СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ПЛАНАРНЫХ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
METHOD OF GROWING PLANAR THREADLIKE CRYSTALS OF SEMICONDUCTORS

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и предназначено для управляемого выращивания планарных нитевидных монокристаллов полупроводников методом газофазной эпитаксии по схеме пар→капельная жидкость→кристалл.
В настоящее время известен способ выращивания кристаллов бестигельной зонной плавкой [Пфанн В. Зонная плавка / Пер. с англ. - М.: Мир. 1970. С.19-20]. Согласно указанному способу в поликристаллическом стержне с помощью концентрированного источника тепла создается градиент температуры и формируется узкая расплавленная зона рафинируемого материала. Зона перемещается вдоль оси стержня, образуя в результате перекристаллизации монокристалл. Недостатками способа являются значительная радиальная неоднородность распределения удельного сопротивления по кристаллу и невозможность масштабирования, так как скорость процесса определяется скоростью диффузии примеси.
Известен способ выращивания ориентированных систем нитевидных кристаллов на монокристаллической подложке путем осаждения кремния из паровой фазы с использованием частиц металла-катализатора [Гринберг С.А., Гиваргизов Е.И. Кристаллография. Т.18. №2. 1973. С.380]. Данный способ и варианты его исполнения позволяют выращивать вертикальные по отношению к подложке нитевидные кристаллы кремния. Недостатком способа является то, что он не позволяет обеспечить планаризацию, т.е. расположение выращиваемых кристаллов на плоскости подложки, и не позволяет интегрировать их в планарные технологии производства изделий микроэлектроники.
6
Наиболее близким аналогом, выбранным нами в качестве прототипа, является способ направленной планарной кристаллизации германия с использованием жидких капель металла-катализатора в поле продольного градиента температур, созданного в монокристаллической германиевой подложке [Патент РФ №96106224 А, МПК С30В 029/62, 025/02 / Е.И. Гиваргизов. Дата публикации 20.12.1997 г.]. Отличие данного способа состоит в том, что направленную кристаллизацию создают перемещением жидкой капли раствора-расплава Au-Ge в направлении продольного градиента температур, создаваемого в германиевой подложке в интервале 10-100°С/см. Недостатком способа является непригодность его для выращивания нитевидных кристаллов, поскольку фактически осуществляется лишь перекристаллизация существующей монокристаллической подложки, а не синтез нитевидных кристаллов с участием паровой фазы.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на управляемое изготовление планарных нитевидных кристаллов полупроводников.
Это достигается тем, что дополнительно осуществляют осаждение кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, молярное соотношение компонентов газовой фазы к водороду устанавливают в интервале 0,005-0,015, а перепад температуры по диаметру капли катализатора обеспечивают в диапазоне 0,15-0,4°С.
Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов кремния осуществляется следующим образом.
6
На поверхности монокристаллической пластины кремния создаются частицы металла-катализатора любыми физико-химическими методами в используемых способах [Гринберг С.А., Гиваргизов Е.И. Кристаллография. Т.18. №2. 1973. С.380; Патент РФ №96106224 А, МПК С30В 029/62, 025/02 / Е.И. Гиваргизов. Дата публикации 20.12.1997 г.]. Затем подложка помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до температуры роста. В течение нескольких минут в водороде проводится сплавление частиц металла с кремниевой подложкой. Далее в кремниевой пластине устанавливается необходимый продольный температурный градиент в интервале 10-100°С, обеспечивающий перепад температуры по диаметру капли катализатора в диапазоне 0,15-0,4°С, и поддерживается необходимая температура в заданном диапазоне. Затем в газовую фазу подаются компоненты газовой фазы с молярной концентрацией в водороде в интервале 0,005-0,015 и производится выращивание планарных кристаллов.
Осуществление осаждения кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл определяется тем, что на «горячем» краю капли обеспечивается растворение кристаллизуемого вещества, поступаемого из конденсируемой паровой фазы, а не вещества монокристаллической подложки. На «холодном» краю капли вследствие развивающегося пересыщения это вещество высаживается, образуя планарный нитевидный кристалл.
