Способ диффузии фосфора из твердого источника при изготовлении полупроводниковых приборов

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам диффузии фосфора при изготовлении силовых полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: способ диффузии фосфора из твердого источника предназначен для повышения выхода годных полупроводниковых приборов с высоколегированными диффузионными областями n-типа за счет исключения загрязнения металлическими примесями формируемых структур на кремниевых пластинах, что достигается использованием в качетсве твердого источника порошка пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5 - 100 мкм. 2 табл.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам диффузии фосфора для создания высоколегированных областей n-типа при изготовлении силовых полупроводниковых приборов: силовых биполярных и полевых транзисторов, силовых модулей, преобразователей. Цель изобретения повышение процента выхода полупроводниковых приборов с высоколегированными диффузионными областями n-типа за счет снижения загрязнения металлическими примесями структур на кремниевых пластинах. Применение в заявляемом способе при диффузии фосфора в качестве твердого источника порошка пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5-100 мкм является новым и существенно отличает предложенное техническое решение по способу диффузии фосфора из твердого источника в замкнутом объеме от аналогов и прототипа. Сущность изобретения состоит в использовании для проведения диффузии фосфоросодержащего вещества порошка пирофосфата кремния, обладающего исключительными свойствами и обеспечивающего создание высоколегированного диффузионного слоя n-типа при исключении его загрязнения металлическими примесями. В заявляемом техническом решении кварцевая кассета с кремниевыми пластинами и твердым источником фосфора порошком пирофосфата кремния в испарителях на кассете вводится в потоке азота в реакционную зону кварцевого реактора, где создается замкнутый объем. После загрузки кварцевого носителя с пластинами и вкладышем в реакционную зону печи отключается подача азота, включается нагрев печи до рабочего температурного уровня. При этом одновременно происходит два процесса: разряжение инертного газа в полузамкнутом объеме за счет постепенного его выхода из полузамкнутого объема и одновременное заполнение этого объема парами пятиокиси фосфора Р₂О₅, выделяющейся при разогреве порошка пирофосфота кремния при температурах выше 850^оС в соответствии с уравнением реакции: SiP₂O₇_→ P₂O₅+SiO₂ Выделяющаяся пятиокись фосфора взаимодействует с поверхностью кремниевых пластин, расположенных в кварцевой кассете в полузамкнутом объеме с образованием равномерного фосфорносиликатного стекла, из которого происходит диффузия фосфора в кремний, и образование диффузионной области. Кремниевые пластины в кассете выдерживают на рабочей температуре в течение необходимого времени. Затем производится охлаждение печи с одновременной подачей нейтрального газа для выдувания паров Р₂О₅ и выгрузка кварцевой кассетой из печи. Используется смесь ингредиентов для того, чтобы произошло спекание материала источника в виде сплошного диска, либо для спекания диффузанта с кремниевой пластиной. Используемый в качестве твердого источника порошок пирофосфата кремния имеет преимущество в том, что он изготовлен на основе высокотемпературного вещества двуокиси кремния SiO₂, которое не находится в жидком состоянии и не испаряется при температурах диффузии, а также не является металлической примесью и щелочью, которое оказывает негативное влияние на качество p-n переходов и ухудшает стабильность полупроводниковых приборов при внедрении этой примеси в диэлектрик. Порошок пирофосфата кремния SiP₂O₇ обладает исключительными свойствами для диффузии в замкнутом объеме: 1. Содержит фосфорный ангидрид Р₂О₅ до 70. 2. начинает разлагаться при низкой температуре 800^оС, что способствует обеспечению достижения низкого удельного поверхностного сопротивления до 0,5-0,6 Ом/□ так как в момент нагрева при отключении потока инертного газа выделяющиеся молекулы Р₂О₅ быстро заполняют объем реакционной камеры и образуют слой ФСС с высокой концентрацией фосфора. 