Epitaxe v plynné fázi je tvorba epitaxních vrstev polovodičů depozicí z plynné fáze . Nejčastěji se používá v technologii polovodičových součástek a integrovaných obvodů z křemíku , germania a arsenidu [1] , [2] .
Proces se provádí za atmosférického nebo sníženého tlaku ve speciálních reaktorech vertikálního nebo horizontálního typu . Reakce probíhá na povrchu substrátů ( polovodičových waferů ) zahřátých na 400–1200 °C (v závislosti na způsobu depozice, rychlosti procesu a tlaku v reaktoru ). Zahřívání substrátů se provádí infračerveným zářením , indukcí nebo odporovou metodou. Snížení procesní teploty pod limit pro tyto specifické podmínky depozice vede k vytvoření polykrystalické látkyvrstva. Na druhé straně umožňuje zmenšit šířku oblasti difúzního přechodu mezi epitaxní vrstvou a substrátem, jejíž přítomnost zhoršuje vlastnosti výsledných zařízení .
Existují dva hlavní způsoby, jak získat epitaxní křemíkové vrstvy metodou epitaxe v plynné fázi:
Při použití chloridu křemičitého jako zdroje lze celkovou reakci zapsat jako:
SiCl4 + 2H2 (suchý) \u003d Si + 4HCl
Reakce je reverzibilní a se zvýšením teploty a / nebo koncentrace chloridů začíná jít opačným směrem. Redukční reakce trichlorsilanu a dichlorsilanu jsou meziprodukty při vodíkové redukční reakci chloridu křemičitého. Jejich použití jako zdrojů křemíku proto umožňuje zlepšit technické a ekonomické ukazatele procesu. Zároveň se při výběru zdroje přihlíží ke specifikům použitých látek. Trichlorsilan a chlorid křemičitý jsou při pokojové teplotě kapalné , zatímco dichlorsilan je plynný . Chlorid křemičitý je méně nebezpečný během skladování a přepravy, takže trichlorsilan se obvykle používá, pokud se vyrábí v podniku.
Obecně lze proces vodíkové redukce chloridu křemičitého popsat následujícím reakčním systémem [3] , [4] :
Rychlost růstu vrstvy je 0,1-2,0 µm/min v závislosti na zdroji křemíku, teplotě a tlaku. Je úměrná koncentraci složky obsahující křemík v plynné fázi.
Omezení metody: na safírových substrátech nelze narůst epitaxní film, protože chlorovodík za těchto podmínek safír leptá .
SiH 4 \u003d Si + 2H 2
K rozkladu dochází při t=1050 °C, což oproti chloridové metodě zpomaluje difúzi a snižuje škodlivý účinek autodopingu. Díky tomu se této metodě daří získat ostřejší přechody mezi vrstvami.
Dopování epitaxních vrstev se provádí současně s jejich růstem reaktivním způsobem (přídavkem dopantu do směsi pára-plyn).
Plynné nečistoty ve většině případů umožňují postavit jednodušší instalaci, jsou však při skladování nestabilní a vysoce toxické ( fosfin , diboran , arsin )
Nejčastěji se v této kapacitě používá arsin AsH 3 .
Kapalné příměsi se nalévají do samostatné termostaticky řízené vsázky bublinkového (pokud se nečistota dobře neodpařuje) nebo odpařovacího typu (pokud se dobře odpařuje), do které je přiváděn nosný plyn H 2 . V tomto případě je však obtížnější kontrolovat koncentraci nečistot v epitaxní vrstvě.
Tuhé příměsi jsou rozstřikovány jiskrovým výbojem a následně transportovány do reakční komory vodíkem, případně odpařovány v nízkoteplotní zóně pece (pro tento způsob jsou stavěny dvouzónové pece).
Spolu s účelovým dopingem zahrnuje epitaxe také autodoping, tedy přenos nečistoty ze silně dotované vrstvy do vrstvy lehce dotované. Hlavním mechanismem autodopingu je difúze nečistot. Při depozici slabě dotovaných vrstev je však možná i sublimace nečistoty ze silně dotovaného substrátu a její přenos přes plynnou fázi s následným zabudováním do rostoucí slabě dotované vrstvy [5] , [4] .
Techniky pro epitaxi v parní fázi, při které se výchozí materiály různými způsoby odpařují a poté kondenzují na substrát bez účasti na chemických reakcích, zahrnují technologie depozice z molekulárních paprsků ve vakuu ( molekulární paprsková epitaxe ), bleskové odpařování, „hot wall“ “, stejně jako metody katodového naprašování a depozice.