Нижняя граница диапазона перепада температуры по диаметру капли катализатора 0,15-0,4°С определяется наименьшим критическим перепадом температур, ниже которого движение капли по подложке невозможно или затруднено вследствие кинетических ограничений. А следовательно, невозможен или затруднен рост нитевидного кристалла. Верхняя граница диапазона отношения температурного градиента к диаметру капли катализатора определяется тем, что при превышении указанного значения в движении капли катализатора возникает неустойчивость (капля то растягивается, то сжимается) или происходит разрыв капли. Неустойчивость капли при больших градиентах температур приводит к неустойчивому росту планарных кристаллов (возникает радиальная неустойчивость, изгибы и др.) или отсутствию роста в случае разрыва капли.
Интервал молярного отношения компонентов газовой фазы 0,005-0,015 определяется необходимым пересыщением кристаллизуемого материала для роста планарных нитевидных кристаллов. При значениях молярного отношения компонентов газовой фазы за пределами указанного интервала либо будет отсутствовать кристаллизация вследствие недостаточной величины пересыщения (при молярном отношении менее 0,005), либо возникает обратный процесс травления кремниевой подложки по схеме кристалл→капельная жидкость→пар (при молярном отношении более 0,015).
Использование предлагаемого способа позволит облегчить создание планарных кремниевых термометрических и тензометрических датчиков, датчиков вирусов и др., интегрировать нитевидные кристаллы в планарные технологии изготовления микросхем. Способ открывает новые возможности в конструировании архитектуры микросхем на основе планарных нитевидных кристаллов кремния, обладающих уникальными электромеханическими свойствами.
Примеры осуществления способа
Пример 1
SiCl4
H2
Монокристаллические пластины кремния с затравками в виде частиц золота диаметрами 80 мкм нагревали до температуры синтеза 880°С с градиентом температур 50°С/см, обеспечивающим перепад температуры по диаметру капли катализатора 0,4°С. Далее подавали тетрахлорид кремния при мольном соотношении M/M=0,015 и выращивали планарные нитевидные кристаллы кремния. Время выращивания составляло 60 мин. Кристаллы имели длину 160-170 мкм.
Пример 2
Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но перепад температуры по диаметру капли катализатора устанавливался 0,16°С. Кристаллы имели длину 80-100 мкм.
Пример 3
SiCl4
H2
Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но мольное соотношение составляло M/M=0,005. Время выращивания 20 минут. Длина кристаллов составила 30-40 мкм.
Пример 4
Выращивание планарных нитевидных кристаллов кремния проводилось аналогично примеру 1, но в качестве металла катализатора использовали частицы Cu диаметром 30-80 мкм. Диаметр кристаллов соответствовал диаметру частиц катализаторов, а длина составляла от 80 до 200 мкм.
Пример 5
GeCl4
H2
Выращивание планарных нитевидных кристаллов германия проводилось аналогично примеру 1, но в качестве питающего материала подавали тетрахлорид германия при мольном соотношении M/M=0,01 и температура роста соответствовала 730°С. В результате получены планарные нитевидные кристаллы германия длиной 100-120 мкм.
Пример 6
GeCl4+SiCl4
H2
x
x-1
Выращивание планарных нитевидных кристаллов проводилось аналогично примеру 1, но в качестве питающего материала использовали смесь тетрахлорида кремния и тетрахлорида германия 1:1 при общем мольном соотношении M/M=0,005 и температура роста соответствовала 830°С. Получены полупроводниковые планарные нитевидные кристаллы твердого раствора SiGe длиной 100-120 мкм.
x
x-1
Способ выращивания планарных нитевидных кристаллов полупроводников применим ко всему классу полупроводниковых материалов, но проверка его осуществлялась на нитевидных кристаллах Si, Ge и твердого раствора SiGe.