3. Обеспечивает воспроизводимый и стабильный уровень легирования диффузионных слоев (интенсивность разложения SiP₂O₇ зависит от величины температуры и длительности процесса) для выбранных режимов технологических процессов в диапазоне 1100^оС, поскольку расплавление SiP₂O₇ происходит при температурах ≥1350^оС. Способ предназначен для создания высоколегированных диффузионных n-областей на высоких температурах 1100^оС, на которых, как правило, твердые планарные источники диффузии фосфора не используются из-за термомеханического их разрушения либо из-за быстрого истощения. Кроме того заявляемый способ имеет преимущество перед способом диффузии из жидких источников РОСl₃ и РСl₃, которые сопровождаются внедрением в формируемый диффузионный слой высокой концентрации электрически неактивной примеси, что приводит к возрастанию механических напряжений в диффузионном слое и образованию высокой плотности дислокаций, что приводит к ухудшению электрических параметров диффузионных структур. Способ осуществляется следующим образом. П р и м е р 1. В кварцевую кассету устанавливают 10 контрольных кремниевых пластин диаметром 76 мм с эпитаксиальным слоем 250 кэф 0,01, толщина эпитаксиального слоя х_jэ= 250 мкм, n-тип легированный фосфором, удельное сопротивление эпитаксиального слоя 0,01 (Ом/см), в который произведена диффузия галлия и создан диффузионный слой р-типа, удельное поверхностное сопротивление ρ_sGa 80 Ом/□ x_{jэ Ga} 40 мкм. В испарители, расположенные в начале и в конце кварцевой кассеты, устанавливают кварцевые стаканчики диаметром 1,5 см с насыпанным твердым источником диффузии фосфора порошком пирофосфата кремния (SiP₂O₇) в количестве 0,7 г с определенным размером порошинок. Кварцевый носитель загружают в реакционную зону кварцевой трубы диффузионной печи с температурой 850^оС в потоке азота с расходом N₂ 250 л/ч, где создается замкнутый объем. После загрузки поступление газа отключают и производят нагрев кассеты со скоростью 8^оС/мин до рабочей температуры. Производят выдержку на этой температуре необходимое время, а затем включают продувку трубы с азотом с расходом 250 л/ч и охлаждают реакционную зону до температуры 850^оС. Затем выгружают кварцевую кассету. После охлаждения удаляются из кассеты кварцевые пластины. На них производится измерение толщины фосфоросиликатного стекла (d_фос), а после стравливания ФСС ρ_s в 5 точках на каждой пластине и толщина слоя (X_jр) в 2 точках. Твердый источник фосфора пирофосфат кремния удаляется из испарителя в отходы. Перечень выполняемых процессов на различных температурах с использованием диффузанта с различными размерами порошинок, а также результаты измерения среднего значения удельного поверхностного сопротивления в партии пластин ρ_s Ом/□ разброса среднего значения удельного поверхностного сопротивления в партии пластин Δ ρ_s% и средних значений в партии глубины диффузионного слоя x_jр и толщины фосфорносиликатного стекла d_фос представлены в табл.1 (пример 1, процессы I-II). П р и м е р 2 (по прототипу). Производят процессы диффузии 12, 13, 14 в контрольные кремниевые пластины и дальнейшие измерения проводят как в примере 1, только в каждый испаритель на кварцевой кассете насыпают 0,9 твердого источника диффузии фосфора порошок прозрачного стекла, состоящего из смеси Р₂О₅ и СаО, который получен путем перемешивания Р₂О₅в соотношении т.ч. 1:1, спекания при температуре 900^оС в течение 1,5 ч в атмосфере сухого N₂ и последующего помола. Результаты измерения параметров представлены в табл.1. П р и м е р 3 (по аналогу). В кварцевые кассеты устанавливают кремниевые пластины, как в примере 1 через один паз, а между ними 9 твердых планарных источников фосфора. Источники изготавливают путем вытравливания ячеек к кремниевой пластине, термическом окислении для создания двуокиси кремния толщиной 0,92 мкм, нанесении порошка пятиокиси фосфора на поверхность, отжиге при 900^оС в аргоне, нанесении на поверхность легирующей примеси плазмохимического окисла толщиной 0,6 мкм и проведении отжига при оптимальных различных температурах Т) и времени отжига t, которые соответственно используются для различных термических процессов. Для процесса 14 Т 1100^оС, t6 мин; 15 и 16 Т 1150^оС, t 4 мин; 17 Т 1200^оС, t 3 мин. Далее проводят процессы 15, 16, 17, 18, как в примере 1, с использованием раздельных партий кремниевых пластин и различных отдельных партий твердых планарных источников фосфора. Результаты измерений приведены в табл.1. П р и м е р 4. В две кварцевые кассеты с испарителями в начале и в конце кассеты устанавливают 100 рабочих кремниевых пластин диаметром 76 мм (в каждую по 50 шт. пластин) с формируемым силовым модулем, представляющим собой тройной транзистор Дарлингтона. В этих кремниевых пластинах имеется эпитаксиальный слой n-типа и созданы базовые области р-типа биполярных