способ локальной жидкостной эпитаксии

Формула изобретения

1. Способ локальной жидкостной эпитаксии, включающий локальное нанесение на поверхность монокристаллической подложки, ориентированной по одной из кристаллографических плоскостей с малыми индексами, материала, образующего с материалом подложки жидкую фазу при температуре более низкой, чем температура плавления подложки, нагрев и охлаждение, отличающийся тем, что после нагрева проводят термообработку с колебаниями температуры, при которых соотношение скорости нагревания и охлаждения определяет направление и скорость движения фронта кристаллизации вдоль поверхности подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в состав жидкой фазы предварительно или в процессе термообработки вводят один или несколько легирующих компонентов с различными коэффициентами сегрегации для изменения состава или свойств эпитаксиального слоя вдоль его поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду и/или форму температурных колебаний и/или среднюю температуру в процессе термообработки изменяют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Известны способы жидкостной эпитакcии, при которых эпитаксиальная пленка выращивается из жидкой фазы раствора в расплаве при принудительном охлаждении последнего [1] Данный способ не позволяет получить локальные области, т.к. рост пленки происходит по всей поверхности подложки.

Наиболее близким аналогом данного способа является способ локальной жидкостной эпитаксии, который предусматривает формирование на монокристаллической полупроводниковой подложке методом фотолитографии маски из SiO₂, нанесение материала, образующего расплав с материалом подложки при последующей термообработке, формирование локальных эпитаксиальных областей при последующем изменении температуры [2] Данным способом невозможно получить слои с контролируемым распределением состава вдоль поверхности слоя на локальном участке монокристаллической подложки.

Техническим результатом изобретения является возможность получения слоев с контролируемым распределением состава вдоль поверхности слоя на локальных участках монокристаллической подложки.

Настоящее изобретение позволяет выращивать эпитаксиальные слои на локальных участках произвольной формы при движении фронта кристаллизации вдоль поверхности подложки. Движение фронта кристаллизации вдоль поверхности подложки позволяет, в свою очередь, управлять составом эпитаксиального слоя либо путем подпитки жидкой фазы в процессе эпитаксии, либо предварительным введением в жидкую фазу одного или нескольких компонентов с различными значениями коэффициентов сегрегации. При этом процесс происходит одновременно для большого количества локальных участков на одной или нескольких подложках, т. е. проводится групповым методом. Кроме того, при проведении процесса эпитакcии средняя температура процесса остается постоянной, т.е. отпадает необходимость достаточно сложной процедуры снижения температуры с постоянной скоростью. Предлагаемый процесс не требует применения устройств для декантации жидкой фазы, применения сложных кассет, что значительно снижает технологичность стандартных процессов жидкостной эпитаксии.

В основе изобретения лежит принципиально новый способ управления потоками кристаллизанта за счет изменения формы колебаний температуры при отсутствии или наличии, в общем случае, градиента температуры, перпендикулярного направлению наращивания эпитаксиального слоя.

Управлением формой колебаний температуры достигается переключение среднего за период потока кристаллизанта от межфазных границ с большей степенью нелинейности зависимости скорости процессов роста и/или растворения к межфазным границам с меньшей степенью нелинейности этих зависимостей или в противоположном направлении. Амплитуда колебаний средней температуры может меняться от достаточно малой (0,01 К.) величины до любых технически достижимых значений. При этом точность поддержания средней температуры процесса особого значения не имеет. При скорости нагрева, превышающей скорость охлаждения, средний за период поток кристаллизанта направлен от плотноупакованных ("нелинейных") участков межфазных границ к участкам межфазной границы, растущим и растворяющимся по линейному закону или с меньшей степенью нелинейности.

П р и м е р. На поверхность пластины полупроводника, ориентированной по плоскости (111) для кремния, германия или по плоскостям (111)А или (111)В для соединений A₃B₅ или твердых растворов на их основе, любым из известных способов наносится тонкая пленка растворителя, содержащего необходимые легирующие добавки. Предварительно на пластине могут быть с помощью литографии созданы углубления для сохранения планарности окончательной структуры (в этом случае растворитель должен наноситься только в углубления). Остальная поверхность может быть защищена маской или открыта. Пленка растворителя может быть нанесена на предыдущей стадии технологического процесса или после нагревания пластины до температуры эпитаксии. Затем температура пластины повышается до значений, при которых в системе растворитель-подложка может существовать жидкая фаза. Нагрев может производится по монотонному закону изменения температуры во времени или при наличии асимметричных колебаний температуры. Затем любым из способов на среднюю температуру процесса накладываются асимметричные колебания температуры, причем на стадии наращивания пленки скорость нагрева должна превышать скорость охлаждения. (В принципе возможно применение более сложных режимов, включающих стадии обратного соотношения скоростей нагрева и охлаждения, выдержки при постоянной температуре или при симметричных колебаниях температуры). В результате на поверхности или в углублении вырастет пленка, причем рост пленки будет происходить от периферии к центру локальных участков и зависимость состава от координаты будет соответствовать коэффициентам сегрегации и составу жидкой фазы. Остаток растворителя может быть использован в дальнейшем для создания элементов прибора(например, для омических контактов) или погружен в пластину при помощи одностороннего нагрева пластины с тыльной стороны методом термомиграции или зонной перекристаллизации градиентом температуры.

На подложке арсенида галлия, с ориентацией поверхности параллельной плоскости (111), стандартными методами выполнены углубления с плоским дном, глубиной 1 3 мкм и размерами 50 х 300 мкм. Углубления заполнены сплавом (Ga+1% Al). Остальная часть поверхности подложки защищена маской из двуокиси кремния. Подложка подвергается термообработке в атмосфере водорода системой галогеновых ламп, расположенных в одной плоскости параллельно поверхности подложки. Питание ламп производится от импульсного источника тока с регулируемой скважностью. Средняя температура подложки поднимается до 800 900^oC. Длительность импульсов тока в 3 7 раз меньше промежутка между импульсами. Частота повторения импульсов 6 12 Гц. Расчетное значение амплитуды колебаний температуры 0,6 0,8^oC. Длительность подъема температуры до рабочего значения 10 мин. Выдержка при максимальной температуре 20 мин. Время охлаждения 10 мин. Нагрев односторонний со стороны металлизации. В результате при "быстром" нагревании в течение каждого импульса происходит интенсивное растворение плотноупакованной грани (111) подложки и, одновременно, растворение в направлении, в перпендикулярном направлении. На стадии "медленного" охлаждения процесс кристаллизации на плотноупакованной грани заторможен и все растворенное во время нагревания вещество подложки кристаллизуется только на периферийных участках межфазных границ. При этом закристаллизовавшийся слой будет легирован компонентами жидкой фазы. Так как Al в системе Ga-Al-As имеет коэффициент сегрегации 80 100, его концентрация в процессе перекристаллизации быстро убывает и распределение алюминия в закристаллизовавшейся пленке будет меняться вдоль поверхности. Ширина запрещенной зоны соединения Ga-Al-As зависит от соотношения Ga и Al, поэтому и ширина запрещенной зоны будет зависеть от координаты вдоль поверхности эпитаксиальной пленки. Остаток жидкой фазы собирается вблизи осевой линии.