Способ получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии и устройство для его осуществления

Способ получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к технологии изготовления приборов силовой электроники непланарной конфигурации.

Известен способ получения эпитаксиальных полупроводниковых слоев, включающий вакуумирование рабочей камеры, продувку водородом, создание давления водорода, нагрев зоны источника и зоны подложек и эпитаксиальное наращивание, при этом предварительно перед нагревом зон источника и подложек проводят их отжиг (SU 766418, опублик. 12.10.1996).

Недостатком данного способа является невозможность получения цилиндрических непланарных эпитаксиальных слоев.

Прототипом первого объекта изобретения - способа является способ выращивания эпитаксиального слоя полупроводникового материала поверх расположенной на поверхности полупроводниковой подложки металлической структуры при нагревании подложки до повышенной температуры и использовании в качестве полупроводника кремния, а в качестве газообразного исходного материала силана (US 6211042, опублик. 03.04.2001).

Недостатком данного способа является невозможность получения цилиндрических непланарных эпитаксиальных слоев.

Известен реактор для эпитаксиального наращивания слоев полупроводниковых материалов, содержащий охлаждаемый кожух, вращающийся подложкодержатель, индуктор, кварцевый держатель индуктора. С целью повышения качества наращиваемых слоев индуктор установлен внутри его держателя, который выполнен в виде стакана, герметично закрепленного в верхнем фланце реактора (SU 339245, опублик. 01.01.1972).

Недостатком данного способа является невозможность получения цилиндрических непланарных эпитаксиальных слоев.

Прототипом второго объекта изобретения является устройство осаждения слоев из газовой фазы, содержащее кварцевый реактор с внешним излучателем и подложкодержателем для размещения обрабатываемой пластины, устройство подачи и отвода газов. Подложкодержатель выполнен в виде вертикально установленной воронки с гнездом для размещения обрабатываемой пластины, расположенным на верхнем торце подложкодержателя, и хвостовиком, состыкованным снизу с корпусом (RU 2053585, опублик. 01.07.1996).

Недостатком данного устройства является невозможность получения цилиндрических непланарных эпитаксиальных слоев.

Технический результат, достигаемый в первом и втором объектах изобретения, заключается в обеспечении возможности формирования непланарных эпитаксиальных структур кремния с однородным распределением электрофизических и структурных параметров: толщины слоя, удельного сопротивления, времени жизни носителей заряда и плотности дислокации по различным кристаллографическим направлениям.

Указанный технический результат в первом объекте изобретения достигается следующим образом.

В способе получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии, по крайней мере, одну полупроводниковую подложку, выполненную в виде полого цилиндра, размещают по вертикали вплотную ее внутренней поверхностью к наружной поверхности вертикально установленного в газофазном реакторе нагревательного элемента, также имеющего цилиндрическую форму, оставляя открытыми верхнюю и нижнюю части поверхности нагревательного элемента.

Нагрев полупроводниковых подложек, имеющих форму полого цилиндра, вертикально расположенным нагревателем происходит за счет теплопередачи от его внутренней поверхности. При этом на поверхности цилиндрических подложек достигается практически одинаковая температура, что приводит к однородности распределения электрофизических и структурных параметров получаемых эпитаксиальных слоев.

После герметизации полости газофазного реактора удаляют загрязняющие остатки органических и других примесей с поверхности полупроводниковой подложки и стенок газофазного реактора продувкой его полости водородом. Затем проводят газовое травление полупроводниковых подложек смесью H₂ - HCl при их объемном соотношении от 20:1 до 200:1.

Объемное соотношение в указанном диапазоне выбирают из необходимости достижения скорости стравливания поверхности подложки 0,1-0,5 мкм/мин при подготовке поверхности подложки к началу эпитаксиального роста.

После этого нагревают полупроводниковые подложки до температуры эпитаксии, которая составляет в основном 1060 -1080°С, и осаждают при давлении до 1,2 атм эпитаксиальные слои кремния на полупроводниковую подложку из газовой смеси SiH₄ - Н₂.

