Текст работы

Зміст

Вступ
Розділ 1. Загальна характеристика процесу епітаксії
.1 Основи теорії епітаксійного росту
.2 Способи проведення епітаксії
.2.1 Епітаксія з газової фази
.2.2 Рідкофазна епітаксія
Розділ 2. Молекулярно-променева епітаксія
.1 Легування плівок в процесі МПЕ
.2 Установка та вирощування плівок у процесі МПЕ
Розділ 3. Епітаксійні плівки кремнію на кристалах інших речовин
.1 Кремній на сапфірі
.2 Гетероепітаксійні системи Ge1-x-Six
Розділ 4. Використання гетероепітаксійних кремнієвих структур
Висновки
Список літератури

Вступ

Процеси епітаксійного росту аналогічні до отримання тонких плівок. Епітаксійні шари можна вирощувати термовакуумним (ТВН) методом, з парогазової (ПГФ), рідкої чи твердої фази. Більшість процесів епітаксії здійснюються осадженням з парогазової фази. В умовах надвисокого вакууму здійснюється молекулярно-променева епітаксія (МПЕ). Ріст кристала при епітаксії з ПГФ і МПЕ відбувається за температури нижчої від температури плавлення. Процес рідкофазної епітаксії відбувається шляхом кристалізації речовини на поверхні підкладки розплавленого металу, використовується переважно для отримання шарів подвійних чи потрійних напівпровідникових сполук. Також велике значення має вплив підкладки на кристалізацію речовини, що осаджується. Атом, який надходить із зовнішньої фази, може передавати їй свою кінетичну енергію. Сили зв’язку між підкладкою та адсорбованими атомами утримують останніх на поверхні. Кристалохімічні особливості підкладки повинні впливати на швидкість поверхневої дифузії адсорбованих атомів і тим самим на кристалографічну орієнтацію плівку, що осаджується. Недосконалість будови поверхні підкладки повинна позначитися на характері розподілу і будові матеріалу, який нарощується. Під час росту епітаксійні шари можна легувати, тобто в них вводять донорні або акцепторні домішки; унікальною особливістю епітаксії є можливість отримання високоомних шарів напівпровідника на низькоомних пластинах; при епітаксії можна одержати рівномірні розподіли або з різким перепадом концентрації на дуже малій відстані; можна отримати багатошарові структури в одному процесі.
Мета роботи полягала у вивченні теорій епітаксійного росту, способу проведення епітаксії, дослідження епітаксійних плівок кремнію на кристалах інших речовин, застосування гетероепітаксійних кремнієвих структур в електроніці.
Розділ 1. Загальна характеристика процесу епітаксії

