Способ молекулярно-лучевой эпитаксии

 

Использование: в микроэлектронике. Сущность изобретения: способ молекулярной эпитаксии включает изготовление из пластины монокристаллического легирования кремния источника заданной формы. Затем ведут нагревание источника путем пропускания через него электрического тока до температуры сублимации материала с рабочей стороны источника и эпитаксиальное наращивание на подложке легированного слоя из полученной паровой фазы. В процессе изготовления источника на рабочей стороне пластины методом зонной перекристаллизации градиентом температуры формируют и одновременно легируют заданной примесью монокристаллический слой. Последний формируют и легируют при температуре максимума растворимости легирующей примеси в кремнии. Кроме того, монокристаллический слой легируют одновременно несколькими заданными примесями. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способам эпитаксии кремния и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.

Эффективным методом получения эпитаксиальных структур кремния с заданными свойствами является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Распространен способ МЛЭ Si, при котором испарение основного вещества (кремния) и легирующих примесей (донорных или акцепторных) производится независимо друг от друга и обеспечивается сложными и дорогостоящими устройствами: электронно-лучевым испарителем кремния и прецизионно управляемыми ячейками для создания потоков примесей [1] Известен способ МЛЭ Si (прототип), включающий изготовление из пластины монокристаллического легированного кремния сублимирующегося источника заданной формы (обычно в виде узкой полоски), нагрев источника путем пропускания через него электрического тока до температуры сублимации материала с рабочей стороны источника и эпитаксиальное наращивание на подложке легированного слоя из полученной паровой фазы [2] В этом способе полностью отсутствует необходимость использования сложных и дорогостоящих устройств для испарения кремния и примесей и контроля потоков этих веществ. Потоки кремния и растворенных в кремния примесей легко контролируются по рабочей температуре источника и известной концентрации легирующей примеси в исходной пластине монокристаллического кремния. Достаточно интенсивный поток атомов кремния получают при температурах источника, близких к температуре плавления кремния. В тоже время потоки легирующих примесей и сама номенклатура этих примесей ограничена набором выпускаемых марок слиточного кремния, из которого вырезают источники заданной формы. Перечень легирующих примесей слиточного кремния практически сводится к элементам, создающим мелкие донорные и акцепторные уровни, а внутри этого класса также очень ограничен. Особенно заметно это в отношении кремния р-типа, так как такой кремний получают, легируя расплав почти исключительно бором. Лишь отдельные марки кремния легируются алюминием и галлием. Кроме того, известно, что при выращивании слитков для многих важных пpимесей принципиально недостижимы уровни концентраций, соответствующие пределам растворимости этих примесей в кремнии.

Указанные выше обстоятельства снижают возможности легирования получаемых по способу-прототипу слоев как в смысле номенклатуры примесей, так и по верхним пределам концентраций. Для преодоления последнего ограничения способ-прототип иногда дополняют использованием различного рода источников атомарных или ионных пучков. Но это сводит к минимуму одно из важнейших достоинств прототипа его простоту и дешевизну.

Задача изобретения расширение номенклатуры легирующих примесей и повышение верхнего предела уровня легирования эпитаксиальных слоев, выращиваемых при МЛЭ с использованием нагреваемого пропускания тока сублимирующегося источника кремния.

Поставленная задача решается путем формирования и легирования заданной примесью на рабочей стороне, т.е. обращаемой к подложке, монокристаллческой пластины методом зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) монокристаллического слоя кремния, служащего далее непосредственным источником испаряемого материала, причем этот слой формируют при температуре максимума растворимости в кремнии легирующей примеси. Дополнительный положительный эффект обеспечивается одновременным легированием на стадии формирования эпитаксиального слоя источника несколькими заданными примесями.

Сущность изобретения заключается в том, что впервые источник кремния и легирующей примеси изготавливают не просто путем вырезания его из монокристаллической пластины, но предварительно формируя на рабочей стороне такой пластины, монокристаллический слой кремния, легированного необходимой примесью. При этом в качестве оптимального метода формирования такого слоя предложен жидкофазный метод зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ). Такой выбор обоснован экспериментально и объясняется следующими обстоятельствами.