Таким образом обеспечивается скорость роста слоя 0,1-0,35 мкм/мин, при которой достигается высокое структурное совершенство слоя и равномерность его параметров.

Газовую смесь SiH₄ - H₂ подают в реактор в объемном соотношении 0,02-0,004 при скорости ее движения по оси реактора от 10 до 15 см/с и величине критерия Re менее 50.

Указанные диапазоны технологических параметров обеспечивают равномерный массоперенос ростообразующего элемента - кремния к каждой точке поверхности цилиндрической полупроводниковой подложки.

Кроме того, газовое травление полупроводниковых подложек смесью Н₂ - HCl проводят в течение 4-5 мин. Время травления определяют экспериментально.

Нижняя часть поверхности нагревательного элемента остается открытой на 15% от его высоты, а верхняя часть поверхности нагревательного элемента остается открытой на 20% от его высоты.

Верхнюю часть нагревательного элемента оставляют открытой для предварительного подогрева газовой смеси перед ее контактом с поверхностью полупроводниковой подложки.

Нижнюю часть нагревательного элемента оставляют открытой в связи с тем, что до этого пространства корпуса доходит газовая смесь, обедненная ростообразующим компонентом.

Во втором объекте изобретения указанный технический результат достигается следующим образом.

Реактор для получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии включает кварцевый корпус, имеющий форму усеченного конуса, установленный меньшим основанием на платформе.

Установка кварцевого корпуса реактора меньшим основанием снизу обеспечивает увеличение скорости движения газовой смеси вдоль поверхности цилиндрической полупроводниковой подложки, что приводит к равномерному поступлению атомов ростообразующего компонента примеси кремния в каждый участок поверхности полупроводниковой подложки.

На платформе вертикально размещен нагревательный элемент, выполненный в виде круговой спирали из высокотемпературного сплава, помещенной в герметичном закрытом кварцевом цилиндрическом кожухе.

Вплотную к наружной поверхности кожуха установлена своей внутренней поверхностью вдоль по вертикали, по крайней мере, одна полупроводниковая подложка, имеющая форму полого цилиндра.

Верхняя и нижняя части поверхности нагревательного элемента выполнены открытыми.

В верхней части кварцевого конуса имеется приспособление для подачи газовой смеси, а в платформе корпуса имеется приспособление для сброса газовой смеси.

Кроме того, высота нагревательного элемента составляет 0,6-0,8 высоты кварцевого корпуса реактора, что приводит к увеличению производительности газофазного реактора за счет размещения большего количества элементов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид реактора для получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии.

Реактор для получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии включает кварцевый корпус 1, имеющий форму усеченного конуса, установленный меньшим основанием на платформе 2. На платформе 2 вертикально размещен нагревательный элемент 3, выполненный в виде круговой спирали из высокотемпературного сплава, помещенной в герметичном закрытом кварцевом цилиндрическом кожухе 4.

Вплотную к наружной поверхности кожуха 4 установлена своей внутренней поверхностью вдоль по вертикали, по крайней мере, одна полупроводниковая подложка 5, имеющая форму полого цилиндра. Подложка 5 установлена на кольцевой подставке 6, которая предназначена для позиционирования подложки в рабочей зоне нагревателя.

При этом в верхней части кварцевого конуса имеется приспособление 7 для подачи газовой смеси, а в платформе корпуса имеется приспособление 8 для сброса газовой смеси.

Высота нагревательного элемента составляет 0,6-0,8 высоты кварцевого корпуса 1 реактора.

Конкретный пример осуществления способа с использованием устройства, предложенного в изобретении.

В газофазном реакторе размещают на кольцевой подставке вертикально вдоль кожуха 4 три полупроводниковые подложки 5, нанизывая их на трубку нагревателя.