Епітаксія - процес нарощування монокристалічних шарів речовини на підкладку (кристал), при якому кристалографічна орієнтація шару, що нарощується, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки. Епітаксія дозволяє отримувати такі тонкі (1 нм-10 мкм) однорідні монокристалічні шари будь-якого типу провідності і будь-якого питомого електричного опору, які неможливо створити іншим способом [1].
Розрізняють гетероепітаксію, коли речовини підкладки і шару, що нарощується, різні за хімічним складом і кристалічною структурою, та гомоепітаксію (автоепітаксію), коли підкладка і шар однакові за хімічним складом або відрізняються тільки домішковим складом. Епітаксія використовується в технології виробництва широкого класу електронних приладів та пристроїв для отримання (у вигляді плівок і багатошарових структур) епітаксійних шарів елементарних напівпровідників, сполук типу AIII BV, AII BVI, AIV BVI, гранатів, ортоферитів та інших матеріалів [1, 2].
Властивості епітаксійних плівок в багато чому визначаються умовами сполучення кристалічних решіток шару, що нарощується і підкладки, причому важливо, щоб вони мали структурно-геометричну відповідність. Найлегше сполучаються речовини, кристалічні структури яких однакові або близькі. Епітаксія легко здійснюється, якщо різниця параметрів постійних решіток а не перевищує 10%. В цьому випадку тонка епітаксійна плівка продовжує атомні площини підкладки (виникає псевдоморфний шар). При великих розбіжностях сполучаються найбільш щільно упаковані площини. При різних решітках сполучених речовин в епітаксійних плівках виникають дислокації невідповідності. Щільністю дислокацій невідповідності можна керувати, змінюючи параметри решітки зростаючого кристала (наприклад, введенням домішок) і отримувати таким чином бездислокаційні епітаксійні плівки з високою рухливістю і малою щільністю носіїв заряду. Крім структурно-геометричної відповідності, спряження речовин залежить від температури процесу, ступеня перенасичення речовини, яка осаджується, досконалістю підкладки і чистоти її поверхні. Тому підкладку перед епітаксією зазвичай піддають механічній та хімічній обробці. Епітаксійна плівка зростає за рахунок атомів і молекул, які складають абсорбційний шар, і швидкість росту залежить від перенасичення в цьому шарі [3].
Епітаксія можлива з будь-якої фази: газової (газофазна епітаксія), рідкої (рідинна епітаксія) і твердої (твердофазна епітаксія). Переважний розвиток отримали газофазна епітаксія і рідинна епітаксія [1].

1.1Основи теорії епітаксійного росту

Процеси епітаксійного росту аналогічні до отримання тонких плівок. Епітаксійні шари можна нарощувати термовакуумним методом (ТВН), з парогазофазної (ПГФ), рідкої чи твердої фази. Більшість процесів епітаксії здійснюються осадженням з парогазової фази. В умовах надвисокого вакууму здійснюється молекулярно-променева епітаксія (МПЕ). Ріст кристала під час епітаксії з ПГФ і МПЕ відбувається при нижчих температурах, ніж температури плавлення (Тпл.). Процес рідкофазної епітаксії відбувається шляхом кристалізації речовини кристалізації речовини на поверхні підкладки розплавленого металу, використовується переважно для отримання шарів подвійних чи потрійних напівпровідникових сполук [1].
Поверхню, через яку здійснюється спряження атомів обох речовин, називають когерентною поверхнею розподілу. Існує кілька моделей, що пояснюють характер спряження суміжних атомних площин двох речовин. Якщо параметри ґраток речовини відрізняються неістотно, то говорять про псевдоморфізм - результат пристосування міжатомних відстаней кристала, що нарощується, до міжатомний відстаней підкладки [1, 2].
Підкладка має істотний вплив на кристалізацію речовини, що осаджується. Атом, який надходить із зовнішньої фази, може передавати їй свою кінетичну енергію. Сили зв’язку між підкладкою та адсорбованими атомами утримують останніх на поверхні. Кристалохімічні особливості підкладки впливають на швидкість поверхневої дифузії адсорбованих атомів і тим самим на кристалографічну орієнтацію плівку, що осаджується. Недосконалість будови поверхні підкладки також позначаються на характері розподілу і будові матеріалу, який нарощується.
Під час росту епітаксійні шари можна легувати, тобто в них вводять донорні або акцепторні домішки. Унікальною особливістю епітаксії є можливість отримання високоомних шарів напівпровідника на низькоомних пластинах. При епітаксії можна одержати або рівномірні розподіли, або з різким перепадом концентрації на малих площах. Можна отримати багатошарові структури в одному процесі. Напівпровідникові епітаксійні монокристалічні шари, на відміну від монокристалів вирощених з розплаву, не містять домішок, які є центрами дефектоутворення [1, 3].
У мікроелектроніці, як правило, використовують гетерогенні процеси росту нової фази, тобто з процесами нанесення її на поверхню існуючої твердої фази - підкладки. Осадження речовини на поверхню підкладки здійснюється як у результаті хімічних, так і фізико-хімічних перетворень. Процес супроводжується або затвердінням (утворенням безструктурного осаду - скла), або кристалізацією - фазовим переходом першого роду.
Процеси нанесення речовини проходять у різних фізико-хімічних системах, де зовнішнім середовищем може бути газоподібна, рідка або тверда фаза, а підкладкою завжди є тверда фаза у вигляді моно-, полікристалічної або склоподібної речовини. Отже, під час нанесення нової фази на поверхню можливі три макромеханізми: газова фаза - тверда фаза, рідка фаза - тверда фаза і тверда фаза - тверда фаза [4].

