Технология эпитаксиальных слоев и гетерокомпозоций

№ 1629 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС C^ 

Кафедра технологии материалов электроники 

Л.В. Кожитов, В.В. Крапухин, В.А. Улыбин 

ТЕХНОЛОГИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ 
И ГЕТЕРОКОМПОЗИЦИЙ 

Учебно-методическое пособие 
для студентов специальности 200100 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

МОСКВА 2001 

УДК 621.315.5:538.971 
К58 

Кожитов Л.В., Крапухин В.В., Улыбин В.А. Технология эпитаксиальных слоев и гетерокомпозоций: Учеб.-метод, пособие. - M.: 
МИСиС,2001.-158с. 

Даны краткая история и пути и перспективы развития микроэлектроники, в частности, в области технологии эпитаксиальных гетерокомпозиций. 

Кратко описаны процессы парофазной эпитаксии химическим осаждением и жидкофазной эпитаксии кремния, соединений ΑΙΠΒν и их твердых 
растворов, применяемого оборудования. Приведены математические модели 
этих процессов, включающие термодинамический и кинетический блоки. При 
получении гетерокомпозиций учитываются упругие напряжения и рассматриваются пути их устранения, в частности, создание изопериодных композиций и сверхрешеток. 

Кроме того, приведены восемь комплексных задач для 
самостоятельного вычислительного эксперимента при выборе параметров 
процесса, а также процедура решения задач с использованием разработанного 
пакета программ на ПЭВМ. 

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 200100 
(направление 654100), а также для научных сотрудников и инженеровтехнологов, занимающихся разработкой систем управления и оптимизации 
технологических процессов. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический университет) 
(МИСиС), 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
5 

Введение. Твердотельная электроника XXI века 
8 

Использование электроники в народном хозяйстве 
8 

Интегральные схемы (состояние и развитие) 
10 

Литография 
11 

Металлизация 
12 

Гетеропереходы 
13 

Функциональная электроника (принципы и перспективы) 
14 

1. Общие вопросы получения эпитаксиальных композиций 
15 

1.1. Дизайн эпитаксиальных композиций 
15 

1.2. Оценка качества микросхем 
16 

1.3. Материалы микро- и оптоэлектроники 
19 

1.4. Подготовка пластин к эпитаксии 
21 

2. Получение эпитаксиальных слоев кремния методом 
парофазной эпитаксии химическим осаждением 
24 

2.1. Исходные соединения кремния 
24 

2.2. Установки для эпитаксии кремния 
28 

2.3. Математическая модель и процедура проведения 
вычислительного эксперимента 
30 

Задача 1. Исследование термодинамического равновесия 
при ПФЭХО кремния 
39 

Задача 2. Исследование кинетики роста и выбор 
параметров процесса ПФЭХО кремния 
56 

3. Получение эпитаксиальных слоев соединений группы ΑΙΠΒν 

методом ПФЭХО 
60 

3.1. Общие сведения о соединениях группы A111Bν 
60 

3.2. Методы ПФЭХО 
62 

3.3. Легирование эпитаксиальных слоев соединений A111Bν 
70 

3.4. Математическая модель хлоридно-гидридного метода 
получения эпитаксиальных слоев соединений A111Bν 

и их твердых растворов 
71 

Задача 3. Исследование равновесного состава фаз 
при ПФЭХО твердых растворов соединений ΑΙΠΒν 
79 

Задача 4. Исследование кинетики роста 
автоэпитаксиального слоя GaAs на подложке 
с ориентацией (100) в хлоридно-гидридном процессе 
89 

3 

4. Получение эпитаксиальных слоев методом жидкофазной 
эпитаксии 
93 

4.1. Изотермические и неизотермические процессы ЖФЭ 
93 

4.2. Оборудование для проведения ЖФЭ 
96 

4.3. Регламент проведения процесса ЖФЭ 
99 

4.4. Изотермические методы ЖФЭ 
101 

4.5. Математическая модель ЖФЭ соединений ΑΙΠΒν 

и их твердых растворов 
107 

Задача 5. Исследование равновесия раствор-расплав эпитаксиальный слой при жидкофазной эпитаксии 
трехкомпонентных твердых растворов соединений ΑΙΠΒν типа 
A1 В С 
115 

