Способ формирования кремниевых эпитаксиальных структур

 

Использование: в полупроводниковой технике, а именно к технологии изготовления эпитаксиальных структур для производства полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: предлагаемый способ создания эпитаксиальных структур состоит в том, что для предотвращения появления прослоек в рабочем эпитаксиальном слое, перед наращиванием рабочего высокоомного слоя на подложку n⁺-типа наращивают первый дополнительный слой толщиной d₁=0,5-5 мкм и удельным сопротивлением ρ₁(1-50)ρ_o.c, затем второй дополнительный слой толщиной d₂=(0,5-0,9)d_{Σ диф.ф.} и удельным сопротивлением ρ₂=(0,02-2)ρ_р.с, где ρ_о.с - удельное сопротивление опорного слоя (подложки); d_{Σ диф.ф.} - расчетная или экспериментальная суммарная глубина диффузии фосфора в рабочий слой; ρ_р.с. удельное сопротивление рабочего слоя. Первый дополнительный слой формируют в опорном слое ионным легированием и/или диффузией. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к технологии изготовления эпитаксиальных структур для производства полупроводниковых приборов.

Известен способ создания эпитаксиальных структур, заключающийся в наращивании кремниевого высокоомного слоя n-типа на подложку n⁺-типа, которая сильно легирована примесью, имеющей минимальный коэффициент диффузии при температурах эпитаксии и диффузионных процессов.

В данном способе опорные слои (подложки) n⁺-типа загружают в реактор установки на подложкодержатель, продувают реактор инертным газом для удаления воздуха, после чего продувают водородом, нагревают до температуры 1150-1250^оС и подают реагент для газового травления, после газового травления реактор снова продувают водородом, удаляя остатки реагента, устанавливают требуемую температуру наращивания и подают реагенты для осаждения и легирования эпитаксиальных слоев, например тетрахлорид кремния и фосфин. После достижения требуемой толщины эпитаксиального слоя подачу реагентов прекращают, реактор продувают водородом, выключают нагрев и после остывания реактора его продувают инертным газом и затем разгружают.

Этот способ имеет следующий недостаток. Сильнолегированный опорный слой кремния (подложка) наряду с легирующей донорной примесью, имеющей концентрацию более 1˙ 10¹⁸ см^-3 всегда содержит фоновые акцепторные примеси бор, алюминий и др. имеющие коэффициент диффузии более высокий, чем основная примесь подложки. Концентрация фоновых акцепторных примесей обычно находится в пределах 1˙ 10¹³ 1 ˙10¹⁶ см^-3, изменяясь случайным образом в зависимости от неконтролируемых условий получения монокристаллических слитков кремния. Поэтому при наращивании данным способом высокоомного равномерного эпитаксиального слоя с концентрацией донорной примеси менее 1x x10¹⁵ см^-3 в эпитаксиальном слое вблизи границы с опорным слоем часто образуется высокоомная прослойка или прослойка р-типа.

Сущность предлагаемого способа создания эпитаксиальных структур состоит в том, что для предотвращения появления прослоек в рабочем эпитаксиальном слое, перед наращиванием рабочего высокоомного слоя, между ним и опорным сильнолегированным слоем (подложкой), изменяя концентрацию легирующей примеси (фосфина) наращивают два дополнительных буферных слоя, причем первый дополнительный буферный слой, граничащий с опорным слоем, наращивают толщиной d₁= 0,5-5 мкм и удельным сопротивлением ρ₁(1-50) ρ_о.с., а второй, граничащий с рабочим слоем, наращивают толщиной d₂=(0,5-0,9) d_Σдиф.ф. и удельным сопротивлением ρ₂ (0,02-2) ρ_р.с., где d₁ толщина первого эпитаксиального слоя; d₂ толщина второго эпитаксиального слоя; d_Σдиф.ф. расчетная или экспериментальная суммарная глубина диффузии фосфора в рабочий слой; ρ_ос.- удельное сопротивление опорного слоя (подложки); ρ₁ удельное сопротивление первого дополнительного слоя; ρ₂ удельное сопротивление второго дополнительного слоя; ρ_р.с. удельное сопротивление рабочего слоя.

На чертеже показана последовательность формирования эпитаксиальных слоев. На опорном n⁺-слое 1 наращивают первый дополнительный слой 2 толщиной 0,5-5 мкм и удельным сопротивлением (1-50) ρ_о.с., на нем наращивают второй дополнительный слой 3 толщиной (0,5-0,9) d_Σдиф.ф. и удельным сопротивлением (0,02-2) ρ_р.с., на котором наращивают высокоомный рабочий слой 4.

