементів, які містяться в атмосфері, сильно змінює властивості перехідного шару, а поверхневі дефекти, що утворюються, сильно впливають на ріст наступних шарів, практично повторюючись в кожному наступному шарі [30]. При цьому вихідна кремнієва підкладка попередньо шліфується, очищується і знежирюється. Для запобігання утворенню термічних напруг вона попередньо підігрівається до температури, приблизно рівної температурі розплавленого германію. Режим сканування та потужність лазера підбираються таким чином, щоб запобігти острівковому росту епітаксійного шару.
Метод іонного розпилення вимагає значних енергетичних затрат. Це пов'язано з нагріванням підкладки і мішені та з прикладенням поля, необхідного для розгону іонів. Крім того, заряджені іони можуть утворювати неконтрольовані комплекси із точкових дефектів. Даним методом вдалося виростити плівки товщиною до 3 мкм.
Найбільш енергетично привабливим серед даних методів є метод хімічного осадження, оскільки не вимагає нагрівання і розплавлення вихідних компонентів. Але цей метод не дозволяє контролювати дифузію чужорідних домішок в перехідні шари, які обов'язково присутні у вихідних хімічних сполуках. Наприклад, часто спостерігається утворення сполук іншої фази на основі кремнію та вуглецю, що веде до порушення псевдоморфізму структури [31].
1.
2.
3.
4.
4.1.
4.2.
ВИСНОВКИ
1. Широке застосування у виготовленні інтегральних мікросхем епітаксійної технології дозволяє суттєво покращити електричні характеристики напівпровідникових приладів і створити конструкції елементів інтегральних мікросхем, які не можливо реалізувати ніяким іншим методом. Також існує можливість створення шарів с гнучким регулюванням профілю розподілу домішки, а також високою однорідністю електрофізичних параметрів шарів і відносно низькою собівартості процесу[20].
2.Метод молекулярно-променевої епітаксії перспективний для твердотільної електроніки створення НВЧ-приладів і оптичних твердотільних приладів і схем, в яких істотну роль грають шаруваті структури субмікронних розмірів. При цьому особливе значення надається можливості вирощування шарів з різним хімічним складом.
3. Епітаксію широко використовують в мікроелектроніці (транзистори, інтегральні схеми, світлодіоди й ін.), у квантовій електроніці (багатошарові напівпровідникові гетероструктури, лазери), у пристроях інтегральної оптики, в обчислювальній техніці (елементи пам'яті із циліндричними магнітними доменами) тощо.
4. В залежності від матеріалу епітаксійного шару та підкладки розрізняють гомоепітаксію та гетероепітаксію. При гомоепітаксії хімічний склад шару і підкладки співпадають, наприклад, при осадженні кремнієвого шару на кремнієву підкладку. При гетероепітаксії хімічні склади епітаксіального шару та підкладки різні. Проте тип та основні параметри кристалічних решіток повинні бути однаковими.
5. Гетероепітаксія кремнію на ізолюючих підкладках являється одним з перспективних напрямків в технології інтегральних мікросхем, так як в цьому випадку природним шляхом вирішується проблема ізоляції елементів схеми на підкладках.
CПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Пacинків В. В. Нaпівпровідниковіприлaди. / В. В. Пacинків, Л. К. Чиркин. CПб.: Лaнь. - 2006. - 479 c.
2. Получениевысококачественныхэпитаксиальныхслоевкремния методом молекулярнойэпитаксии // Журнал техническойфизики. – 1997. – Т.67, №2. – С. 132-133.
3. Готра З. Ю. Технологія електронної технікя / З. Ю. Готра. – Навч. Посібник: у 2-х т. – Львів: Видавництво Націанального університету «Львівська політехніка», 2010. – Т. 1. – 888 с.
4. Методичні вказівки до оформлення кваліфікаційних та дипломних робіт / укладач О. С. Лободюк. − Суми : Сумський державний університет, 2015. − 21 с.
5Андрєєв В.М. Кремниевыеструктуры для приборовмикроэлектроники. / В.М. Андрєєв, Д.В. Зинов'єв. - М.: МИЭТ, 2006 - 346 с.6. Проценко І. Ю. Технологія та фізика тонких металевих плівок. Навчальний посібник. – Суми: Видавництво СумДУ, 2000. – 148 с.
7. Ченга Л. Л. Молекулярно-лучеваяэпитаксия и гетероструктуры / Л. Л. Ченга, К. С. Плога – Москва: Мир, 1989. – 584 с.
8. Шенгуров В. г. Устройство для сублимационногомолекулярно-лучевогоосажденияпленоккремния. / В. Г. Шенгуров, Д. В. Шенгуров. – Москва : Выща школа, 2001, С. 154-156.
