СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНО ЛЕГИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C30B15/04 C30B31/00 

Изобретение относится к полупроводниковой металлургии и может быть использовано при выращивании монокристаллов кремния электронного типа проводимости методом Чохральского с последующим их применением при изготовлении полупроводниковых приборов, в частности, мощных и силовых транзисторов, силовых диодов и тиристоров и т.д.

Наиболее близким к избретению является способ, в соответствии с которым монокристаллы кремния выращивают по методу Чохральского, легирование донорной примесью осуществляют путем введения в тигель с расплавом кремния заданного количества фосфорсодержащей лигатуры и отжигают при 350 500^oС.

Недостатком описанного способа является низкий выход в годную продукцию при доводке монокристаллов по УЭС из-за неоднородного (увеличение концентрации от верхнего к нижнему торцу) распределения фосфора по длине кристалла. Это связано с существенным отклонением от единицы коэффициента распределения фосфора в кремнии.

Задача изобретения выбор условий легирования кремния фосфором при выращивании по методу Чохральского и условий использования такого кремния в производстве полупроводниковых приборов таким образом, чтобы величины УЭС в изготовленных полупроводниковых структурах для всех точек монокристалла по длине и сечению соответствовали заданному номиналу УЭС.

Это достигается тем, что в способе легирования монокристаллов кремния, выращиваемых методом Чохральского и используемых для изготовления полупроводниковых приборов, примесью, создающей электронный тип проводимости, включающем легирование фосфором в процессе выращивания монокристалла с концентрацией доноров увеличивающейся от верхнего к нижнему торцу слитка, при выращивании монокристалла проводят частичное легирование кремния фосфором, а долегирование до заданного уровня УЭС осуществляют термодонорами путем отжига кремния при 350 500^oС, совмещая или сочетая его с температурными обработками, содержащими эти температуры в цикле изготовления прибора, причем содержание и распределение доноров, обусловленных легированием фосфором (Np), а также содержание и распределение термодоноров (N_тр выбирают таким образом, чтобы суммарная концентрация доноров (N_DΣ) в каждой точке монокристалла кремния в готовых полупроводниковых приборах соответствовала заданному уровню УЭС.

Заданную концентрацию и распределение термодоноров по длине кристалла обеспечивают получением соответствующей концентрации кислорода (Nо) и профиля распределения кислорода при выращивании кислорода, а также выбором продолжительности отжига (t) при 350 500^oС кремниевых пластин при изготовлении полупроводникового прибора, поскольку, как известно из "модели Кайзера", генерируемые в кремнии термодоноры связаны с величинами No и t следующей зависимостью
N_тр≃ K•N4o

В свою очередь, необходимый профиль распределения кислорода, уменьшающийся от верхнего к нижнему торцу кристалла, реализуют применением соответствующих величин и направлений вращения кристалла (ω_кр) и тигля (ω_т).

Заданная концентрация доноров, обусловленная легированием фосфором, обеспечивается применением необходимых количеств фосфорсодержащей лигатуры в расплаве кремния, а распределение Nр по длине кристалла (увеличение концентрации от верхнего к нижнему торцу) коэффициентом распределения фосфора в кремнии (≈ 0,35) и применением программ по изменению скорости выращивания.

Пример 1. Для использования в производстве мощного транзистора с пробивным напряжением 1500 В (заданный номинал КЭС 90 Ом.см) был выращен бездислокационный монокристалл кремния ориентации III, диаметром 80 мм и длиной 700 мм на установке "Редмет-30" в протоке аргона. Для легирования фосфором в расплав поликристаллического кремния помещалась фосфорсодержащая лигатура в виде кусочков кремния, легированных фосфором до ρ 0,0218 Ом.см. Скорость выращивания монокристалла изменялась от 1,0 мм/мин до 0,5 мм/мин.

Частота вращения кристалла оставалась постоянной и равной 20 об/мин, а частота противовращения тигля уменьшалась от 4 ± 1 об/мин до 1 ± 0,5 об/мин. Расход газа составлял 1200 л/ч при остаточном давлении ≈ 10 мм рт.ст.