В результате того, что фосфор при высоких температурах имеет коэффициент диффузии, сравнимый с коэффициентом диффузии фоновых акцепторных примесей и больше, чем коэффициент диффузии примеси опорного слоя, например сурьмы, а концентрация фосфора значительно превышает концентрацию фоновых акцепторных примесей, он перекомпенсирует р-области, создаваемые диффузией бора из опорного слоя в эпитаксиальный слой, превращая их в n-области. В этом случае прослойка не образуется.

В предлагаемом способе перед процессом эпитаксиального наращивания высокоомного слоя проводят процесс наращивания двух дополнительных эпитаксиальных слоев с разной концентрацией легирующей примеси.

Для этого опорные слои n⁺-типа загружают в реактор на подложкодержатель, продувают реактор инертным газом или нейтральным газом, после чего продувают водородом, нагревают до требуемой температуры и подают реагент для газового травления, например хлористый водород. После газового травления проводят отжиг в водороде, удаляя остатки реагента, и подают в реактор реагенты осаждения, например тетрахлорид кремния и высокой концентрации лигатуру (фосфин), наращивают первый дополнительный эпитаксиальный слой толщиной 0,5-5 мкм. Затем подачу реагентов для осаждения легирующей примеси прекращают, проводят отжиг в водороде для удаления остатков реагентов, снова подают реагент для осаждения без подачи лигатуры и наращивают второй дополнительный эпитаксиальный слой толщиной (0,5-0,9) d_Σдиф.ф., после этого подачу реагента прекращают, реактор продувают водородом, выключают нагрев и после остывания реактора его продувают инертным или нейтральным газом и разгружают. Рабочий высокоомный слой наращивают на второй дополнительный слой в другом реакторе.

В случае, если высокоомный рабочий слой имеет удельное сопротивление менее 15 Ом˙ см его наращивание проводят в одном процессе с наращиванием дополнительных слоев. В этом случае после наращивания второго дополнительного слоя проводят отжиг в водороде, газовое травление, снова отжиг в водороде и далее наращивание рабочего слоя требуемой толщины, подавая реагенты для осаждения и легирования, затем подачу реагентов прекращают, реактор продувают водородом, выключают нагрев и после остывания реактора его разгружают.

Первый дополнительный слой предотвращает появление прослойки противоположного типа, а второй слой предотвращает автолегирование из первого дополнительного слоя в рабочий слой.

П р и м е р. Наращивание рабочего эпитаксиального слоя 35КЭФ15 на подложке 460ЭКЭСО, 0,1 диаметром 100 мм с дополнительными слоями.

В реактор установки УНЭС-101"М" на подложкодержатель устанавливают подложки, продувают реактор азотом, затем водородом и включают нагрев. При достижении температуры на пластинах 1150-1190^оС подают в реактор хлористый водород и проводят травление в течение 1-5 мин. После газового травления проводят отжиг в водороде в течение 1-5 мин и подают четыреххлористый кремний, продувая испаритель с тетрахлоридом кремния водородом и максимальный расход фосфина. Нарастив первый дополнительный слой толщиной 3-5 мкм, подачу четыреххлористого кремния и фосфина прекращают и проводят отжиг в водороде 1-6 мин.

После отжига в реактор снова подают четыреххлористый кремний и без подачи лигатуры наращивают второй дополнительный слой толщиной 5-10 мкм, затем снова проводят отжиг в водороде, газовое травление 1-2 мин, снова отжиг в водороде 1-6 мин и, подав требуемый расход лигатуры и четыреххлористого кремния, наращивают требуемую толщину рабочего слоя. Затем подачу реагентов прекращают, реактор продувают водородом, выключают нагрев и после остывания реактора его продувают азотом, а затем разгружают.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР, заключающийся в наращивании кремниевого высокоомного рабочего слоя n-типа проводимости на подложку n⁺-типа, которая сильно легирована примесью, имеющей минимальный коэффициент диффузии при высоких температурах, отличающийся тем, что перед наращиванием рабочего высокоомного слоя на подложку n⁺-типа наращивают первый дополнительный слой толщиной d₁=0,5 5 мкм и удельным сопротивлением ρ₁= (1-50)ρ_ос, затем второй дополнительный слой толщиной d₂=(0,5 0,9) d_{Σ диф.ф} и удельным сопротивлением
ρ₂= (0,02-2)ρ_рс,
где d_{Σ диф.ф} удельное сопротивление опорного слоя-подложки;
ρ_ос расчетная или экспериментальная суммарная глубина диффузии фосфора в рабочий слой;
ρ_рс удельное сопротивление рабочего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1