Способ газофазного наращивания эпитаксиальных слоев кремния

Способ газофазного наращивания эпитаксиальных слоев кремния

Реферат

Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно - технологии полупроводникового кремния, и может быть использовано при получении структур для биполярных интегральных схем, силовых транзисторов и диодов Шоттки. Одним из главных требований к этим структурам является однородность концентрации носителей по площади и толщине слоев, которую особенно трудно обеспечить при наращивании слоев на подложках, сильно легированных примесями, образующими легколетучие соединения, в первую очередь - мышьяка и бора.

При наращивание эпитаксиальных слоев кремния наиболее распространенным промышленным методом является газофазный, осуществляемый в вертикальном реакторе с вращающимся пьедесталом типа бочка и индукционным нагревом.

В этом процессе автолегирование слоев за счет переноса примеси их подложки приводит к размытию границы слой-подложка, что вызывает снижение пробивного напряжения изготавливаемых на таких структурах силовых приборов. Кроме того, автолегирование в силу его неуправляемого характера происходит неравномерно по площади растущего слоя, что отражается как снижение выхода годных структур при эпитаксии.

Важным конструктивным фактором, влияющим на величину автолегирования, является наличие в пьедестале сферической выемки для каждой подложки в виде сферы, так что между подложкой и пьедесталом создается зазор в 100-200 мкм. Его назначение - обеспечить равномерную температуру по площади пластины.

Известен способ снижения уровня автолегирования за счет покрытия обратной стороны подложек пленкой оксида, нитрида кремния или его оксинитрида /1/.

Пленка наносится одним из известных методов в специальном реакторе на стадии обработки подложек, и поскольку избежать ее осаждения также и на рабочую сторону невозможно, операция проводится еще до полировки рабочей стороны.

Недостатком этого способа является неизбежное нарушение защитного покрытия в краевой зоне, которое усугубляется в результате термоударов в реакторе и проявляется как отслаивание и растрескивание.

Другой способ, принятый нами за прототип, состоит в наращивании поликремния на обратную сторону подложки в ходе процесса непосредственно в эпитаксиальном реакторе по сэндвич-механизму /2/.

Недостатки способа, принятого нами за прототип, состоят в следующем:

1. Поскольку транспортный зазор между источником кремния и торцевой частью пластины значительно больше, чем между ним и плоской частью, толщина покрытия торцов (фаски) оказывается меньшей, т.к. сэндвич-процесс менее эффективен. Кроме того, класс предварительной обработки фаски ниже, чем плоскости. И то, и другое приводит с снижению качества защиты в целом.

2. Чтобы избежать прирастания пластины в местах, близких к тем, где пластика опирается на пьедестал, создаются условия для сильного замедления роста защитного покрытия вплоть до полного его отсутствия. Эти места неизбежно становятся источниками неконтролируемого легирования растущей эпитаксиальной пленки. Для заращивания мест касания пластин с пьедесталом приходится проводить сэндвич-процесс в два этапа - прерывать процесс и поворачивать пластины.

3. Предварительно необходимо наращивать поликремний - источник для сэндвич-транспорта - на всю поверхность пьедестала, что по затратам машинного времени и электроэнергии, а самое главное - расходу ресурса работоспособности очень дорогого пьедестала (представляющего собой сложное изделие из особо чистого графита) вполне идентично рабочему процессу.

В способе-прототипе применяется воздействие только на первичный источник лигатуры, тогда как уровень автолегирования зависит еще и от интенсивности транспорта примеси через газовую фазу.

Целью изобретения является снижение уровня автолегирования при наращивании эпитаксиальных слоев кремния, повышение их однородности как по площади, так и по толщине, повышение выхода годных приборов с каждой пластины, уменьшение затрат машинного времени.

Поставленная цель достигается тем, что начальная стадия газофазного наращивания эпитаксиального слоя кремния происходит при снижении температуры со скоростью около 10 К/мин на 50-100 К, после чего она возвращается к значению, на 10-20 К меньшему, чем исходное; в каждом ряду подложек предварительно создается постоянный температурный градиент, при котором верхняя часть подложек нагрета на 10 К меньше нижней.