Во-первых, при проведении процесса ЗПГТ, в результате которого получают монокристаллический слой, используемый в качестве рабочей поверхности источника при МЛЭ, возможно применение элемента заданной примеси в виде чистого металла-растворителя (например, Al, Ga, In и др.), либо в качестве добавок к другим металлам-растворителям (например, добавки Sb, Tl в Sn или редкоземельные металлы-растворители). При этом происходит легирование материала источника до высоких концентраций. Выбор легирующих примесей при ЗПГТ широк и не ограничивается типичными примесями, создающими в кремнии мелкие уровни. Могут быть использованы примесные элементы, легирование которыми слиточного кремния не производится, и пластины кремния с такими примесями не выпускаются (табл.1). Например, Au, Rd, In, Tl, Sn, Pb ряд редкоземельных элементов и др. Тем самым расширяется номенклатура легирующих примесей, с использованием которых можно проводить процессы МЛЭ Si.

Во-вторых, соблюдение условия, согласно которому процесс ЗПГТ проводят при температуре, соответствующей максимальной растворимости в кремнии данной примеси, позволяет предельно повысить концентрацию примеси, растворенной в монокристаллическом слое кремниевого источника. Поэтому увеличивается верхний предел легирования данной примесью из такого источника кремния при МЛЭ. Указанное условие легко реализовать, так как данные о температурных зависимостях растворимости примесей в кремнии известны. Например, при изготовлении методом ЗПГТ источника, легированного галлием, обеспечивается предельная концентрация галлия 4 1019 см-3 при температуре процесса ЗПГТ 1250оС. В то же время слиточный монокристалл кремния, из которого изготавливаются источники для использования по способу-прототипу, не может быть выращен с концентрацией галлия более 5 1017 см-3.

В-третьих, для того, чтобы источник с монокристаллическим легированным слоем кремния на его рабочей стороне устойчиво работал на протяжении времени, типичного для суммарного времени работы источника по способу-прототипу, необходимо, чтобы толщина легированного монокристаллического слоя была такого же порядка, как и толщина источников в способе-прототипе, т.е. несколько сотен мкм. Из эпитаксиальных процессов такие толщины легко обеспечивает только процесс ЗПГТ.

Наконец, возникающая в ряде случаев необходимость легирования в процессе МЛЭ Si одновременно несколькими примесями может быть достаточно просто удовлетворена по предлагаемому способу подготовкой источника со слоем на его рабочей стороне, который получен методом ЗПГТ при включении в состав раствора-расплава нужного набора примесных компонентов. Например, легко обеспечить одновременное легирование в нужных пропорциях акцепторными примесями Al-Ga, In-Ga, Al-In-Ga и др. используя в качестве металлов-растворителей соответствующие сплавы.

Способ поясняется примерами реализации (табл.2).

Для проведения процесса МЛЭ предварительно подготавливают источник легированного кремния. Для этого по известной методике с помощью процесса ЗПГТ [3] на монокристаллической пластине кремния 100 мм наращивают монокристаллический слой кремния, легированного заданной примесью. Процедура ЗПГТ заключается в создании между двумя пластинами кремния 100 мм и толщиной 600 мкм зоны расплава металла-растворителя втягиванием его в капиллярный зазор между пластинами и последующей миграции плоской жидкой зоны в поле температурного градиента через более нагретую пластину до момента выхода на ее свободную поверхность. Температурные условия формирования зоны выбираются для каждого конкретного материала зоны из соображений воспроизводимости процесса и не относятся к исходя из данных о максимуме растворимости конкретной примеси в кремнии. В простейшем случае формирование зоны и процесс перекристаллизации осуществляют в одних и тех же температурных условиях, выбранных из соображений максимального легирования слоя.

