Способ формирования сильнолегированных областей в многослойных структурах

 

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ-В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ силовых -полупроводниковых приборов,, включающийосаждение растворов на поверхность кремниевых пластин для получения легированного окисла, помещение в лодочку вертикальной стопки пластин, совмещенных одноименными, сторонами,, загруаку лодочкк в нагретую печь и проведение диффузии при температуре1100 1300 С в точке газа с расходом.более 3 л/мин, -отли-чающи ся тем, что, с целью -увеличениях процента выхода годных приборов путем повышения однородности и воспроизводимости поверхностного сопротивления диф- . фузионных слоев, .эагрузку лодочки-проводят в потоке кислорода-при температуре на 50-350°С меньшей,, чем температура диффузии, и через 15-60 мин после загрузки лодочки впечь начинаг ют нагревать до температуры диффузии со скоростью

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11 У

4(51) Н 01 Ь 21/225

4 ьЩ (1

-" ".;У,(41 .i о "Ega

ОПИСДНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PGHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3530657/18-25 (22) .03.01.83 (46) 15.02.85 ° Бюл. N - 6 (72} 10.М. Локтаев, В.С. Иарквичева, Я.Д..Нисневич, В.Ф. Лопуленко и Л.Н. Писарева (71) Всесоюзный электротехнический институт им. В.И. Ленина (53) 621.382(088.8) (54)(57) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ ОБЛАСТЕЙ-В МНОГОСЛОЙНЫХ

СТРУКТУРАХ силовых -полупроводниковых приборов,. включающий осаждение рас.— творов на поверхность кремниевых пластин для получения легированного окисла, помещение -в лодочку вертикальной стопки пластин, совмещенных одноименными. сторонами, загрузку лодочки.в .нагретую печь и проведение диффузии при температуре 1100—

1300 С в точке газа с расходом.более 3 л/мин, .о т л и -ч а ю-щ и й- с я тем, что, с целью .увеличения. процента выхода годных приборов-путем повышения однородности и воспроизводимости поверхностного сопротивления диф- . фузионных слоев,. загрузку лодочки про" водят в потоке кйслорода-при температуре на 50-350 С меньшей,,чем температура диффузии, и через- 15-60 мин

l после загрузки лодочки в-печь начинают нагревать до температуры диффузии со скоростью (1-10) С/мин.

1098455

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, а именно к диффузии акцеп— торных.и донорных примесей для создания кремниевых многослойных структур силовых. полупроводниковых приборов.

Известен способ изготовления мно— гослойной структуры силового тиристора, в котором n+ — область изготав- 10 ливают в р-п-р структуре локальной диффузией фосфора из легированных окисных пленок, осаждаемых из растворов. Однако низкая однородность и воспроизводимость поверхностного со- 15 противления n+ — слоя приводят к боль- . шим значениям прямого падения напряжения. Кроме того, этим способом при изготовлении n+ -эмиттера нельзя одновременно сформировать р» -область 20 на противоположной стороне структуры, необходимую для улучшения параметров тиристора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является спо- 25 соб формирования сильнолегированных областей в многослойных структурах силовых полупроводниковых приборов, включающий осаждение растворов на поверхность кремниевых пластин для получения легйрованного окисла, помещение в лодочку вертикальной стопки пластин, совмещенных одноименными сторонами, загрузку лодочки в нагретую печь и проведение диффузии при темпе-З ратуре 1100-1300 С в потоке газа с . расходом более 3 л/мин.

Недостаток заключается в том, что этим способом нельзя изготовить п+

40 и р+ — области в многослойных структурах тиристоров с высокой однородностью и воспроизводимостью поверхностного сопротивления диффузионных слоев (легирования), а низкая однородность

45 и воспроизводимость легирования r +. и р — областей приводит к неравномерному распределению тока по площади структур, а следовательно, к увеличению прямого падения напряжения как на отдельных тиристорах, так и его среднего значения в партии, и ухудшению динамических параметров.

Целью изобретения является увеличение процента. выхода годных прибо- 55 ров путем повышения однородности и воспроизводимости поверхностного сопротивления диффузионных слоев.

Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования сильнолегированных областей в многослойных структурах силовых полупроводниковых приборов, включающем осаждение растворов на поверхность кремниевых пластин для получения легированного окис— ла, помещение в лодочку вертикальной стопки пластин, совмещенных одноименными сторонами, загрузку лодочки в нагретую печь и проведение диффузии при температуре 1100-1300 С в потоке газа с расходом более 3 л/мин, загрузку лодочки проводят в потоке кислорода при температуре на 50-350 С меньшей, чем температура диффузии, и через 15-б0 мин после загрузки. печь начинают нагревать до температуры диффузии со скоростью 1-10 С/мин.

При отсутствии специальной технологической операции "термодеструкции

1! пленок последняя происходит при загрузке в нагретую диффузионную печь.

При деструкции происходит окисление и испарение продуктов окисления и разложения исходных компонентов раствора и продуктов их химического взаимодействия, а также испарение из формирующейся стекловидной пленки окислов фосфора, мышьяка, сурьмы и бора, причем в атмосфере кислорода происходит бы— стрее термодеструкция и меньше испаряются из пленки окислы этих примесей.