Удельное электрическое сопротивление выращенного в таких условиях монокристалла, r_исх. уменьшалось от 250 Ом.см в верхней до 105 Ом.см в нижней части, что соответствовало увеличению концентрации доноров, обусловленной легированием фосфором, Np, от 1,5•10¹³ cм^-3 до 3,3•10¹³ см^-1 (фиг. 1 и 2).

Концентрация кислорода в монокристалле, измеренная по ИК-поглощению на длине волны 9,1 мкм с К 2,45•10¹⁷ c^-2, уменьшалась от верхнего к нижнему торцу от 7,6•10¹⁷ см^-3 до 5,5•10¹⁷ см^-3 (фиг. 1).

Далее пластины кремния, изготовленные из этого монокристалла, были использованы в производстве мощного транзистора с И_{КБпроб.} ≥ 1500 В. Суммарная продолжительность пребывания пластин в области температур 350 500^oС в процессе создания транзистора составляла 30 мин (вжигание АI, вжигание никеля, напайка).

Концентрация генерированных за это время термодоноров в пластинах кремния при указанном выше уровне содержания кислорода уменьшалась от верхнего к нижнему сечению монокристалла от 3 • С¹³ cм^-3 до 0,9•10¹³ см^-3 (фиг. 2). Таким образом, суммарная концентрация донорной примеси, обусловленная легированием фосфором и термодонорами, на всей длине кристалла находилась в пределах (4,5 - 4,2)•10¹³ см^-3 (фиг. 2), что соответствовало величинам УЭС в готовых транзисторных структурах 85 93 Ом • см (фиг. 1). Относительное отклонение УЭС от номинала, радиальный и осевой разброс удельного сопротивления по всей длине монокристалла не превышал 10%
Измеренные далее пробивные напряжения, И_{КБпроб.}, изготовленных из этого монокристалла транзисторных структур находились в достаточно узком диапазоне величин 1900 ^oC 2100 В. Прочие параметры транзисторов не отличались от серийно выпускаемой продукции.

Пример по прототипу. На установке "Редмет-30" (из примера 1) был выращен монокристалл кремния диаметром 80 мм и длиной 600 мм в соответствии с прототипом. В этом случае легирование кремния донорной примесью на номинал УЭС 90 Ом. см проводилось только фосфором с помощью фосфорсодержащей лигатуры, помещенной в расплав поликристаллического кремния. Частоты вращения кристалла и тигля оставались постоянными в течение всего процесса выращивания и составляли соответственно 15 и 5 об/мин. Скорость выращивания монокристалла изменялась от 1,5 мм/мин до 0,5 мм/мин по типовой программе. Прочие условия выращивания были аналогичны описанному выше примеру. Данные по анализу электрофизических параметров этого кристалла приведены на фиг. 3.

Величины УЭС выращенного по прототипу кристалла уменьшались от 130 Ом.см на верхнем до 30 Ом.см на нижнем торце. В пределы марки КЭФ 90 (70 ^oC 115 Ом.см) при раскрое кристалла по УЭС вошли только ≈ 270 мм, т.е. менее половины общей длины кристалла, что существенно снизило выход годной продукции по сравнению с предлагаемым решением.

Концентрация кислорода в переданной на изготовление транзисторов части кристалла изменялась в пределах (6 8) • 10¹⁷ см^-3 (фиг. 3).

В процессе изготовления мощного транзистора величины УЭС в пластинах кремния вследствие генерации термодоноров в интервале температур 350 ^oC 500^oС снизились до значений 37 ^oC 48 Ом см (фиг. 3). Это обстоятельство не позволило получить желаемые величины пробивных напряжений транзисторов, И_{кбпроб.} Интервал значений И_{кбпроб.}, составил 1000 1200 В, что существенно ниже требуемых для этого класса приборов.

Пример 2. Для использования в производстве силового диода (заданный номинал УЭС в готовой диодной структуре 50 Ом см) был выражен бездислокационный монокристалл кремния ориентации диаметром 80 мм и длиной 500 мм на установке "Редмет-30". Условия выращивания и приемы легирования были аналогичны описанным в примере 1 за исключением уровня первоначального легирования фосфором, который составил 2,5 • 10¹³ см^-3 в верхней части кристалла и 6,0 • 10¹³ cм^-3 в нижней части (фиг. 5), что соответствовало исходным величинам УЭС 150 • 65 Ом см (фиг. 4). Концентрация кислорода в кристалле уменьшалась от 6,7•10¹⁷ см^-3 до 5,2 • 10¹⁷ см^-3 (фиг. 4).

Пластины кремния, изготовленные из выращенного монокристалла, в процессе создания диода были подвергнуты контролируемой термообработке при Т 350 - 500^oC в течение 40 мин на стадии сплавления и напыления. Концентрация термодоноров, генерированных в кремнии в этих условиях, составила 5,3 • 10¹³ см^-3 в верхней части и 1,9 • 10¹³ см^-3 в нижней части монокристалла (фиг. 5). Суммарная концентрация термодоноров, генерированных в процессе создания диода, и доноров, обусловленных легированием фосфором в процессе выращивания кристалла, составила (7,8 7,9) • 10¹³ см^-3 по всей длине монокристалла, что обусловило чрезвычайно высокую осевую однородность распределения удельного сопротивления 48 50 Ом см (фиг. 4).

Величины пробивных напряжений диодов находились в пределах 1900 2000 В, т.е. в достаточно узком интервале и полностью соответствовали данному классу диодов.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить выход в годную продукцию при выпуске монокристаллического кремния, так как при доводке по УЭС отпадает необходимость вырезки годной по УЭС части кристалла, и вся бездислокационная часть слитка может быть передана на изготовление полупроводниковых приборов. Следовательно, выращиваемый по предлагаемому способу кремний существенно дешевле используемых ранее материалов.

Кроме того, предлагаемое решение позволяет увеличить выход годных и при изготовлении приборов на основе такого кремния. Присущий кремнию, выращиваемому по Чохральскому, недостаток высокое содержание кислорода в данном решении играет положительную роль: оптимизированный уровень и профиль распределения кислорода используются для контролируемого введения дополнительной примеси электронного типа проводимости термодоноров в процессе создания полупроводниковых приборов, что обеспечивает получение заданного номинала и высокой осевой однородности распределения УЭС.

В связи с этим из выращенных по предлагаемому способу монокристаллов кремния могут быть изготовлены приборы с высокими пробивными напряжениями, находящимися в достаточно узком диапазоне величин.

Кроме того, в предлагаемом способе при выращивании по Чохральскому отсутствуют присущие методу бестигельной зоной плавки ограничения по диаметру выращиваемого кристалла, а также свойственные методу радиационного легирования экологических трудности (опасности радиационного поражения).

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов кремния методом Чохральского с последующим их применением при изготовлении полупроводниковых приборов, в частности мощных и силовых транзисторов, силовых диодов, тиристоров и т. д., и позволяет повысить выход в годную продукцию как при выращивании монокристаллического кремния, так и при изготовлении полупроводниковых приборов на основе такого кремния. Это достигается тем, что при выращивании монокристалла проводят частичное легирование кремния фосфором, а долегирование до заданного уровня удельного электрического сопротивления (УЭС) осуществляют термодонорами путем отжига кремния или 350 - 500^oС, совмещая или сочетая его с температурными обработками, содержащими эти температуры в цикле изготовления прибора, причем содержание и распределение доноров, обусловленных легированием фосфором, а также содержание и распределение термодоноров выбирают таким образом, чтобы суммарная концентрация доноров в каждой точке монокристалла кремния в готовых приборах соответствовала заданному уровню УЭС. 5 ил.

Способ получения однородно легированных монокристаллов кремния, выращиваемых методом Чохральского и используемых для изготовления полупроводниковых приборов путем легирования примесью, создающей электронный тип проводимости, включающий легирование фосфором в процессе выращивания монокристалла с концентрацией доноров, увеличивающейся от верхнего к нижнему торцу слитка, и последующую термообработку при 350 500^oС с образованием термодоноров, отличающийся тем, что на стадии выращивания монокристалла проводят контролируемое легирование кремния кислородом с концентрацией, уменьшающейся от верхнего к нижнему торцу слитка, легирование фосфором осуществляют частичное, а долегирование до заданного уровня удельного электрического сопротивления осуществляют термодонорами, совмещая или сочетая указанную термообработку с конечными температурными обработками на стадии изготовления полупроводниковых приборов.