После герметизации полости газофазного реактора удаляют загрязняющие остатки органических и других примесей с поверхности полупроводниковых подложек 5 и стенок корпуса 1 газофазного реактора продувкой его полости водородом. Затем проводят газовое травление полупроводниковых подложек 5 смесью Н₂ - HCl при их объемном соотношении 50:1 в течение 4 мин.

После этого нагревают полупроводниковые подложки 5 с помощью нагревательного элемента до температуры эпитаксии, равной 1070°С, и осаждают при давлении 1,1 атм эпитаксиальные слои кремния на полупроводниковую подложку 5 из газовой смеси SiH₄ - H₂. Смесь подают в корпус 1 реактора в объемном соотношении 1:100 при скорости движения смеси по оси реактора 14 см/с и величине критерия Re 45.

Газовую смесь подают в корпус реактора через приспособление 7 подачи газовой смеси, а выпуск осуществляют через приспособление 8 сброса газовой смеси.

Необходимая толщина слоя от 20 до 50 мкм обеспечивается временем проведения процесса эпитаксии.

При осуществлении изобретения получают непланарную эпитаксиальную структуру кремния в виде тонкостенного замкнутого кругового цилиндра с равномерной толщиной стенки по разным кристаллографическим направлениям.

1. Способ получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии, заключающийся в том, что, по крайней мере, одну полупроводниковую подложку, выполненную в виде полого цилиндра, размещают по вертикали вплотную ее внутренней поверхностью к наружной поверхности вертикально установленного в газофазном реакторе нагревательного элемента, также имеющего цилиндрическую форму, оставляя открытыми верхнюю и нижнюю части поверхности нагревательного элемента, после герметизации полости газофазного реактора удаляют загрязняющие остатки органических и других примесей с поверхности полупроводниковой подложки и стенок газофазного реактора продувкой его полости водородом, затем проводят газовое травление полупроводниковых подложек смесью Н₂ - HCl при их объемном соотношении от 20:1 до 200:1, после чего нагревают полупроводниковые подложки до температуры эпитаксии, осаждают при давлении 1,1-1,2 атм. эпитаксиальные слои кремния на полупроводниковую подложку из газовой смеси SiH₄ - Н₂, подаваемой в реактор в объемном соотношении 1:50 до 1:250 при скорости движения газовой смеси по оси реактора от 10 до 15 см/с и величине критерия Re менее 50.

2. Способ по п.1, заключающийся в том, что газовое травление полупроводниковых подложек смесью Н₂ - HCl проводят в течение 4-5 мин.

3. Способ по п.1, заключающийся в том, что полупроводниковые подложки нагревают до температуры эпитаксии 1060°С-1080°С.

4. Способ по п.1, заключающийся в том, что нижняя часть поверхности нагревательного элемента остается открытой на 15% от его высоты, а верхняя часть поверхности нагревательного элемента остается открытой на 20% от его высоты.

5. Реактор для получения непланарных эпитаксиальных структур кремния методом газофазной эпитаксии, включающий кварцевый корпус, имеющий форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием на платформе, на которой вертикально размещен нагревательный элемент, выполненный в виде круговой спирали из высокотемпературного сплава, помещенной в герметичном закрытом кварцевом цилиндрическом кожухе, вплотную к наружной поверхности которого установлена своей внутренней поверхностью вдоль по вертикали, по крайней мере, одна полупроводниковая подложка, имеющая форму полого цилиндра, при этом верхняя и нижняя части поверхности нагревательного элемента выполнены открытыми, в верхней части кварцевого конуса имеется приспособление для подачи газовой смеси, а в платформе корпуса имеется приспособление для сброса газовой смеси.

6. Реактор по п.5, в котором высота нагревательного элемента составляет 0,6-0,8 высоты кварцевого корпуса реактора.

7. Реактор по п.5, в котором нижняя часть поверхности нагревательного элемента выполнена открытой на 15% от его высоты, а верхняя часть поверхности нагревательного элемента выполнена открытой на 20% от его высоты.