9. Т. А. Введение в микроэлектронику / Т. А. Сугано. Т. М. Икома, Ё. В. Такэиси. – Москва: Мир, 1988. – 320 с.
10. Ефимов И.Е. Микроэлектроника: Проектирование, видымикросхем, функциональнаямикроэлектроника/ И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов. – Москва: Высш. школа, 1987. – 416 с.
11. Закалик Л.І. Основи мікроелектроніки / Л. І. Закалик, Р. А. Ткачук.– Тернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 1998. – 352 с.
12. Гуcєв В.Г. Eлeктроника: В. Г. Гуcєв, Ю. М. Гуcєв. - М.: Вищaшколa. - 1991. – 622 с.
13. Бочаров Л.Н. Электронныеприборы. Л. Н. Бочаров. – Москва: Энергия, 1979. – 368 с.
14. Курносов А.И. Технологияпроизводстваполупроводниковыхприборов и интегральных мікросхем / А. И. Курносов, В. В. Юдин - Москва: Радио и связь, 1983. – 357 с.
15. Березин А.С. Технология и конструированиеинтегральных мікросхем / А. С. Березин, О. Р. Мочалкина. - Москва: Радио и связь, 1983 – 186 с.
16. Король А. Н.Электроника и электротехника / А. Н. Король. – Москва : Высшая школа, 1987. – 146 с.
17. Палатник Л. С. Эпитаксиальниеплёнки / Л. С. Палатник, И.И. Папиров – Москва: Наука. Главнаяредакцияфизико-математическойлитературы, 1971. – 480 с.
18. Устройство для сублимационногомолекулярно-лучевогоосажденияпленоккремния. Шенгуров В. Г., Шенгуров Д. В. Жуков Р. Т. // Приборы и техникаэксперимента. – 2001. – №1. – С. 154-156.
19. Бочаров Л.Н. Электронныеприборы. Д. Н. Бочаров – Москва: Энергия, 1979. – 368 с.
20. Валиев К.А. Физическиеосновысубмикроннойлитографии: К. К. Валиев, А. В.Раков. -Москва: Радио и связь, 1984. – 230 с.
21. Готра З.Ю. Технологія електронної техніки: Навч. Посібник: у 2 т. / З.Ю. Готра. - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2010. - Т.1. - 888 с.
22.Епітаксійні шари GaAs отримані газофазноюхлоридною епітаксією з використанням галієвого джерела легованого ітербієм / С.І. Круковський, Д.М. Заячук, І.О. Мрихін та ін. //Фізика і хімія твердого тіла. - 2009. - Т. 10, №3. - С. 594-597.
23. Богданович Б.Ю. Технологии и методыисследования структур КНИ. / Б.Ю. Богданович. - М. : МИЭТ, 2003. - 288 с.
24. Козлов Ю.Ф. Структура кремний на сапфире: технология, свойства, методыконтроля, применение. / Ю.Ф. Козлов, В.В. Зотов. - М.: МИЭТ, 2004 - 287 с.
25. Палатник Л.С. Эпитаксиальныепленки. / Л.С. Палатник, И.И. Папиров. - М.: Наука, 1971 - 480 с.
26. Палатник Л.С. Механизмобразования и структура конденсированныхпленок. / M.Я. Фукс, В.M. Косевич. - M.: «Наука», 1972 -318 с.
27. Електромеханічні, терморезистивні і фотоелектричні перетворювачі на основі монокристалів системи Si-Ge / Р.І. Байцар, С.С. Варшава, Е.П. Красноженов та ін. // Журнал неорганічних матеріалів. - 1996. - Т.8, №7. - С. 789-793.
28. http://journals.ioffe.ru/ftp/2010/10/p1433-1435.pdf - Рекристаллизация с границыразделакремний-сапфиркакновый метод получения структурно совершенныхпленоккремния на сапфировойподложке, дата доступу: 20.05.2016 р.
29. A onedimentionalSiGesuperlatticegrownby UHV epitaxy / E. Kasper, H.J. Herzog // Appl.Phys. - 1975. - V.1, №8. - P. 199.
30. Fabricationof n- and p-channel in-plane-gate transistorsfromSi/SiGe/Geheterostructuresbyfocusedlaserbeamwriting / M. Holzmann, P. Baumartner, C. Engel //Appl.Phys. Lett. - 1996.- V.6, №21 - P. 3025-3027.
31. PseudomorphicgrowthofGexSi1-x on siliconbymolecularbeamepitaxy / J.C. Bean, T.T. Shang //Appl.Phys.Lett. - 1984. - V. 4, №44. - P.102-107.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 164; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!