Gasphasenepitaxie

  • Gasphasenepitaxie

    Bei diesem Verfahren erfolgt die kristalline Ablagerung von Material, das in der Prozessanlage im Gaszustand zur Verfügung steht. Das Wachstum erfolgt dabei sukzessive in einzelnen atomaren Lagen, da kondensierende Atome an den Stellen die stärkste Anziehung erfahren, an denen eine bereits begonnene Schicht weitergeführt wird. Dadurch wird das bestehende Kristallgitter des Substrats in seiner Regelmäßigkeit fortgesetzt.

    Abb. 32: Anlage für die Gasphasenepitaxie, realisiert als sogenannter Barrelreaktor

    An dieser Stelle soll das Wachstum von Silizium auf einem Siliziumsubstrat, also der Homoepitaxie, beschrieben werden. Dazu setzt man die Wafer Molekülgasen aus, die das Silizium binden, das dann bei hohen Temperaturen getrennt wird und sich auf dem Substrat niederlässt. Verwendet werden in erster Linie Silan SiH4, Dichlorsilan SiH2Cl2 und Siliziumtetrachlorid SiCl4.

    Die Technische Umsetzung mit SiCl4:
    Bei der Gasphasenepitaxie mit SiCl4 wird in die Reaktionsanlage zusätzlich Wasserstoff eingeführt, mit dem bei 1200°C zunächst die Trennung zweier Chlor-Atome unter Bildung von Salzsäure erfolgt:

    SiCl4 + H2 -> SiCl2 + 2 HCl (1)

    In einer weiteren Reaktion wird schließlich Si von den restlichen Chlor-Atomen separiert, die ein anderes SiCl2-Molekül wieder zu SiCl4 ergänzen:

    2 SiCl2 -> Si + SiCl4 (2)

    Entscheidend ist die Proportionierung der Gase SiCl4 und H2, da bei Unterschreitung eines bestimmten Wasserstoffanteils die Reaktionen umgekehrt ablaufen. Anstatt einer Abscheidung des Siliziums erreicht man so, dass das Material des Substrats abgebaut wird (die Abscheidung schlägt also in einen Ätzprozess um).

    Um die entstehende Siliziumschicht zu dotieren, müssen der Atmosphäre die Gase Diboran (B2H6) oder Arsin (AsH3) zugesetzt werden, die die Dotierstoffe zum Einbau in das entstehende Kristallgitter bereitstellen.

    Zur Strukturierung der Siliziumebene wird eine Oxidschicht aufgetragen, die die Bereiche abdeckt, in denen kein Wachstum erfolgen soll. Bei geeigneter Gasmischung kann sich das Silizium prinzipiell auch auf diesem Material polykristalliner Struktur niederschlagen. Nicht jedoch, wenn man die Proportionierung kurz vor dem Punkt wählt, an dem die oben genannten Abscheidungsreaktionen (1) und (2) ihre Richtung umkehren. Die Oxidschicht dient also als Maske und wird selbst nicht überzogen.

    Für den Abscheidungsprozess, der im Vakuum abläuft, muss zunächst das natürliche Oxid entfernt werden, das sich vorher beim Kontakt mit umgebendem Sauerstoff gebildet hat. Dieses wird bei 1200°C mit reinem Wasserstoff abgebaut. Danach wird durch geeignete Wahl der Gaskonzentrationen, bei denen wie oben erwähnt die Abscheidungsreaktionen in umgekehrter Richtung zu einem Ätzprozess werden, eine dünne Oberflächenschicht abgebaut. Damit soll ein reines Kristallgitter als Grundlage gewonnen werden, bevor dann mit geeignetem Gas-Mischungsverhältnis das Schichtwachstum beginnt.

    Nachteilig bei diesem Verfahren ist die hohe Reaktionstemperatur von 1200°, die aber bei Verwendung der Gase SiH4 und SiH2Cl2 geringer eingestellt werden kann. Dafür haben diese Gase den Nachteil, dass sich schon im Gas Silizium-Zusammenschlüsse bilden, die dann bei ihrer Ablagerung die Ordnung des Kristallgitters vermindern. Bei SiH4 können die Umstände nicht so gewählt werden, dass sich Abscheidungsreaktion umkehrt. Zum Reinigen des Substrats durch Ätzen der Oberflächenschicht wird daher zusätzlich Chlorgas verwendet.