транзисторов с параметрами базы как в примере 1 (после диффузии галлия), в которых вскрыты эмиттерные области для диффузии фосфора. В испарители на кварцевых кассетах насыпают порошок пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5-100 мкм. Далее процесс производят как в примере 1, с выдержкой на рабочей температуре 1150^оС в течение 3 ч, а затем после выгрузки кремниевых пластин дальнейшие технологические операции для создания силовых модулей: вскрытию контактных окон под алюминий, нанесение алюминия и фотолитографии по алюминию, защита поверхности модулей; резка пластин на кристаллы, контроль и сборка. После сборки производится произвольная выборка контрольной партии силовых модулей в количестве 50 шт. из партии, измерение в выборке параметров граничного напряжения коллектор-эмиттер U_кэ.гр. и определение средней величины этого параметра U_кэ.гр., проведение измерений U_кэ.гр. по всей партии и определение распределения силовых модулей по 3 группам: I U_кэ.гр. ≅ 4508; II U_кэ.гр.450-700 В; III К_кэ.гр. > 700 В, определение процента выхода годных по этому параметру в партии К₁U_кэ.гр. при норме годных U_кэ.гр.≥450 В, определение процента выхода годных в партии К_{эл.п .}% при измерении остальных электрических параметров: максимально допустимого постоянного напряжения коллектор-эмиттер при U_эб 39 при разомкнутой цепи базы, максимально допустимого постоянного тока коллектора, максимально допустимого импульсного тока коллектора, статистического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером напряжение насыщения коллектор-эмиттер и др. и общего процента. Процент выхода годных силовых модулей К_общ. после измерения приведен в табл.2 (процесс 19). П р и м е р 5 (по прототипу). Производят процесс эмиттерной диффузии в 100 рабочих кремниевых пластин диаметром 76 мм с формируемым силовым модулем и дальнейшие технологические операции и измерения как в примере 4, только в каждый испаритель на кварцевой кассете насыпают 2,0 г порошка прозрачного стекла, состоящего из смеси Р₂О₅ ˙ СаО, приготовленного как в примере 2. Результаты измерений приведены в таблице 2 (процесс 20). Температура, длительность процессов, размер порошинок диффузанта, а также проведение процессов в контрольные кремниевые пластины с формируемым диффузионным слоем по всей поверхности пластин и в рабочие кремниевые пластины с изготавливаемыми силовыми модулями выбраны из условий определения диапазона характеристик процесса для эффективной диффузии фосфора и сравнительного определения влияния процессов на процент выхода годных силовых модулей. Режимы и характеристики процессов по примерам, а также измеряемые параметры на контрольных (примеры 1, 2, 3), и рабочих кремниевых пластинах с силовыми модулями (примеры 4, 5) представлены в табл.1 и 2. При температуре 1100^оС и выше (процессы 1, 4, 5, 8, 9, 10, 11) при размерах порошинок диффузанта 0,5-100 мкм обеспечивается однородная диффузия фосфора в кремниевые пластины с разбросом не выше ±10% и высокая воспроизводимость диффузии от процесса к процессу (процессы 4, 5). При размере порошинок 0,5-100 мкм достигается наиболее высокий уровень легирования (процессы 4, 5), который снижается при уменьшении размеров порошинок 0,5 мкм (процессы 2, 3) и увеличения порошинок до 100-200 мкм (процессы 6, 7). Понижение удельного поверхностного сопротивления диффузионного слоя при уменьшении порошинок ( ≅ 0,5 мкм) и увеличении до 100-200 мкм происходит в первом случае вследствие спекания порошинок на поверхности и в объеме диффузанта, а во втором случае в результате снижения площади поверхности активного вещества. При этом также наблюдается плохая воспроизводимость диффузионного слоя от процесса к процессу из-за нестабильности разложения этих смесей вследствие указанных причин (процессы 2, 3 и процессы 6, 7). Таким образом, оптимальными размерами порошинок пирофосфата кремния являются 0,5-100 мкм, а рекомендуемой температурой для проведения диффузии по заявляемому способу ≥ 1100^оС. Способ в диапазоне температур позволяет получать высоколегированные диффузионные слои n-типа с удельным поверхностным сопротивлением 2,7-0,5 Ом/□ в диапазоне температур 1100-1250^оС. Применяемый порошок пирофосфата кремния не разлагается полностью даже при проведении процессов диффузии по примерам 9 и 11. После этих процессов тот же порошок можно использовать по крайней мере еще для одного процесса. При меньших температурах и длительностях для 3-4 процессов. Однако из-за малого количества используемого порошка на каждом