После завершения процесса ЗПГТ проводят шлифовку поверхности выросшего слоя с остатками металла-растворителя и ее полировку (остаточная толщина пластины со слоем на ней составляет примерно 800-1000 мкм, из которых 200-400 мкм приходится на легированный монокристаллический слой. Из полученной пластины со слоем вырезают источники для МЛЭ c планарными размерами 5х80 мм. Такой источник устанавливают в ростовой камере на токоподводах рабочей стороной (т. е. монокристаллическим слоем) к подложке, нагревают источник пропусканием через него тока до температуры сублимации материала монокристаллического слоя с необходимой скоростью (выбирается исходя из соображений удобства управления процессом роста эпитаксиальной пленки на подложке как правило в диапазоне температур 1350-1400оС) и проводят процесс эпитаксии слоя на подложке из полученной паровой фазы. Температуру подложки выбирают в каждом конкретном случае индивидуально, исходя из требуемых свойств эпитаксиального слоя. В табл.2 примеры приведены для случаев, когда температуры подложек выбраны из соображений полной конденсации на подложке атомов всех приведенных в таблице легирующих примесей (т.е. равенства коэффициента прилипания единице).

Формула изобретения

1. СПОСОБ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ, включающий изготовления из пластины монокристаллического легированного кремния источника заданной формы, нагрев источника путем пропускания через него электрического тока до температуры сублимации материала с рабочей стороны источника и эпитаксиальное наращивание на подложке легированного слоя из полученной паровой фазы, отличающийся тем, что в процессе изготовления источника на рабочей стороне пластины методом зонной перекристаллизации градиентом температуры формируют и одновременно легируют заданной примесью монокристаллический слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монокристаллический слой формируют и легируют при температуре максимума растворимости легирующей примеси в кремнии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что монокристаллический слой легируют одновременно несколькими заданными примесями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано для получения методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) двухслойных гетероструктур: арсенид-антимонид-висмутид индия/антимонид индия (InAs1-x-ySbxBiy/InAs1-x-ySbxBiy/InSb) для фотоприемных устройств ИК-диапазона, соответствующего ширине запрещенной зоны (Еg) эпитаксиального слоя (ЭС) менее 0,165 эВ при 77К (или положению края собственного оптического поглощения с>7,5 мкм при 77К)

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники с применением жидкофазной эпитаксии

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к созданию карбидкремниевых р-п-структур, которые используют для создания высокотемпературных приборов: выпрямительных диодов, стабилитронов, полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом, и позволяет повысить выход годных структур

Изобретение относится к технологии полупроводников, в частности к технологии выращивания полупроводниковых гетероструктур методом жидкофазной эпитаксии, и может быть использовано для получения квантово-размерных периодических структур с супертонкими активными слоями с целью создания на их основе, например, температурно-стабильных лазеров, быстродействующих транзисторов и т.д

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники методом жидкостной эпитаксии

Изобретение относится к металлургии полупроводников, а именно к получению однои многослойных полупроводниковых эпитаксиальных структур для полупроводниковой промышленности, и позволяет улучшить морфологию выращиваемых структур, получить локальную эпитаксию, а также получить резкие переходы между выращиваемыми слоями
Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники с применением жидкостной эпитаксии
Изобретение относится к технологии полупроводниковых структур, а именно к технологии формирования металлических зон для зонной перекристаллизации градиентом температуры, и может найти применение в технологии изготовления фотопреобразователей

Изобретение относится к технологии полупроводников и может быть использовано для получения многослойных эпитаксиальных структур полупроводниковых материалов методом жидкофазной эпитаксии

Изобретение относится к прикладной физике и микроэлектронике и может быть использовано при получении моно- и мультислойных структур низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, преимущественно ограниченно растворимого амфифильного вещества (ОРАФВ) из жидкой фазы

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых структур из соединений А3В 5 методами эпитаксии
Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем

Изобретение относится к области силовой микроэлектронной техники, а более конкретно, к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур из соединений A3B5 методами жидкостной эпитаксии

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам для получения многослойных полупроводниковых гетероструктур. Устройство содержит корпус 1 с крышкой 2, контейнер 3 с емкостями для исходных расплавов, снабженный поршнями 4, многосекционный держатель 14 подложек, камеру роста 5 и каналы для подачи и вывода расплавов. Контейнер 3 с емкостями расположен под многосекционным держателем 14 подложек. Крышка 2 снабжена выступами для удаления излишков расплава. Устройство содержит дополнительные емкости 7 для части используемых расплавов, установленные над контейнером 3, каждая из которых снабжена крышкой 8 с грузом и отверстием с возможностью слива расплава в располагающийся ниже основной контейнер 3. Технический результат изобретения состоит в обеспечении подавления нежелательного взаимодействия примесей в разных ростовых расплавах между собой через газовую фазу, что приводит к повышению технических или электрофизических характеристик получаемых структур. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к установкам для выращивания наногетероэпитаксиальных структур методом жидкофазной эпитаксии, и может быть использовано при производстве материалов для полупроводниковых приборов. Изобретение позволяет увеличить производительность установки, улучшить многократное позиционирование подложки при увеличении ее диаметра, обеспечить эпитаксиальное наращивание не только нанослоев, массивов квантовых точек, но и омических контактов различных конфигураций за счет выполнения реактора в виде «креста», внутри горизонтальной части которого, вдоль его оси, перемещается кассета с расположенными на ней емкостями с различными растворами-расплавами, контейнерами с подложками и контейнерами для складирования наноструктур для их поочередного совмещения с цилиндром. В вертикальной части реактора, через центр нижней крышки реактора, проходит шток, перемещающий контейнеры из кассеты к нижнему основанию цилиндра для закрепления подложек при создании вакуума внутри цилиндра, с последующим отделением наноструктур в контейнер при поступлении водорода вовнутрь цилиндра. Перемещение штоком из кассеты емкостей приводит к созданию ростовой камеры, образованной рабочей поверхностью подложки, внутренней поверхностью нижнего основания цилиндра и поверхностью насыщенного раствора-расплава, проходящего через отверстия плавающей пластины заданной формы с различной конфигурацией отверстий. Через центр верхней крышки реактора проходит шток внутри цилиндра, перемещающий теплоноситель от теплоемкости с постоянной температурой и теплоемкости в виде кольца с индукционным импульсным нагревом до тыльной поверхности подложки. 1 ил.

Изобретение относится к области силовой микроэлектронной техники, а более конкретно к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур из соединений А3В5 методами жидкостной эпитаксии. В способе единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, в ходе процесса эпитаксии при выращивании высокоомной i-области, ограниченной с двух сторон слаболегированными р-- и n--областями, предложено использовать разработанный режим охлаждения, позволяющий без дополнительного увеличения ростового зазора между подложками сформировать необходимый профиль распределения концентрации носителей в базовой области структуры. Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в снижении прямого падения напряжения GaAs p-i-n структуры при одновременном уменьшении величины времени обратного восстановления. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам получения методом жидкофазной эпитаксии многослойных полупроводниковых структур. При реализации способа используют герметичную ростовую камеру с раствором-расплавом, в которой закрепляют попарно группу подложек. При этом применяют стационарную камеру роста с переменной шириной ростового канала по высоте с определенным углом отклонения от вертикали ϕ. Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в обеспечении компенсации нежелательного массопереноса основного кристаллообразующего компонента - мышьяка в вертикальном направлении, что приводит к повышению однородности толщины эпитаксиальных слоев по площади структуры и, соответственно, основных технических или электрофизических характеристик получаемых эпитаксиальных структур. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр., 2 табл.
Изобретение относится к области микроэлектронной техники, а более конкретно к способам изготовления многослойных полупроводниковых структур в системе AlGaAs методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Метод ЖФЭ применяют для изготовления оптоэлектронных приборов и приборов силовой электроники. При реализации разработанного способа выращивают дополнительный слой AlxGa1-xAs состава 0,85≤x≤0,95 после формирования последнего функционального слоя гетероструктуры с последующим удалением дополнительного слоя путем химического селективного травления. Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в улучшении электрофизических параметров эпитаксиальных структур, выращенных методом ЖФЭ, при одновременном исключении прецизионной дополнительной операции по удалению избыточной толщины функционального слоя.
Наверх