1-х 
χ 

Задача 6. Исследование кинетики жидкофазной эпитаксии 
трехкомпонентных твердых растворов 
соединений ΑΙΠΒν в диффузионном режиме 
126 

4.6. Жидкофазная эпитаксия кремния 
126 

5. Получение эпитаксиальных гетерокомпозиций 
130 

5.1. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях 
130 

5.2. Упругие напряжения в эпитаксиальных гетерокомпозициях ... 134 
Задача 7. Исследование роста упругонапряженных 
гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов 
ΑΙΠΒν методом ЖФЭ 
142 

5.3. Пути повышения структурного совершенства 
гетерокомпозиций 
146 

Задача 8. Выбор состава и процесса получения 
изопериодной гетерокомпозиций 
155 

Библиографический список 
157 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

На завершающей стадии подготовки инженера по специальности 200100 «Микроэлектроника и тверд од ельная электроника» (направление 654100 «Электроника и микроэлектроника») учебным планом 
предусмотрено чтение курсов по более узкой специализации. Используя накопленные студентом знания по фундаментальным общенаучным 
дисциплинам и предметам общеинженерной подготовки, необходимо 
научить будущего специалиста самостоятельно решать новые задачи, 
возникающие в практической работе. 

Курс «Технология эпитаксиальных гетерокомпозиций» имеет 
важное значение, поскольку эпитаксиальные слои широко применяются при создании современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС). 

Широкому использованию эпитаксиальных слоев способствует в ряде случаев их более высокое качество по сравнению с объемными монокристаллами. Будущее оптоэлектроники связывают с успехами в области эпитаксиальной технологии. 

За большие успехи в использовании гетерокомпозиций академику Ж.И. Алферову присуждена Нобелевская премия. 

Данное пособие является первым пособием по этому курсу, в 
котором технология рассматривается как наука, выявляющая сущность 
и закономерность физических, химических, механических явлений с 
целью совершенствования существующих и разработки новых, более 
эффективных процессов. По современным требованиям технологию 
следует доводить до создания математической модели процесса, что 
позволяет выбирать оптимальные параметры процесса и оборудование 
для его проведения. 

Математическое моделирование технологических процессов 
играет особую роль в микроэлетронике, развитие которой достигло такого уровня, когда чисто экспериментальный подход к разработке и 
оптимизации технологии производства не приемлем из-за дороговизны материалов, энергии, установок, требующихся для проведения физических экспериментов. Это приводит к необходимости создания автоматизированного рабочего места (АРМ) технологов и исследователей. Использование математических моделей для создания автоматических систем управления технологическими процессами (АСУТП) 
имеет особенное значение для электроники с ее прецизионными тех
5 

нологиями и высокими требованиями к качеству изделий. 

Математическое моделирование процессов получения эпитаксиальных гетерокомпозиций - это область, в которой достижения таких наук, как химия и физичская химия, физика полупроводников и 
физическое материаловедение, фундаментальная и прикладная математика дают непосредственный экономический эффект. Достаточно 
полное описание процессов, применяемых в производстве эпитаксиальных гетерокомпозиций, часто оказывается сложным и требует построения физических моделей высокого уровня, для проверки которых 
требуется постановка тончайших экспериментов. Не следует думать, 
что моделирование может полностью избавить от проведения физических экспериментов, так как для превращения теории в инструмент 
моделирования необходимо знание численных значений входящих в 
нее параметров, получаемых часто лишь в эксперименте. Также без 
дальнейшего экспериментального подтверждения выходных параметров моделирования бессмысленно использовать формальный аппарат 
решения исходных уравнений моделей. 

