La epitaxia en fase gaseosa es la producción de capas epitaxiales de semiconductores por deposición a partir de una fase gaseosa de vapor . Se utiliza con mayor frecuencia en la tecnología de dispositivos semiconductores y circuitos integrados de silicio , germanio y arseniuro de galio [1] , [2] .
El proceso se realiza a presión atmosférica o reducida en reactores especiales de tipo vertical u horizontal . La reacción tiene lugar en la superficie de los sustratos ( obleas semiconductoras ) calentadas a 400-1200 °C (según el método de deposición, la velocidad del proceso y la presión en el reactor ). El calentamiento de los sustratos se realiza por radiación infrarroja , inducción o método resistivo. Reducir la temperatura del proceso por debajo del límite para estas condiciones específicas de deposición conduce a la formación de un policristalino.capa. Por otro lado, permite reducir la anchura de la región de transición de difusión entre la capa epitaxial y el sustrato, cuya presencia empeora las características de los dispositivos resultantes .
Existen dos formas principales de obtener capas epitaxiales de silicio por el método de epitaxia en fase gaseosa:
Cuando se usa tetracloruro de silicio como fuente, la reacción general se puede escribir como:
SiCl 4 + 2H 2 (seco) \u003d Si + 4HCl
La reacción es reversible, y con un aumento de temperatura y/o concentración de cloruro, comienza a ir en sentido contrario. Las reacciones de reducción de triclorosilano y diclorosilano son intermedias en la reacción de reducción de hidrógeno del tetracloruro de silicio. Por tanto, su uso como fuentes de silicio permite mejorar los indicadores técnicos y económicos del proceso. Al mismo tiempo, al elegir una fuente, se tienen en cuenta las características específicas de las sustancias utilizadas. El triclorosilano y el tetracloruro de silicio son líquidos a temperatura ambiente , mientras que el diclorosilano es gaseoso . El tetracloruro de silicio es menos peligroso durante el almacenamiento y el transporte, por lo que generalmente se usa triclorosilano si se produce internamente.
En general, el proceso de reducción de tetracloruro de silicio con hidrógeno se puede describir mediante el siguiente sistema de reacción [3] , [4] :
La tasa de crecimiento de la capa es de 0,1 a 2,0 µm/min, según la fuente de silicio, la temperatura y la presión. Es proporcional a la concentración del componente que contiene silicio en la fase de vapor-gas.
Limitaciones del método: es imposible hacer crecer una película epitaxial sobre sustratos de zafiro, ya que el cloruro de hidrógeno graba el zafiro en estas condiciones .
SiH 4 \u003d Si + 2H 2
La descomposición se produce a t=1050 °C, lo que, en comparación con el método del cloruro, ralentiza la difusión y reduce el efecto nocivo del autodopaje. Debido a esto, este método logra obtener transiciones más nítidas entre capas.
El dopaje de las capas epitaxiales se lleva a cabo simultáneamente con su crecimiento de forma reactiva (agregando un dopante a la mezcla de vapor y gas).
Las impurezas gaseosas en la mayoría de los casos permiten construir una instalación más sencilla, pero son inestables durante el almacenamiento y altamente tóxicas ( fosfina , diborano , arsina )
La mayoría de las veces, la arsina AsH 3 se usa en esta capacidad .
Los dopantes líquidos se vierten en un dosificador separado controlado termostáticamente de tipo burbujeante (si la impureza no se evapora bien) o de tipo evaporación (si se evapora bien), en el que se suministra gas portador H2 . Sin embargo, en este caso es más difícil controlar la concentración de impurezas en la capa epitaxial.
Los dopantes sólidos se rocían mediante una descarga de chispa y luego se transportan a la cámara de reacción mediante hidrógeno, o se evaporan en la zona de baja temperatura del horno (los hornos de dos zonas se construyen para este método).
Junto con el dopaje intencional, la epitaxia también implica el autodopaje, es decir, la transferencia de una impureza de una capa fuertemente dopada a una ligeramente dopada. El mecanismo principal del autodopaje es la difusión de impurezas. Sin embargo, durante la deposición de capas ligeramente dopadas, también es posible la sublimación de una impureza de un sustrato fuertemente dopado y su transferencia a través de la fase gaseosa con la posterior incorporación a una capa ligeramente dopada en crecimiento [5] , [4] .
Las técnicas para la epitaxia en fase de vapor, en las que los materiales de partida se evaporan de varias maneras y luego se condensan en un sustrato sin participar en reacciones químicas, incluyen tecnologías para la deposición de haces moleculares en el vacío ( epitaxia de haces moleculares ), evaporación instantánea, "pared caliente". ", así como métodos de deposición y pulverización catódica.