1.2Способи проведення епітаксії

Епітаксія істотно розширює функціональні можливості елементів, пристроїв електронної техніки. Епітаксія можлива з будь-якої фази: газової (газофазна епітаксія - ГФЕ), рідкої (рідинна або рідиннофазна епітаксія - РФЕ) і твердої (твердофазна епітаксія - ТФЕ). Найбільший розвиток отримали ГФЕ та РФЕ [1].
Методи ГФЕ поділяються на хімічні та фізичні. Процес хімічної ГФЕ полягає у вирощуванні плівки з газової фази, отриманої в результаті таких хімічних реакцій:
·відновлення хлоридів Si та Ge воднем (SiCl4 + 2H2 ↔ Si + H Cl↑ - хлоридний процес);
·піролітичне розташування моносилану (SiH4 ↔ Si + 2H2↑);
·диспропорціонування диіодидів і дихлоридів Si і Ge (2SiCl2 ↔ SiCl4 + Si);
Ці процеси здійснюються в реакторах (рис. 2); газова система забезпечує подавання в реакторну камеру газової суміші необхідного складу. Додаючи до газової суміші сполуки легуючих елементів (наприклад, AsCl3, B2H6), вирощують епітаксійні шари n- або p- типу відповідно. Температура процесу коливається в межах 800-1300 °C.
До фізичних методів належать методи термічного осадження з молекулярних пучків у вакуумі, миттєвого випаровування, «гарячої стінки», а також методи катодного розпилення та осадження. За методом термічного осадження з молекулярних пучків речовина, що випаровується, нагрівається до необхідної температури у надвисокому вакуумі (800 оС.
Для дослідження механізму потрапляння германію в кремнієві шари був вивчений вплив подальшого довготривалого відпалювання шарів (600 год. при 918 оС) на характер розподілення германію в плівці. Виявилося, що відпал не супроводжується помітною дифузією. Германій переноситься в шар не дифузійним шляхом, а через пори в підшарі внаслідок реакції з йодом в газовій фазі [9, 10, 11].


Рис. 3.3. Залежність концентрації германію від товщини епітаксійної кремнієвої плівки [9]

В останні кілька десятиліть значна увага приділяється дослідженню властивостей та методів вирощування епітаксійних шарів Ge1-x-Six [9, 11]. Надзвичайний інтерес до таких структур обумовлений багатьма причинами. Одна із них полягає в тому, що можна змінювати фізичні властивості таких структур в заданому напрямку не вдаючись до додаткового легування, а лише змінюючи відносну концентрацію германію в епітаксійному шарі. Така зміна концентрації германію впливає, наприклад, на прозорість структур в оптичному спектрі, що є важливим для технології виготовлення сонячних елементів. Змінюючи неперервно вміст германію в гетероструктурі, можна приготувати великий спектр переходів з практично будь-якими властивостями, що є надзвичайно важливим у виробництві мікроелектронних приладів. Привабливість таких структур пояснюється ще й тим, що ґратки германію та кремнію мають однаковий структурний тип і лише незначно відрізняються періодами трансляцій, що робить можливим вирощування псевдоморфних перехідних шарів без таких дефектів, як двійники або включення іншої фази. Варто відзначити також і відносну дешевизну таких структур в порівнянні з двокомпонентними шарами на базі елементів In, Cd, Te [12, 13].
Таким чином, привабливість епітаксійних структур Ge1-x-Six визначається наступними факторами: широким спектром використання (завдяки можливості регулювати оптичними, електричними та магнітними властивостями без легування), високою технологічністю (подібність структури ґраток вихідних компонентів, доступністю і незначною собівартістю вихідних матеріалів.
Існує декілька широковживаних методів вирощування псевдоморфних шарів Ge1-x-Six, які умовно поділяються наступним чином:
метод низькотемпературного осадження з рідинної фази;
метод низькотемпературного осадження з газової фази;
метод молекулярнопучкової епітаксії.
Розглянемо коротко деякі з таких методів. Метод лазерного розпилення передбачає наявність установки високого вакууму ∼10-7 Toрр, оскільки дифузія практично всіх елементів, які містяться в атмосфері, сильно змінює властивості перехідного шару, а поверхневі дефекти, що утворюються, сильно впливають на ріст наступних шарів, практично повторюючись в кожному наступному шарі [14]. При цьому вихідна кремнієва підкладинка попередньо шліфується, очищується і обезжирюється. Для запобігання утворенню термічних напруг вона попередньо підігрівається до температури, приблизно рівної температурі розплавленого германію. Режим сканування та потужність лазера підбираються таким чином, щоб запобігти острівковому росту епітаксійного шару.
Метод іонного розпилення вимагає значних енергетичних затрат. Це пов’язано з нагріванням підкладки і мішені та з прикладенням поля, необхідного для розгону іонів. Крім того, заряджені іони можуть утворювати неконтрольовані комплекси із точкових дефектів. Даним методом вдалося виростити плівки товщиною від 10 Å до 3 мкм. Швидкість росту плівок становить ∼7 Å/с при іонному розпиленні і ∼50 Å/с при термічному випаровуванні.
Найбільш енергетично привабливим серед даних методів є метод хімічного осадження, оскільки не вимагає нагрівання і розплавлення вихідних компонентів. Але цей метод не дозволяє контролювати дифузію чужорідних домішок в перехідні шари, які обов’язково присутні у вихідних хімічних сполуках. Наприклад, часто спостерігається утворення сполук іншої фази на основі кремнію та вуглецю, що веде до порушення псевдоморфізму структури [15, 16, 17].

Розділ 4. Використання гетероепітаксійних кремнієвих структур

Протягом останніх 15 років корпорація Intel являється галузевим лідером в області створення діелектриків затворів транзисторів на основі діоксиду кремнію (SiO2). Провідні позиції корпорації підтверджуються розробкою семи поколінь логічних виробничих технологій. Однак зі зменшенням розмірів транзисторів спостерігається збільшення витоку струму. Запобігання цьому витоку є найважливішим завданням для забезпечення надійної і швидкої роботи транзисторів і стає все більш важливим фактором при проектуванні мікросхем. Корпорація Intel зробила значний прорив на шляху вирішення проблем, пов'язаних з живленням мікросхем, і впровадила гафній, новий матеріал з високим показником діелектричної проникності k "high-k", в якості діелектрика затвору замість діоксиду кремнію. Крім того, корпорація Intel перейшла до використання нових металевих матеріалів для заміни полікремнієвих електродів затворів транзисторів NMOS і PMOS. Ці нові матеріали в поєднанні з новою виробничою технологією дозволяють зменшити витік потужності на затворі більш ніж у 100 разів, забезпечуючи при цьому рекордну продуктивність транзисторів. Щоб досягти таких виняткових показників дослідники напівпровідникових технологій корпорації Intel випробували більше 100 сполучень різних матеріалів [18, 19].
Щоб створити транзистори нового покоління, корпорація Intel розробляє нові матеріали, які демонструють потенційну можливість заміни діелектриків затворів з діоксиду кремнію, в яких при зменшенні розмірів стає все складніше запобігти витоку потужності. Цей клас матеріалів, званий high-k, замінить використовуваних зараз технологій на основі діоксиду кремнію і буде використовуватися протягом декількох поколінь.
Позначення "high-k" означає високий показник діелектричної проникності. За допомогою цього показника вимірюється обсяг заряду, який може зберегти будь-який матеріал. Різні матеріали мають різні значення діелектричної проникності. Еталонним матеріалом для цього показника є повітря, для якого значення "k" дорівнює одиниці. Матеріали класу "High-k", такі як діоксид гафнію (HfO2), діоксид цирконію (ZrO2) та діоксид титану (TiO2) мають значення діелектричної проникності вище 3,9 значення для діоксиду кремнію [18].


Рис. 4.1. Звичайний та новий high-k транзистори [18]

Після багаторічних досліджень корпорація Intel підібрала відповідний матеріал high-k і відповідні матеріали електродів затворів, що дозволяють досягти рекордної продуктивності транзисторів NMOS і PMOS. Перейшовши на новий матеріал high-k, корпорація Intel змогла зберегти показники робочого струму на тому ж рівні, що і для старих матеріалів, і, при цьому, вирішити проблему витоку потужності.
Всі виробники напівпровідникових пристроїв постійно стикаються з проблемою перегріву мікросхем, що експоненційно зростає зі збільшенням кількості транзисторів. Скорочення витоку потужності, завдяки використанню нових матеріалів high-k, є одним з найважливіших кроків для охолодження транзисторів. Оскільки діелектрики затворів high-k можуть бути в кілька разів товщі, вони знижують витік потужності на затворі більш ніж у 100 разів, в результаті чого пристрої випромінюють менше тепла. Одночасно з цим корпорація Intel спроектувала і продемонструвала металеві електроди затворів, встановлювані поверх діелектриків і сумісні з діелектриками high-k [19].
Перехід на новий матеріал стане одним з найбільш значних досягнень в області еволюції МОП-транзисторів, де діелектрики затворів з діоксиду кремнію використовувалися з моменту їх появи в 60-х роках минулого століття. Для нового матеріалу high-k корпорації Intel буде потрібно нова виробнича технологія, що дозволяє наносити шари товщиною в одну молекулу. Результати початкових досліджень вже реалізовані в 45-нанометровій виробничій технології, однак корпорація Intel продовжує дослідження з метою створення другого покоління матеріалів high-k [19, 20].

Висновки

. Під час виконання курсової роботи було вивчено загальну характеристику процесу епітаксії та методи її проведення. Епітаксія - це метод осадження монокристалічної плівки на монокристалічну підкладку, при якому кристалографічна орієнтація шару, який осаджують, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки. Осаджена плівка називається епітаксійною плівкою або епітаксійним шаром. Епітаксія може відбуватися з газової (газофазна), рідинної (рідко) та твердої (твердофазна) фаз. Перевагою першого та другого методів над третім є простота виготовлення та менша трудозатрачуваність.
. В залежності від матеріалу епітаксійного шару та підкладки розрізняють гомоепітаксію та гетероепітаксію. При гомоепітаксії хімічний склад шару і підкладки співпадають, наприклад, при осадженні кремнієвого шару на кремнієву підкладку. При гетероепітаксії хімічні склади епітаксіального шару та підкладки різні. Проте тип та основні параметри кристалічних решіток повинні бути однаковими.
. Гетероепітаксія дозволяє отримувати гетеропереходи, які володіють специфічними електрофізичними характеристиками.
. Епітаксія на діелектричних та металічних підкладках відкриває великі можливості для розробки нових типів мікросхем.
. Гетероепітаксія кремнію на ізолюючих підкладках являється одним з перспективних напрямків в технології інтегральних мікросхем, так як в цьому випадку природним шляхом вирішується проблема ізоляції елементів схеми на підкладках.

Список літератури

1. Готра З.Ю. Технологія електронної техніки: Навч. Посібник: у 2 т. / З.Ю. Готра. - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2010. - Т.1. - 888 с.
2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ./ Под ред. А.В. Шальнова / И. Броудай, Дж. Мерей. - M.: Мир, 1983. - 494 с.
. Ефимов И.Е. Основы микроэлектроники: Учебник. 3-е изд., стер. / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь.- СПб.: Издательство «Лань», 2008. - 384 с.
. Закалик Л. І. Основи мікроелектроніки. Навчальний посібник. / Л.І. Закалик, Р.А. Ткачук. - Тернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 1998. -352 с.
. Епітаксійні шари GaAs отримані газофазною хлоридною епітаксією з використанням галієвого джерела легованого ітербієм / С.І. Круковський, Д.М. Заячук, І.О. Мрихін та ін. //Фізика і хімія твердого тіла. - 2009. - Т. 10, №3. - С. 594-597.
6. Богданович Б.Ю. Технологии и методы исследования структур КНИ. / Б.Ю. Богданович. - М. : МИЭТ, 2003. - 288 с.
. Андрєєв В.М. Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники. / В.М. Андрєєв, Д.В. Зинов'єв. - М.: МИЭТ, 2006 - 346 с.
. Козлов Ю.Ф. Структура кремний на сапфире: технология, свойства, методы контроля, применение. / Ю.Ф. Козлов, В.В. Зотов. - М.: МИЭТ, 2004 - 287 с.
9. Палатник Л.С. Эпитаксиальные пленки. / Л.С. Палатник, И.И. Папиров. - М.: Наука, 1971 - 480 с.
. Палатник Л.С. Механизм образования и структура конденсированных пленок. / M.Я. Фукс, В.M. Косевич. - M.: «Наука», 1972 -318 с.
11. Електромеханічні, терморезистивні і фотоелектричні перетворювачі на основі монокристалів системи Si-Ge / Р.І. Байцар, С.С. Варшава, Е.П. Красноженов та ін. // Журнал неорганічних матеріалів. - 1996. - Т.8, №7. - С. 789-793.
. http://journals.ioffe.ru/ftp/2010/10/p1433-1435.pdf - Рекристаллизация с границы раздела кремний-сапфир как новый метод получения структурно совершенных пленок кремния на сапфировой подложке, дата доступу: 20.11.2012 р.
13. A one dimentional SiGe superlattice grown by UHV epitaxy / E. Kasper, H.J. Herzog // Appl.Phys. - 1975. - V.1, №8. - P. 199.
. Fabrication of n- and p-channel in-plane-gate transistors from Si/SiGe/Ge heterostructures by focused laser beam writing / M. Holzmann, P. Baumartner, C. Engel //Appl.Phys. Lett. - 1996.- V.6, №21 - P. 3025-3027.
. Pseudomorphic growth of GexSi1-x on silicon by molecular beam epitaxy / J.C. Bean, T.T. Shang //Appl.Phys.Lett. - 1984. - V. 4, №44. - P.102.
. Growth contol of GexSi1-x/Si strained layer superlattice by the RHEED intencity oscillation / T. Sakamoto, K. Sacamoto, H. Oyange //Journal Phys. Paris. - 1987. - V. 7, №48. - P.5-333.
. Non-ideal current-voltage characteristics in MBE-grown Si1-XGex/Si heterojunction bipolar transistors / V. Roberts, D. Allsopp //Semicond. Sci. And Technol. - 1996. - V. 9, №9. - P.1346-1353.
18. http://www.intel.com/cd/corporate/techtrends/emea/rus/376689.htm - Исследования в области диэлектриков High-k и металлических затворов, дата доступу: 23.11.2012 р.
19. http://citforum.ru/hardware/microcon/45_nm/ - 45 нм: все только начинается, дата доступу: 23.11.2012 р.
. http://www.3dnews.ru/cpu/intel_penryn/ - Intel Penryn: первые 45 нм процессоры, дата доступу: 24.11.2012 р.