- высокоомная плёнка на низкоомной подложке увеличивает коэффициент усиления и снижает мощность рассеяния биполярного транзистора
- снижаются экономические затраты
- уменьшается сопротивление омического контакта обратной стороны
- расширяются технологические возможности
Основа метода:
высокотемпературное разложение кремнийсодержащих газов с выделением (осаждением) кремния в твёрдой фазе
Хлоридный метод:
SiCl4 + 2H2 → SiТВ + 4HClГАЗ↑
Силановый метод:
SiH4 → Si + 2Н2
Структура установки газофазной эпитаксии кремния
Кинетика роста эпитаксиальной пленки
Используемые кремнийсодержащие реагенты:
- SiCl4 – тетрахлорид кремния
- SiHCl3 – трихлорсилан
- SiH2Cl2 – дихлорсилан
- SiH4 –силан
Наиболее изучен и используется в промышленности – SiCl4
Суммарная реакция – водородное восстановление Si из SiCl4
SiCl4ГАЗ + 2H2ГАЗ (1200°С)→ SiТВ + 4HClГАЗ↑
В зависимости от температуры реакция может пойти по разному:
SiCl4 + H2 ↔ SiHCl3 + HClГАЗ↑
SiHCl3 + H2 ↔ SiH2Cl2 + HClГАЗ↑
SiH2Cl2 + H2 ↔ SiCl2 + H2↑
SiHCl3 ↔ SiCl2 + HClГАЗ↑
SiCl2 + H2 ↔ Si + 2HClГАЗ↑
При низких и высоких температурах скорость роста отрицательна, т.е. начинается процесс травления
Механизм наращивания плёнки
- подход молекулы SiCl4 и Н2 к поверхности
- адсорбция молекул SiCl4 и Н2
- реакция SiCl4 + Н2 на поверхности
- десорбция продукта реакции HCl
- упорядочение атомов Si в решётке
Энергия активации процесса 5эВ соответствует энергии самодиффузии Si
Попытка значительно увеличить скорость роста плёнки приводит к росту поликремния!
Процессы массопереноса в эпитаксиальном реакторе. Число Рейнольца. Толщина пограничного газового слоя
Основные параметры массопереноса
|
Толщина пограничного слоя
У=(DrX / Re)1/2
Х – расстояние вдоль оси реактора от входа
- реагенты диффундируют из пограничного слоя к подложке
- продукты реакции диффундируют от подложки в пограничный слой и уносятся газовым потоком
Поток реагентов к подложке
J=D dn/dy
Вывод: для достижения равномерного осаждения плёнки необходимо поддерживать постоянным поток J путём поддержания dn/dy = const, т.е. конструкцией реактора
Число Рейнольдса – параметр, описывающий характер течения газа в реакторе
Re=Dr v ρ / μ
ρ – плотность газа, μ – вязкость, v – скорость течения, Dr – диаметр реакторной трубы
При Re > 2000 поток турбулентный
Re < 2000 поток ламинарный
Вывод: ламинарность потока, обеспечивающая однородность осаждения по площади подложек обеспечивается вариацией геометрии реактора для конкретного газа
Формирование пограничного слоя газа с уменьшением скорости течения газа у стенок трубы
Основные типы газофазных эпитаксиальных реакторов
Горизонтальный реактор
Колоколообразный реактор
Вертикальный (баррельный) реактор
Используемые газы
- продувочный газ (азот, либо аргон)
- перед процессом нанесения продувают реактор для удаления воздуха
- газ носитель – водород – газ, в котором разбавляют реагент SiCl4 или SiН
- газ травитель – обычно HCl – для очистки подложки непосредственно перед нанесением плёнки
- легирующий газ – газ, содержащий легирующую примесь (бор, фосфор)
- реагент – SiCl4 … SiН4 – газ, содержащий кремний