Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

11.Что такое фотолитография? Какие виды фотолитографии вы знаете?

12.Что ограничивает разрешающую способность фотолитографии?

13.Укажите методы формирования элементов ИМС, которые могут быть использованы в наноэлектронике.

14.Какая операция считается наиболее критичной при уменьшении размеров элементов ИМС?

20

3. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР

3.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

Для нормальной работы микроэлектронных изделий, сформированных на основе плоских наногетероструктурах необходимы резкие, атомарно гладкие границы между слоями, а толщина слоев во многих случаях должна выдерживаться с атомарной точностью. Очевидно, что слоевые гетероструктуры могут быть получены только эпитаксиальным наращиванием слоев. Но не все эпитаксиальные технологии могут дать границы с нужными свойствами. Например, эпитаксии из газовой фазы протекают при высоких температурах, что приводит к заметной диффузии атомов в объеме и к размыванию границ слоев. Жидкофазная эпитаксия не дает слоев, достаточно однородных по толщине.

Для формирования плоских гетероструктур и наногетероструктур используются в основном две технологии: моле- кулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений. Молекулярно-лучевую эпитаксию называют также молекулярно-пучковой (МПЭ). Моле- кулярно-лучевая эпитаксия более дорогая, чем газофазная, но более совершенная, обладает более широкими возможностями для контроля и управления ростом. МЛЭ используется главным образом для получения высококачественных тонких пленок и гетероструктур с нанометровыми слоями на основе полупроводниковых соединений А3В5, А2В6, SiGe и ряда других полупроводников. На ближайшее время технология МЛЭ является наиболее перспективной.

В методе МЛЭ пучки атомов, являющихся компонентами растущего соединения (или элементарного полупроводника), направляются в сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где и происходит синтез соединения и рост эпитаксиального слоя. Источники пучков атомов - испарительные ячейки, в каждой из которых содержится свой материал. Испарительные

21

ячейки называются также эффузионными ячейками Кнудсена (эффузия - медленное истечение газа через малое отверстие). Основные элементы ростовой камеры схематически показаны на рис. 3.1. Схема на рис. 3.1 а поясняет принцип эпитаксиального наращивания. Здесь 1 - источник нагрева подложки 2; 4 - испарительные ячейки для компонентов наращиваемого соединения (Ga, In, As, Рит. д.); 5 - ячейки для испарения легирующих элементов, определяющих тип проводимости и величину электропроводности. I зона генерации атомных пучков, II - зона смешивания пучков, III - зона эпитаксиального роста.

Рис. 3.1. Схема эпитаксиального наращивания (а) и общая схема ростовой камеры (б)

Испарительных ячеек в камере должно быть столько, сколько необходимо для получения слоев 2-, 3-, 4- и 5- компонентных соединений (например, GaAs, AIGaAs, InGaAsP, InGaAsSbBi) с различными легирующими элементами. Концентрации элементов в растущем слое определяются интенсивностью пучков, а интенсивность пучков задается температурой в испарительных ячейках. Управляя температурами ячеек и подложки, можно получать слои заданного состава. Состав можно менять после завершения формирования любого слоя на подложке. Ячейки обладают малой тепловой

22

инерцией и быстро реагируют на регулирование температуры, поэтому можно создавать резкое изменение концентрации компонентов и уровня легирования в гетеропереходе. С помощью заслонок 3 (рис. 3.1) можно в любой момент включать и выключать любой из атомарных потоков, направленных на подложку, что позволяет получать еще более резкий профиль изменения состава в гетеропереходе.

На рис. 3.1 б дана общая схема ростовой камеры. Камера

выполнена из нержавеющей стали, при работе в ней поддерживается давление 10-10-10-12 мм рт. ст. (~10-8- 10-10 Па). Каж-

дая ячейка 3 окружена криоэкранами 4, охлаждаемыми жидким азотом (77К), вторая криопанель 4 расположена по периферии камеры. Эти криоэкраны действуют как дополнительная откачка. Имеются заслонки отдельных ячеек 2 и основная (общая) заслонка 6, подложка на вращающемся держателе 7, несущем подложку и устройство для ее подогрева. Повышение однородности растущего слоя достигается вращением подложки; оно передается от специального двигателя через ось 11. Контроль вакуума осуществляется измерителем 8. В камере имеются смотровые окна 10, вакуумный шлюз для смены образцов 9, электронная пушка 5 и флуоресцирующий экран 1, которые используются для контроля скорости роста, качества поверхности, ориентации поверхности и постоянной решетки (непосредственно при эпитаксии). Скорость роста - примерно один монослой в секунду, т. е. ~1 мкм/ч.

На растущей поверхности происходят следующие процес-

сы:

1.Адсорбция падающих на подложку атомов.

2.Поверхностная диффузия адсорбированных атомов. (Прежде чем встроиться в решетку, атом совершает 105-106 прыжков по поверхности.)

3.Встраивание в кристаллическую решетку адсорбированных атомов основного вещества.

Температура подложки определяет соотношение между потоками адсорбции и десорбции атомов, а также скорость по-

23

верхностной диффузии перед встраиванием атомов в решетку. С ростом температуры увеличивается скорость поверхностной диффузии, но вместе с тем увеличивается скорость десорбции и уменьшается доля атомов ростового вещества, попадающего в растущий слой (коэффициент прилипания). Поэтому важен выбор оптимальной температуры роста и ее поддержание.

Растущая поверхность должна находиться в условиях сверхвысокого вакуума, так как неконтролируемое встраивание примесей из газовой фазы (фоновые примеси) может привести к ухудшению электрофизических параметров слоя. Например, при давлении азота ~10-6 мм рт. ст. скорость его осаж-

дения на подложку составляет ~ 3 1014 молекул/(см2с). По-

верхность кремния содержит ~ 3 1014 атомов/см2. Следовательно, для данного примера содержание азота в газовой среде приводит к образованию на подложке одного атомного слоя азота в секунду, что сравнимо со скоростью эпитаксиального роста.

Допустимая фоновая концентрация примеси для А3В5 составляет ~1013 атомов/см3, тогда как объемная концентрация атомов матрицы ~1022 атомов/см3, что на 9 порядков больше. Следовательно, давление в газовой фазе электрически активных атомов примеси должно быть ~1015 мм рт. ст. Сейчас такой уровень вакуума недостижим (достигается давление 10-13 мм рт. ст.). Тем не менее, на практике степень чистоты ~1013 атомов/см3 обеспечивается, так как часть атомов примеси отражается от поверхности, а часть реиспаряется из-за слабого взаимодействия с атомами кристалла.

Основные достоинства технологии МЛЭ:

1.Возможность формирования атомарно-гладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.

2.Получение счетного количества завершенных слоев, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами. На рис. 3.2 приведена микрофотография двух слоев AlAs толщиной ~2 нм (~6 монослоев) в матрице GaAs.

24