процессе и низкой стоимости порошка, а также для снижения разброса ρ_s от процесса к процессу рекомендуется одноразовое использование порошка. При использовании в качестве диффузанта порошинок твердого стекла, состоящего из смеси СаО и Р₂О₅ (примеры 2, процессы 12-14), достигается тот же уровень легирования, что и при использовании пирофосфата кремния. При создании диффузионного слоя n-типа с использованием твердых планарных источников диффузии фосфора в замкнутом объеме (пример 3, процессы 15, 16, 17, 18) установлено, что использование способа с их применением позволяет получать диффузионные слои n-типа только со значениями удельного поверхностного сопротивления 2,3-4,0 Ом/□ при температурах 1100-1200^оС. Причем применение этих источников возможно только для однократного процесса поскольку при повторных процессах на тех же температурах регистрируется возрастание величин удельного поверхностного сопротивления в 2-4 раза. В связи с однократностью применения планарных источников для получения ρ_s 2,3-4,0 Ом/□ резко в сотни раз возрастет стоимость процесса диффуузии, поэтому способ неприемлем для производства по сравнению с заявляемым способом. Способ по аналогу не позволяет получать при температурах 1100-1200^оС низкие величины удельного поверхностного сопротивления ρ_s< 2 Ом/□ Это обусловлено низким содержанием менее 20% пятиокиси фосфора в несвязанном виде в диффузанте, которым является плазмохимический окисел легированный пятиокисью фосфора (SiO₂ х Р₂О₅), быстрого испарения избытка Р₂О₅ в процессе диффузии и низкого давления пятиокиси фосфора, создаваемого в реакционной зоне. Сравнительные результаты определения влияния заявляемого процесса диффузии (пример 4, процесс 19) и по прототипу (пример 5, процесс 20) при изготовлении силовых модулей при Т 1150^оС в течение 3 ч как при процессе 9 указывают на значительное преимущество использования порошка пирофосфата кремния. При этом повышается среднее значение граничного напряжения коллектор-эмиттер U_кэ.гр. в 1,35 раза, повышается процент выхода годных при измерении остальных электрических параметров К_эл.п. и общий процент выхода годных силовых модулей в 1,5 раза. Значительное понижение процента выхода годных при использовании способа по прототипу объясняется тем, что при проведении диффузии из порошка твердого стекла, состоящего из смеси СаО и Р₂О₅, происходит испарение и восстановление СаО и поступление металлического кальция в образуемые пленку фосфорно-силикатного стекла при кремниевых пластинах и в диффузионный слой n-типа, в процессе диффузии фосфора. Диффузия металлического кальция в кремний проявляется в виде повышения плотности структурных дефектов в 1,5-2,5 раза на поверхности эмиттерной и базовой областей транзисторов по сравнению с образцами, изготовленными по заявляемому способу, которые выявляются после стравливания фосфорно-силикатного стекла и селективного травления кремния. Высокая концентрация металлической примеси и структурных дефектов в кремнии приводят к возникновению микроплазмы в n-p переходах, снижению граничных напряжений коллектор-эмиттер, повышению утечек и ухудшению других электрических параметров. В заявляемом способе в порошке пирофосфата кремния металлические примеси составляют всего ≅10^-4 мас. что отвечает материалу особой чистоты, кроме того, порошок пирофосфата кремния при исследованных температурах до 1250^оС не расплавляется и не испаряется, а только разлагается с выделением Р₂О₅, о чем свидетельствует наличие остающихся порошинок в кварцевых стаканчиках после проведения процессов. В результате при проведении диффузии загрязнение кремния металлическими примесями не происходит, значительно улучшается качество и процент выхода диффузионных структур силовых модулей, изготовленных с применением заявляемого способа.

Формула изобретения

СПОСОБ ДИФФУЗИИ ФОСФОРА ИЗ ТВЕРДОГО ИСТОЧНИКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, включающий размещение в кварцевой кассете кремниевых пластин и испарителей с твердым источником фосфора, загрузку кассеты в рабочую зону кварцевого реактора и проведение диффузии в замкнутом объеме, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных полупроводниковых с высоколегированными диффузионными областями n типа за счет исключения загрязнения металлическими примесями формируемых структур на кремниевых пластинах, в качестве твердого источника используют порошок пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5 100 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2