9.6 Епітаксійне нарощування напівпровідникових шарів
Епітаксією називають орієнтоване зростання шарів, кристалічна гратка яких повторює структуру підкладки.
У мікроелектроніці на явищах епітаксії засновані технологічні процеси епітаксійного нарощування різних напівпровідникових структур.
Методи отримання. Механізм орієнтованого зростання моно-кристалічних шарів залежить від технологічного методу. Використовують три основні технологічні методи: газофазні реакції, вакуумне осадження і кристалізацію з рідкої фази.
При виготовленні епітаксійних напівпровідникових структур застосовують в основному газофазні реакції, наприклад, для епітаксійного синтезу – реакції відновлення хлоридів германію і кремнію, головним чином тетрахлоридів (
,
), гідрогеном до чистих елементів, що осідали в монокристалічній затравці, а також йодидний процесс – осадження на затравку плівок германію і кремнію з парів йодидів (
) у результаті реакції диспропорціонування.
Епітаксійне нарощування є одним з видів синтезу монокристалів і тому має багато спільного із вирощуванням кристалів з розчину або розплаву. Домінуючим чинником, що впливає на епітаксійне вирощування, є поверхнева рухливість обложених атомів. Вирощування кристала з газової фази відбувається швидше, ніж з розбавленого розчину, але повільніше, ніж з чистого розплаву. Швидкість росту, тобто лінійний приріст товщини плівки, складає декілька сантиметрів на добу. Вирощування монокристала складається з трьох основних етапів:
Міграція атомів, що осіли на поверхні, приводить до виникнення стійких зародків кристалізації. Внаслідок теплових коливань деякі атоми можуть відірватися від зародків. Вірогідність відриву тим більша, чим менше насичених зв'язків у атомів, що осіли. Енергія їх зв'язку з гранями кристала, що ростуть, пропорційна числу суміжних сторін. Нарощування епітаксійного шару відбувається уздовж поверхні, шар, що росте, повторює морфологію підкладки. Якщо підкладка і плівка, що росте, складаються з однієї речовини, то процес називають автоепітаксійним, якщо з різних – гетероепітаксійним. Залежно від співвідношення питомого опору шару
і підкладки 
розрізняють пряму (
) і зворотну (
) епітаксії.
За допомогою автоепітаксії в технології мікроелектроніки створюють тонкі монокристалічні шари кремнію, леговані необхідною домішкою до потрібної концентрації, в яких формуються активні і пасивні елементи ІМС. Гетероепітаксія дозволяє одержувати гетеропереходи, які мають специфічні електрофізичні властивості. Епітаксійне нарощування напівпровідникових шарів спільно з дифузією домішок використовують для отримання транзисторних структур напівпровідникових ІМС. Застосування методів епітаксійного нарощування шарів в технології напівпровідникових ІМС дає такі переваги:
а) отримання монокристалічних шарів напівпровідників із заданою орієнтацією кристалографічних осей;
б) рівномірний розподіл домішок в шарах (при використовуванні тільки дифузії домішок це практично неможливо);
в) лише дві стадії дифузії при отриманні чотиришарових транзисторних структур в інтегральних мікросхемах;
г) отримання транзисторних структур з кращими, ніж потрійна дифузія характеристиками і спрощення операцій з ізоляціії елементів р-n-переходами;
д) скорочення тривалості операцій, отримання транзисторних структур (швидкість росту епітаксійних плівок відносно висока).
Всі методи епітаксійного нарощування напівпровідникових шарів прийнято поділяти на прямі і непрямі. В прямих методах частинки напівпровідника переносяться від джерела до підкладки без проміжних хімічних реакцій шляхом випаровування з рідкої фази, сублімації, реактивного розпилювання. В непрямих методах атоми напівпровідників одержують на поверхні підкладки шляхом розжарення пари напівпровідникових з'єднань. До них відносяться методи, засновані на відновленні у гідрогені хлоридів, бромідів, йодидів кремнію і германію, а також методи піролізного розкладання силану і органічних сполук кремнію і германію.