СПОСОБ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/208 

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 1250^оС. 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 1350-1400^оС) 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).

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.

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.