Что даёт эпитаксиальная плёнка?

- 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 → Si_ТВ + 4HCl_ГАЗ↑

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

SiCl_4ГАЗ + 2H_2ГАЗ (1200°С)→ Si_ТВ + 4HCl_ГАЗ↑

В зависимости от температуры реакция может пойти по разному:

SiCl₄ + H₂ ↔ SiHCl₃ + HCl_ГАЗ↑

SiHCl₃ + H₂ ↔ SiH₂Cl₂ + HCl_ГАЗ↑

SiH₂Cl₂ + H₂ ↔ SiCl₂ + H₂↑

SiHCl₃ ↔ SiCl₂ + HCl_ГАЗ↑

SiCl₂ + H₂ ↔ Si + 2HCl_ГАЗ↑

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=(D_rX / R_e)^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

R_e=D_r v ρ / μ

ρ – плотность газа, μ – вязкость, v – скорость течения, D_r – диаметр реакторной трубы

При R_e > 2000 поток турбулентный

R_e < 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