Новизна изобретения состоит в том, что впервые установлено определяющее влияние свободного пространства под пластинами - выемки, служащей для равномерного распределения температуры, - на условия транспорта примеси через газовую фазу. Этот объем имеет форму сферы и сообщается с общим пространством через узкие - микронные зазоры. Поэтому газовая смесь, образовавшаяся при газовом травлении и отжиге и содержащая легирующие примеси, не продувается из него, а постепенно питает растущий слой примесью за счет диффузии.

Термограмма процесса, полностью охватывающая последовательность операций, представлена на чертеже.

Снижение температуры в начале процесса роста приводит к сжатию газа в реакторе на 5-10%, но это сжатие в пространстве реактора немедленно компенсируется поступлением дополнительной смеси из газовой системы. Совершенно иное происходит в объеме подподложечной выемки, отделенной от общего пространства узкими щелями, т.е., по существу, представляющей собой ячейку Кнудсена. Здесь сжатие приводит к медленному засасыванию свежей смеси, благодаря чему происходит заращивание дефектов защитного покрытия обратной стороны, а противоток оттесняет загрязненную смесь к центру пластины, увеличивая путь диффузии примеси, тем самым препятствуя ее поступлению в зону роста.

Диапазон изменения температуры в начале роста обосновывается следующим образом.

Меньший, чем 50-100 К, перепад дает сжатие, недостаточное для поступления необходимого количества свежей смеси в объем выемки, тогда как больший указанного значения приводит к снижению скорости роста и ухудшению морфологии.

Темп изменения температуры диктуется инерционностью теплового узла. Последующее повышение температуры требуется для обеспечения достаточной скорости роста основной части слоя, но для этого температура устанавливается на 10-20 К (в зависимости от концентрации примеси в подложке и ее диаметра) меньшей, чем первоначальная, чтобы создать краевую зону газа, свободную от примеси.

Чтобы предотвратить поступление загрязненной газовой смеси через сравнительно большую щель, образуемую базовым срезом, используется термодиффузионный затвор, создаваемый за счет вертикального градиента температуры, величина которого еще не сказывается на разбросе скорости роста по длине пластины, а незамкнутая форма изотерм обеспечивает отсутствие механических напряжений и линий скольжения.

Комплекс этих новых операций не существенно усложняет производственный процесс и обеспечивает полное подавление автолегирования и связанный с этим положительный эффект.

Пример. Эпитаксиальный слой кремния с концентрацией носителей 5·10¹⁴ см^-3 на подложках, легированных мышьяком до уровня 1·10¹⁷ см^-3, наращивается в вертикальном реакторе с заранее установленным в каждом ряду температурным градиентом в 10 К. После газового травления пластин и продувки, отжига при 1423 К наращивание слоя велось при снижении температуры до 1373 К в течение 5 мин, затем температура была поднята до 1403 К, и дальнейший рост слоя толщиной 45 мкм вели при постоянных условиях. Характер распределения примеси по толщине вполне однороден, что видно при сравнении с результатом, получаемым в стандартном процессе.

Разброс пробивных напряжений по площади пластин, по данным завода-потребителя, снизился с 19,8 до 11 В, а выход годных приборов вырос на 15%.

Источники информации

1. W.H.Shepard. Autodoping of epitaxial silicon. Journal of Electrochemical Society, VII, №6 (1968), p.152-156.

2. D.Crippo, D.Rode, M.Masi (eds.). Silicon Epitaxy. Academic Press. San Diego, San Francisco, New York. 2001, p.282-283 - прототип.

Способ газофазного наращивания эпитаксиальных слоев кремния, включающий заращивание обратной стороны подложек пленкой оксида или нитрида кремния или его поликристалла, отличающийся тем, что в каждом ряду подложек создается температурный градиент, при котором верхняя часть подложек каждого ряда нагрета на 10 К меньше, чем нижняя, рост ведется при температуре на 10-20 К меньшей, чем температура предварительного травления и отжига, причем в начале процесса наращивания эпитаксиального слоя кремния производится цикл снижения-подъема температуры на 50-100 К.