К началу диффузии примесей стекловидная пленка должна быть окончательно сформирована и находиться в равновесии с кремнием, например полная. деструкция легированных фосфором и мышьяком пленок происходит при температуре 800 С, а легированных бором при 1050 С. Поэтому загрузка пластин должна производиться в печь, нагретую на 50-350 С ниже, чем температура диффузии. Если температура загрузки пластин в печь будет ниже более чем на 350 С или менее чем на о

50 С по сравнению с температурой диффузии, то в первом случае за счет увеличения длительности нагрева печи до температуры диффузии будет уменьшаться уровень легирования из-за излишнего испарения примесей, а во втором случае сближение температуры деструкции и диффузии ухудшит одно— родность и воспроизводимость легирования, так как диффузия и деструкция будут происходить одновременно. В зависимости от массы загружаемых пла1098455

55 з стин (может составлять 2 кг) для проведения деструкции и установления теплового равновесия необходимо от

15 до 60 мин. Затем печь вместе с пластинами должна нагреться до температуры диффузии с небольшой скоростью .1-10 С/мин, обеспечивающей равномерный нагрев всех загруженных пластин. Только в этом случае можно обеспечить высокую однородность и 1р .воспроизводимость легирования как п+, так и р+ слоев. Уменьшение времени деструкции и установления теплового равновесия ниже 15 мин и увеличение о скорости нагрева, печи выше 10 С/мин не поэврляет всю рабочую площадку печи одновременно нагреть до. температуры диффузии, что приводит к ухудшению однородности и воспроизводимости легирования, особенно при коротких процессах диффузии, Увеличение времени установления теплового равновесия более 1 ч и уменьшение скорости нагрева ниже 1сС/мин нецелесообразно, так как только увеличивает длительность процесса диффузии.

Пример ы. Способ был использован для изготовления нескольких опытных партий многослойных. структур тиристора типа T173 — 1250. P-п-р струк-ЗО туры быпи изготовлены по типовому техпроцессу Диффузией алюминия и бора из легированных окисных пленок в .кремниевые пластины и-типа проводимости с удельным сопритивлением

180 Ом.см, шлифованные микропорошком М28. Локальная маскирующая пленка была сформирована термическим окислением с последующей фотолитографией по существующему техпроцессу. 40

Донорный раствор содержал компоненты в следующем количественном соотношении см :

Э с

Этиловый спирт 96 22

Вода 2

Ортофосфорная кислота, 707. 4

Азотная кислота, конц. 0,2

Тетраэтоксисилан 7

Акцепторный раствор содержал компонент в следующем количественном соV отношении, см5:

Этиловый спирт 96 10

Вода 5

Азотная кислота, конц.

Алюминий азотнокислый, гидрат 8

Тетраэт,оксисилан 15

Триэтоксибор 32

Растворы осаждались на центрифуге при частоте вращения 2800 об/мин, затем пластины складывались плотной вертикальной стопкой в кварцевую лодочку. Лодочка с пластинами опытных партий "резко" загружалась. в нагретую до температуры 900, 1050, или

1200 С печь, а лодочка с пластинами контрольной партии — равномерно в течение 20 мин в печь, нагретую.до температуры диффузии. Диффузионная термообработка, проводилась при температуре

1250сС в течение 2 ч в кварцевой трубе диаметром 110 мм при расходе кислорода 10 л/мин на опытных партиях и расходе аргона 40 л/мин на контрольной партии.

Оценка однородности и воспроизводимости легирования и+и р+ областей проводилась по результатам измерений поверхностного сопротивления диффузионных слоев. Изменения проводили в 13 точках на каждом диффузионном слое структуры и из каждой партии для измерений бралось по 6 пластин.

По результатам измерений рассчитывались средние значения. поверхностного сопротивления в партии (R ) со сто9 роны п+ и р слоев и относительные среднеквадратические отклонения по площади пластин — однородность легирования (Ч сдн ) и между пластинами в партии — воспроиэводимость легирова(Чзсс„ ) 1

В табл. 1 представлены данные по режимам изготовления опытных и контрольной партии, а в табл. 2 данные по однородности и воспроизводимости поверхностного сопротивления диффузионных п+ и р+ -областей.

Таким образом, однородность и воспроизводимость легирования п+ и р+-об.ластей многослойных структур тиристо.— ров, изготовленных по данному способу, значительно вьп е, чем изготовленных по известному способу.

Изобретение может быть применено для изготовления п+ -или р+-областей вместо способа диффузии с использованием галогенидов фосфора и бора в потоке газа-носителя, для изготовле$ )098455 6 ния п -областей в многослойных струк- фузией фосфора, з также для,изготовтурных симисторов и п-п+-структур ления п -слоев диффузией мышьяка и для высоковольтных- транзисторов диф-. сурьмы.

Таблица 1

¹¹ партий

Температура загрузки лодочки, С

Примечание

900

Формировался только и+ слой. 1050.

Одновременно

Ф. формировались,п

10.

1020

15 и р+ слои

1250

Контрольная

Таблица 2

¹¹ Тип проводимости партий диффузионного. слоя

Rs Ом/о

V 7.

@ Р

1,3

0,40

5,0

0,62

3,3

5,0

0,39

3,8

О, 6.1 р+

3,0 и+

4,9

0,38 рФ

8,9

0,57

16,3

0,54

Техред М. Надь

Редактор П. Горькова

Корректор В. Синицкая

Заказ 315/2 тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Время выдержки после загрузки, мин

Средняя скорость нагрева печи до температуры диффузии, С/мин

Пераметры диффузионного слоя

v,„.„„,,х 1