Способ получения эпитаксиальных слоев кремния

 

612610 муму II!)ooc!åìó самопроизвольного ироники<>венин в слой пр11месей путем использова IIIH такой низкой температуры и такой высокой скорости роста, которые были бы приемлемы в отношении допустимых характеристик совершенства кристалла и электрических свойств в криста,-лическом осадке.

Длл активных устройств наиболее желательно, чтобы потвижность носителей тока (холловская подвижность) была относительно высока, токи утечки относительно малы, а время жизни неосновного носителя тока относительно продол жптельно. Наилучшие характеристики КНС/

КНШ-транзисторов были достигнуты при слоях толин<ной более 0,8 мкм. Однако толшина эпптаксиального слоя должна быть достаточно маIoH длл получения приемлемых электрических характеристик: при уменьшенной толшпне сни>каются повреждения металлиза:1ип по краям слоя, служа<цей контактом для подсоединения к >лент родам.

>Ко>>атсл» о, чтооы осажденный на сапфир или шппясль 3IIIITBKcHBëüíûé кремниевый слой имел т<>ляпну порядка 0,5 мкм, что дает в<>зможно Il изготовлять хорошие транзисторы, характ< рис п<кп которых не уступают характеристикам транзисторов, изготовленных н3 слолх толщиной в 1 мкм и более. Одной пз причин трудности достижения этого при скорости вырагциванпя 2,0 мкм/мин было то, что для осаждения такого слоя, принимая во внимание перечисленные выше факторы, требовалось 5 сек.

Этого времени слишком мало для воспроизводи мого управления скоростлмп потока газа и концентрациями II!)li необходимости изменения типа прово.llDIocTH пли KoIII)cIITpBIIHH носителя IIB поверхности раздела кр )IIIIIH-подло>кка.

Цель изоорс гсппл сос гонт в уменьшеllllll загрязнения пол чаемого эпптаксиального слоя кремния и улучшения cl o кристаллической структуры.

Длл этого предлагаетсл осаждать сначала первую часть слоя толщиной 0,05 — 0,2 мкм прп средней скорости роста 4 — 6 мкм/мпн, а затем вторую часть слоя при скорости роста не оолее

0,5 мкм/мнн. Первую часть слоя целесообразlo осаждать из сжатой под давлением смеси сплана и водорода, а вторую часть слоя — — непосредственно за первой при более низком содерж IHIIH силана в смеси, чем при осаждении первой части слоя. Длл осаждения первой части слоя предпочтительно использовать смесь содержа<цую 4 — 6 об ч. водорода и 1 об ч.

6 /о-ного силана в водороде,;l I,.)H осаждения второй части с. oя — см cь, содержащую 45-55 об. I. водорода II 1 Do.÷. 6",,)-ш>го силапа в водороде.

На фиг. изображен реактор длл осуществления пр«д,<агаемого способа, разрез; на фиг, 2 показана схема системы <к)дачи и смеЦ!ИВ3НИЯ ГЗЗОВ.

Предлагаемый способ получения эпитакси3>II lII Ix слоев кремния может быть осушествлен с использованием реактора как вертикального, так II горизонтального типа. Ниже оппсываетсл о< у<цествление спосооа в вертикальном pc àêTîpe цилиндрического Tll!13

Реактор (фиг. 1) имеет реакционную камеру 1 ку<юлообразной формы. Между внутреllпими 2 и наружными 3 стенками камеры можс) циркулировать вода длл îx, IBæäåния внутрен5 них стенок при работе камеры. Верх камеры снабжен каналом 4 для впуска газа.

В камере 1 сверху подвешено днскообразное газонаправляюгцее устройство 5. Это устройст во располагается так, чтобы входящие газы направлялись к стенкам камеры.

Камера 1 установлена на полом основании

6, внутрь которого при помощи впускного 7 и выпускного 8 каналов может подаваться вода.

Внутри камеры 1 установлена подставка 9, врагцающаяся на вертикальной оси 10 и изготовляемая, например, из углерода. Подставка имеет форму шестигранной усеченной призмы, у которой каждая из шести наклонных поверхностей 11 снабжена буртом 12 для установки на нем обрабатываемой полупроводни13.

Ось 10 установлена на вертикальном валу 14, помещенном внутри муфты 15 и снабженном подшипником 16. Нижний конец вала 14 снабжен шкивом 17, который приводится в движение через ременную передачу 18 от двигателя 19 с регулируемой скоростью.

При работе реактора подставка 9 медленно вращается в циркулирующих через камеру 1 газа х.

Смесь реакционных газов (силан, водород зо и легирующая примесь) поступает в реакционную камеру 1 из системы смешивания и подачи газов (фиг. 2).

Система содержит три впускных трубопров<>да 20, 2! и 22 для подачи легирующей примеси, силана и водорода соответственно. Труэб бопроводы 20, 21 и 22 снабжены соответственно устройствами 23, 24 и 25 для регулирования потока газа, распределительными клапанами 26, 27 и 28 и регулирующими давление клапана>4H :.,30 и 31.

Бпускные трубопроводы 20, 21 и 22 соединены через контрольный клапан 32 с одной стороной камеры 33 подготовки смеси, снабженной манометром 34. К противоположному концу камеры 33 подсоединен выпускной насадок 35.

45 К выпускному трубопроводу 36, отходящему от насадка 35, подсоединен контрольный клапан 37. Выпускной трубопровод 36 связан с отводным трубопроводом 38, выпуск газа из которого регулируется выхлопным клапаном 39.

