6. Епітаксія та її особливості. Молекулярно-променева епітаксія та її застосування для виготовлення сучасних елементів інтегральних схем.

Епітаксія – процес нарощення шарів речовини на підкладку(кристал), при якому кристалографічна орієнтація нарощуваного шару повторює орієнтацію кристалу підкладки. Епітаксія дозволяє отримувати тонкі(1 нм – 10 мкм) однорідні моно-кристалічні шари ,– так-звані епітаксіальні шари, будь-якого типу провідності та будь-якого питомого опору, які можна створити іншим способом. Розрізняють гетеро-епітаксію, коли підкладка та нарощуваний шар відрізняються за хімічним складом та кристалічною структурою, та гомо-епітаксію(авто епітаксію), коли підкладка та нарощуваний шар однакові за хім. складом або відрізняються лише домішковим складом. Хемо-епітаксія - це процес вирощування монокристалічного шару речовини, в результаті якого утворення нової фази відбувається при хімічній взаємодії речовини підкладки з речовиною, що надходять із зовнішнього середовища. Отриманий хемо-епітаксійний шар відрізняється за складом як від речовини підкладки, так і від речовини, що надходить на її поверхню ззовні.

Одним з найважливіших застосувань епітаксії є процес формування прихованого шару в напівпровідникових інтегральних мікросхемах. Наявність прихованого шару дозволяє підвищити швидкодію біполярних транзисторів і всієї мікросхеми в цілому. Можлива також безперервна зміна ступеня легування епітаксійного шару в процесі його вирощування, що призводить до поступової зміни рівня легування по товщині шару. Цей метод використовується, зокрема, в виробництві напівпровідникових сонячних батарей з поліпшеними робочими характеристиками.

У залежності від агрегатного стану речовини, з якої на підкладці формується епітаксійний шар, розрізняють паро-фазну, рідинно-фазну, твердо-фазну і газо-фазну епітаксії, а також молекулярно-променеву епітаксію.

Молекулярно-променева епітаксія: При молекулярно-променевій епітаксії поверхня напівпровідникової підкладки в надвисокому вакуумі (~ 10-9 - 10-7 Па) в строго контрольованих умовах обробляється кількома молекулярними пучками одночасно,в результаті чого на підкладці формується епітаксійний шар. Важливою особливістю молекулярно-променевої епітаксії є низька швидкість росту шару, яка становить приблизно 1 мкм / год або кілька моноатомних шарів у секунду. Це дозволяє контролювати хімічний склад нарощуваного шару і корегувати процес в міру необхідності. По суті, молекулярно-променева епітаксії дозволяє «сконструювати » епітаксіальний шар потрібного хімічного складу та кристалічної структури з окремих «цеглинок» - атомів і молекул. Особливо гарний даний метод для отримання багатошарових структур з різним компонентним складом, але з близькою кристалічною структурою з напівпровідникових з'єднань груп А³В⁵ та твердих розчинів на їх основі. На основі таких можна створювати напівпровідникові прилади з унікальними властивостями.

7 Окисленнянапівпровідників. Сухе та вологе окислення кремнію. Фізичні моделі та особливості технологічного процесу окислення кремнію.

Окислення кремнію – один з найхарактерніших процесів технології ІС. При цьому ми отримуємо плівку SiO2, яка виконує такі функції:

Функцію захисту – пасивації поверхні та захисту вертикальних ділянок p-nпереходів, щовиходять на поверхню
Функцію маски, через вікнаякоївводятьсянеобхіднідомішки
Функцію тонкого діелектрика під затвором МОН-транзистора

Поверхнякремнію завжди вкрита природнім шаром окислення, але її товщини не достатньо (її товщина біля 5 нм).

Види окиснення:

Піролітичне
Анодне
Хімічне
Термічне

Термічне окиснення – при температурах (1000-1200 С), тиск 500 атм. Зразки розміщуються у кварцовій трубі де нагріваються струмами високої частоти (або іншим чином), через трубу пропускають потік кисню. Якщо кисень атмосферний то це – сухе окиснення, якщо з парами води (вологе окиснення). У високотемпературних зонах виращується плівка SiO2 яка маэаморфну структуру.

Механізм окислення має 2 варіанти розвитку:

Перший ділиться на такіетапи:
1. Дифузія атомів кремнія через вже присутню плівку на поверхню
2. Адсорбція кисню поверхнею
3. Хімічна реакція окиснення
Другий:
1. Адсорбція кисню окисненою поверхнею
2. Дифузія кисню через окиснення до не окисненого кремнію
3. Окиснення

(в цьому випадку плівка наростає в глибину)

Сухе окиснення йде в десятки разів повільніше за вологе – для плівки в 0.5 мкм при 1000 С необхідно біля 5 годин, а у вологому десь 20 хвилин. При зменшенні температури на кожні 100 С час зростає у 2-3 рази.

Чим менша температура і сухіший кисень, тим якісніша і однорідніша плівка. Також якість залежить від якості реагентів та чистоти поверхні від дефектів.

Недоліки: не можна використати ці методи якщо є металізація, не можна створити шари d>2..3 мкм

Залежність товщини плівки від часу: