Отримання таких плівок грунтується на методі епітаксіального нарощування, під яким мається на увазі орієнтований зростання кристалічного шару речовини на поверхні іншої кристала з відтворенням кристалічної орієнтації підкладки. При цьому характер розподілу легуючих домішок і дефектів в епітаксиальні шарі відіграє вирішальну роль у визначенні властивостей одержуваних на їх основі ІМС.
Для отримання таких плівок використовуються різні методи епітаксійного нарощування:
4) молекулярна (молекулярно-променева - МЛЕ) епітаксії
і деякі їх варіації.
Ідеальним є такий процес, який забезпечує однорідні, відтворювані результати при порівняно низьких температурах і дозволяє виготовляти плівки з досконалою структурою, продуктивний, економічний і безпечний.
При цьому вимоги, які пред'являються мікроелектронікою до епітаксіальним структурам, стосуються основних параметрів плівок:
1) мінімальні концентрації залишкових неконтрольованих домішок, присутніх під час росту плівки в газовій фазі;
2) відтворюваність концентрації легуючої домішки, що вводиться в газову фазу, а також рівномірності розподілу домішки в плівці;
3) строго досконалості вирощуваних плівок, тобто відсутності в їх обсязі точкових, лінійних, поверхневих дефектів і порушень періодичності їх кристалічної структури;
4) суворого досконалості і мінімізації перехідною області «підкладка-плівка»
5) забезпечення рівномірності товщини плівки по всій поверхні пластини.
Коливання не повинні перевищувати 10%.
Найбільш повно всім перерахованим вище вимогам відповідає метод газотранспортної епітаксії, який знайшов найбільш широке застосування в сучасній технології створення ІМС.
В даний час для епітаксійного нарощування кремнію використовуються в основному два процеси:
1) відновлення тетрахлориду кремнію воднем при температурі 1150-1200 ° С
2) термічний розклад силана при температурі »1050 ° С
Використання реакції (3.1) має суттєвий недолік порівняно з реакцією (3.2), так як обложений кремній вступає в оборотну реакцію з тетрахлорид кремнію з утворенням субхлоріда.
Це веде до подтравливания поверхні при великих концентраціях SiCl4. Реакція (3.З) в певному сенсі протилежна реакції осадження, а отже, швидкість росту епітаксіальної плівки є сума швидкостей цих двох процесів. Безумовно, що протікання процесів травлення поверхні при осадженні кремнію вкрай небажано і при епітаксиальні нарощування його виключають шляхом вибору температури нарощування, вихідної молярної концентрації SiCl4 в Н2 і швидкістю потоку водню.
Іншим найбільш істотним недоліком епітаксіального нарощування, властивим як методу відновлення тетрахлориду кремнію, так і методом розкладання силану, є взаємне проникнення в плівку і підкладку домішок, що містяться в підкладці і зростаючої плівці. Перерозподіл домішок при епітаксиальні вирощуванні різних структур, а також при подальших операціях тёрмообработкі є одним із важливих проблем при отриманні однорідних епітаксійних плівок з товщиною 1-1,5 мкм, що необхідно при створенні надвеликих і надшвидкісних ІМС з великою щільністю елементів.
Основними механізмами перерозподілу концентрацій домішок при епітаксії і операціях термообробки є:
1 взаємна дифузія у твердій фазі матеріалів шару і підкладки один в одного, а також домішок, що містяться в них;
2 перенесення домішки від задньої сторони підкладки в газову фазу і подальше вбудовування в зростаючий шар;
3 перенесення з верхньої сторони основи або епітаксійного шару після початку вирощування в газову фазу з подальшим зворотний включенням домішок в зростаючий шар;
4 перенесення домішки з верхньої сторони основи в газову фазу за рахунок того, що труїть поверхні на початку процесу і подальше її включення в зростаючу плівку (2-4-автолегірованіе).
В результаті такого дифузного перерозподілу початкове концентраційне розподіл домішок зазнає значних змін.
Слід зазначити, що характер зміни розподілу домішки в чому залежить від концентрації домішки в підкладці. Так, в разі сильно легованої підкладки розподіл концентрації експоненціально убуває від кордону підкладка-шар в обсяг шару. З огляду на, що в даний час використовуються епітаксіальні плівки, виражені на підкладках, що мають як високолеговані, так і низьколеговані області, то перерозподіл концентрації в епітаксіальної плівці над кожною з областей носить свій характер.
Одним з важливих моментів, що впливають на перерозподіл домішки в епітаксиальні шарі, є досконалість поверхні вихідної підкладки, оскільки будь-які неоднорідності підкладки відтворюються в плівці, що, в кінцевому рахунку, призводить до зміни коефіцієнтів дифузії домішок в прикордонному шарі епітаксіальна плівка-підкладка. Так, дослідження перерозподілів примесного профілю в результаті термообробки (Т = 1200 ° С, t = 45 хв) в шарах кремнію, вирощених на сильнолегованих миш'яком підкладках кремнію показали, що виміряні значення коефіцієнта дифузії легуючої домішки в області кордону в 3-8 разів перевищують значення в глибині шару. При цьому було встановлено, що аномально високі значення коефіцієнта дифузії викликані високою щільністю макродефектів, що виникають в шарі при епітаксії на сильно легованої підкладці. Для усунення даного явища зазвичай перед епітаксії проводять термообробку пластин при Т = 1200 ° С і травлення її поверхні в НС1, що в свою чергу підвищує роль автолегірованія (перенесення домішки з поверхні підкладки в газову суміш і подальше включення домішки в зростаючий шар) в процесі перерозподілу принеси в зростаючої епітаксіальної плівці. Так, при вирощуванні шарів відновленням SiСl4. навіть якщо вжити заходів, що обмежують дифузію з високолегованої підкладки, граничний шар товщиною 2-3 мкм майже завжди виявляється сильно легованих домішкою підкладки. Таким чином, процес автолегірованія є проблемою, специфічної для процесу епітаксії як з використанням методу відновлення тетрахлориду кремнію, так і при використанні методу розкладання силану, хоча в останньому випадку можна отримувати і різкі р + -р і n + -n переходи, ширина яких визначається в основному процесами дифузії в твердій фазі.
Для зменшення впливу дифузії з підкладки в зростаючий шар можуть бути використані два шляхи. По-перше, вибір матеріалу для легування підкладки, що має мінімальний коефіцієнт дифузії, наприклад, підкладки n-типу слід легувати миш'яком або сурмою. Інший шлях зменшення температури процесу епітаксійного вирощування і в зв'язку з цим вибір такого методу вирощування шарів, який дозволив би працювати при мінімальній температурі підкладки. Такі процеси дозволили б також запобігти і механізм автолегірованія, що, в кінцевому рахунку, дозволило б вирішити проблему отримання тонких епітаксійних шарів з товщиною 1 мкм і володіють рівномірним розподілом домішки по всій товщині. Прикладом такого процесу є використання двоступеневого процесу (з запалом), коли зародження шару ведеться при високій температурі, а основний процес ведеться при температурі 850 ° С. Такий процес дозволяє позбавиться від дифузії з підкладки в зростаючий шар, а при покритті зворотного боку підкладки SiО2 і графітового подложкодержателя SiC і від автолегірованія, використання такого методу дозволило отримати не сильно леговані епітаксіальні шари з шириною перехідної області епітаксіальна плівка-підкладка 0,1-0 , 2 мкм.
Однак використання двоступеневого процесу вимагає дуже тривалого часу для вирощування епітаксійного шару (кілька годин) через використання низької температури, що є великим обмеженням для використання його в серійному виробництві ІМС.
Таким чином, необхідний подальший пошук шляхів отримання тонких (1 мкм) епітаксійних шарів кремнію, що володіють рівномірним розподілом домішки по всій товщині і має мінімальну ширину перехідного шару епітаксіальна плівка-підкладка.