Ответвление 40 соединяет выход контрол1—

53 ного клапана 37 с каналом 4 для выпуска газа B реакционную камеру 1 (фиг. 1) .

Другой впускной трубопровод 41 соединяет общий выход второй группы впускных трубопроводов (на схеме не показаны) с трубопроводом 41 через контрольный клапан 42.

Пример. Для осаждения эпитаксиального слоя кремния из смеси силана, водородй и легирующей примеси в две стадии использу1ог описанные выше вертикальный реактор и систему смешивания и подачи газов (длина подготовительной камеры 33 равна !2,7 cм, 612610 лиаметр — 5 см; диаметр выпускного насалка

35 равен 1,27 мм).

Перед началом процесса осаждения кам ру 33 промывают используемыми газами. Клапаны 32 и 39 открывают, клапан 37 закрывают, клапаны 26, 27 и 28 открывают для впуска легирующего газа из трубопровода 20, силана из трубопровода 21 и водорода из трубопровода 22 в камеру 33. Скорость потока газов регулируют так, чтобы получить смесь, содержащую 100 см легирующего газа, представляющего собой водород с взвешенными нем 100 ч./млн. диборана или арсина (в зависимости от желаемогО типа присадки), 5000 см 6%-ного силана в водороде и

25000 смз водорода. Газы сначала пропускают через камеру 33 и всю остальную систему, включая отводной трубопровод 38, с целью вытеснения воздуха, затем клапан 39 закрывают и камера 33 заполняется газовой смесью при давлении 4 кг/см, после чего клапан

32 закрывают.

Подставку 9 нагревают до 1000 С током высокой частоты и приводят во вращение со скоростью 18 об/мин. Затем клапан 37 открывают и газы из камеры 33 мгновенно впускают в реакционную камеру 1. Газы проходят над нагретыми полупроводниковыми подложками 13 и начинают осаждать на них эпитаксиальный слой креМния. Монокристаллический слой кремния толщиной примерно 0,1 мкм осаж дается в течение 1- 1,5 сек. В конце этого короткого промежутка времени клапан 37 закрывают, отсекая таким образом камеру 33 и связанную с ней трубопроводгую систему от остальной части системы смешивания и подачи газов, связанной с ответвлеHèåì 40 впускным трубопроводом 41.

Тем .временем проводится подготовка лля наращивания второй части слоя с более низкой скоростью по обычной технологии. По окончании первой, описанной выше стадии процесса открывают клапан 42 и в камеру 1 впускают смесь, содержащую 50 см водорода, содержащего 10 ч./млн. диборана или арсина, 500 см

6%-ного силана в водороде и 24000 см водорода. Этим обеспечивается дальнейший рост эпитаксиального,слоя кремния, но с гораздо меньшей скоростью.

Вторая стадия роста продолжается в течение времени, неоохолимого для получения я.елаемой толщины слоя кремния. Например, скорость роста может поллерживаться в прелелгх от 0,1 ло 0,5 мкм/мин, а общая толщина слоя может быть равна 0,5 мкм.

На обеих сталиях могут вводиться одинаковые пли различные легирующие примеси. На первой стадии может быть введено большое количество примеси, как это описано выше.

В этом примере на первой сталин введено примеси от 10 ло10 атомов/см, а на второй— около 10 атомов/см . щ Предло>кенный способ описан для случая осаждения эпитаксиального слоя кремния на подложке из сапфира или шпинели. Однако его можно использовать везде, гле существует опасность нежелательного внслрения загрязнений из подложки в осаждаемый. кристаллический слой и появления в осажденном слое нежелательных свойств. так как проведение процесса в лве стадии уменьшает загрязнение слоя из подложки и улучшает его кристаллическую структурх.

Формула изобретения

1. Способ получения эпитаксиальных слоев кремния осаждением их на нагретой сапфиро25 вой или шпинелевой подложке из газовой смеси силана и водорода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения загрязнения слоя и улучшения его кристаллической структуры, сначала осаждают первую часть слоя толщиной 0,05—

0,2 мкм при средней скорости роста

4 — 6 мкм/мин, а затем вторую часть слоя при скорости роста не более 0,5 мкм/мин.

2. Способ по п. 1, отяичающиися тем, что первую часть слоя осаждают из сжатой под давлением смеси силана и водорода, а вторую часть слоя осаждают непосредственно за первой при более низком содержании силана B смеси, чем при осаждении первой части слоя.

3. Способ по п. 2, от.гичающийся тем, что лля осаждения первой части слоя используют смесь, содержащую 4 — 6 об.ч. водорода и 1 об.ч.

40 6%-ного силана в водороде, а лля осаждения второй части слоя используют смесь, содержащую 45 — 55 об.ч. водорода и 1 об.ч.

6%-ного сплава в волороде.

Источники информации, принятые во внимание Hpll экспертизе:

1. «J. Electrochem. Soc.», 1970, 117, р. 812—

814.

632610 фиг 1

Составитель В. Безбородова

Техред О. Луговая Корректор И. Гоксич

Тираж 964 Подписное

Редактор Г. Котельский

Заказ 3236/17

ГГНИИГ1И Государственного комитета Совета Министров СССI по делам изобретений и открьн ий! 13035, Москва, Ж-35, Раушская нао, д. 4/5

Филиал 11ПП <.Патент», г. Ужгород, ул. 11роекгная, 4