Матеметическое моделирование позволяет выявлять новые закономерности, связи исходных и базовых переменных модели, фундаментализировать их описания, что часто невозможно сделать чисто 
аналитически из-за сложности и громоздкости математического описания процессов. Алгебро-дифференциальные уравнения связи между 
параметрами модели во многих случаях можно решить лишь численными методами. Моделирование сейчас идет по пути использования 
универсальных ЭВМ высокого уровня. 

Трудно переоценить роль компьютерного моделирования в учебном процессе, когда имеется возможность самому студенту произвести вычислительный эксперимент, установить характеризующие технологический процесс параметры и зависимости, получить конкретные 
результаты, и все это - без затраты средств на проведение физического 
эксперимента и соответствующих измерений, не говоря уже о значительной экономии времени. Обучающийся получает возможность решить вполне конкретную технологическую задачу «до числа» или искомой зависимости. 

Существует ряд методов построения моделей технологических 
процессов, но, так как рассматриваемые процессы описываются химическими и квазихимическими реакциями и материальным балансом 
атомов, можно считать, что наиболее универсальным подходом явля
6 

ется создание модели, состоящей из трех блоков: 

Термодинамический блок - расчет состава фаз при равновесии. 
Блок материального баланса - исследование распределения элементов между продуктами процесса, равновесных выходов элементов, 
коэффициентов перехода примеси. 

Кинетический блок - исследование процессов роста эпитаксиальных слоев в реальных условиях, выявление лимитирующей стадии 
процесса. 

При написании пособия использованы источники по общей теории процессов полупроводниковой технологии [1-4], расчетам технологических процессов [5] и др. 

В главе 1 рассмотрены общие вопросы получения эпитаксиальных гетерокомпозиций. 

В главах 2 -4 рассматриваются процессы парофазной эпитаксии химическим осаждением (ПФЭХО) и жидкофазной эпитаксии 
(ЖФЭ) кремния и соединений ΑΙΠΒν, дается краткое описание сущности процесса и его математическое описание. Предлагаются задачи для 
проведения вычислительного эксперимента с использованием персонального компьютера. 

Гетерокомпозиций получают с испоьзованием названных процессов эпитаксии. Особенности их получения рассмотрены в последней главе. 

Пособие предназначено для подготовки к практическим занятиям и для использования при самостоятельной работе. 

7 

ВВЕДЕНИЕ. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ 
ЭЛЕКТРОНИКА XXI ВЕКА 

Использование электроники в народном 
хозяйстве 

XX век может быть назван: 
- атомным за открытие и реализацию внутренней ядерной энергии; 
- космическим за освоение космоса; 
- веком электроники, прошедшей путь от освоения беспроволочного телеграфа до создания полупроводниковой электроники со 
сверхбольшими интегральными схемами, позволившими сделать компактную аппаратуру для вычислительной техники, радиолокационной 
и дальней связи, автоматического управления, немало содействовавшей освоению ядерной энергией и космосом. 

На современном этапе развития электроники определяющими 
идеями являются [6]: 

- переход от микроэлектроники к наноэлектронике, использующей кристаллические структуры с характерными размерами порядка 10~8 м; 

- создание объемных устройств чрезвычайно малого размера 
(не более 1 см), но представляющих полностью действующий сложный прибор, например, компьютер; 

- функциональная электроника, включающая: оптроны, приборы акустоэлектроники, молекулярной электроники, криогенной электроники, магнето- и теплоэлектроники; 

- твердотельная ионика. 
В кристаллах веществ помимо электронов (на количество 
свободных электронов можно воздействовать нагревом, светом и 
другими видами энергии) могут присутствовать свободные ионы. 
В обычных веществах концентрация свободных ионов ничтожно 
мала, плохо регулируются и они движутся в твердых телах с очень 
малыми скоростями, хотя бы из-за значительно большей массы по 
сравнению с массой электрона. Вместе с тем у некоторых соединений обнаружены аномальные явления. Например, AgI (температура плавления 555 0C) имеет при комнатной температуре удельное 
сопротивление около 0,1 Ом· см, а при 147 0C ионная проводимость 
возрастает в несколько тысяч раз. Высокопроводящие ионные со
8 

единения относят к классу твердых электролитов или супериоников. 
Когда удалось синтезировать соединение Ag4RbI5, суперионики привлекли к себе внимание прибористов. 

Прогресс в развитии твердотельной электроники достигается фундаментальными исследованиями в области физики, физической химии, технологии полупроводников и полупроводникового 
материаловедения. 

Полупроводниковые материалы составляют основу элементной 
базы современной электронной техники. От прогресса в микроэлектронике и СВЧ технике зависят: 

- крупномасштабная компьютеризация; 
- спутниковое и кабельное телевидение; 
- системы связи; 
- медицинская электронная аппаратура; 
- бытовая электронная техника. 
Уровень разработок оптоэлектронных приборов определяет перспективы развития волоконно-оптических линий связи, систем сбора и отображения информации, контроля загрязнения окружающей среды, тепловидения, новейших диагностических средств 
широкого назначения. 

Сильноточные (силовые) полупроводниковые электронные устройства используют: 

- для экономичной передачи электрической энергии на большие расстояния; 

- для развития энергоемких металлургических и химических 
производств; 

- на железнодорожном транспорте; 
- в современных системах электропривода и энергоснабжения; 
- в современных системах автоматического управления различными процессами, в том числе протекающими в экстремальных условиях. 

Полупроводниковые солнечные элементы - экологически чистый источник электрической энергии. 

Термоэлектрические устройства, электронные твердотельные 
детекторы ядерных излучений, высокочувствительные сенсоры - таков далеко не полный перечень использования электронных устройств 
в современной жизни человека. 

Главная задача создателей полупроводниковой техники 
9 

разработка и изготовление полупроводниковых материалов с заданными электрическими, оптическими, фотоэлектрическими, люминесцентными и другими свойствами. Выбор полупроводникового материала и 
придание ему необходимых свойств легированием - задача дизайнера 
полупроводниковых композиций. Указанные задачи находят отражение 
в разработке интегральных микросхем. 

Интегральные схемы 
(состояние и развитие) 

Особенность микроэлектроники заключается в совмещении 
процесса получения материалов с созданием пленочной схемы, включающей активные и пассивные элементы и выполняющей определенную радиотехническую функцию. Наибольшее значение приобрели 
ИМС, изготовленные на одной полупроводниковой пластине по планарной технологии, при которой все технологические операции выполняются последовательно в одном направлении, перпендикулярном поверхности пластины. 

Пример. Исходная пластина - композиция, состоящая из 
подложки Si р-типа проводимости и эпитаксиального слоя (ЭС) 
и-типа проводимости. При нагреве в окислительной атмосфере 
на поверхности ЭС образуется пленка оксида Si (SiO2), которая 
служит защитным слоем для ρ — η переходов будущей ИМС. В 
пленке оксида для дальнейших операций необходимо "вырезать" окна и обнажить полупроводник. Это достигается в процессе литографии. Через окна в пленке SiO2 проводят диффузию акцепторной примеси - бора; в SiO2 бор диффундирует медленно, а в Si - быстро и в области окон получаем р-т\ш проводимости. В результате в пластине будут образованы несколько 
η -^-переходов, образующих диоды. 

Для создания транзисторов, резисторов и конденсаторов методом литографии в слое оксида формируют новые окна, проводят вторичную диффузию бора, но на меньшую глубину и вновь покрывают 
слоем оксида. Этот слой подвергают выборочному травлению и в вытравленные окна проводят диффузию донорной примеси (фосфора), которая позволяет получать эмиттеры транзисторов, катодные участки 
диодов и конденсаторов, а также омические контакты к области и-типа 
проводимости. Процессы диффузии могут быть заменены ионной 

10