СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР Российский патент 2001 года по МПК H01L21/324 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых структур, точнее к изготовлению кремниевых структур, содержащих p-слой кремния над и под границей раздела, и может быть использовано для создания приборов сильноточной электроники и микроэлектроники.

Известен способ изготовления кремниевых структур [1], заключающийся в гидрофилизации пластин кремния, обработке их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении попарно в деионизованной воде, сушке при 100-130 град в течение не менее 4-х часов при одновременном приложении давления величиной не менее 3·10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с температуры 200 град до температуры не менее 1000 град, и выдержке при указанной температуре в течение 4-6 часов. Недостатком этого способа является наличие несращенных областей ("пузырей") и прорастание дислокаций в глубину пластин, что приводит к ухудшению электрофизических параметров изготовленных структур из-за высокого барьерного сопротивления границы раздела.

Известен способ изготовления кремниевых структур, взятый за прототип [2] , заключающийся в том, что перед гидрофилизацией пластин на полированной поверхности одной из них выполняют канавки глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами от 20 до 100 мкм. Остальные операции такие же, как в аналоге. При таком изготовлении кремниевых структур границы канавок служат "стоками" для дислокаций, т.е. дислокации группируются по границам канавок, что приводит к улучшению качества структур, а значит и приборов на их основе. Однако этот способ не лишен недостатков - невозможно полностью избавиться от "пузырей" на границе раздела пластин, создание p-слоя по всей площади пластин путем диффузии элементов третьей и пятой групп ухудшает качество поверхности и приводит к неоднородному сращиванию пластин, что существенно сказывается на параметрах приборов. Способ относится к различным структурам и, в частности, к содержащим p-слой над и под границей раздела пластин.

Задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности улучшения электрофизических характеристик изготовляемых кремниевых структур, содержащих p-слой, за счет равномерного сращивания пластин по всей площади без дефектов.

Эта задача решается тем, что в известном способе изготовления кремниевых структур с p-слоем, включающим границу раздела сращиваемых структур, заключающемся в полировке поверхности кремниевых пластин, создании на этой поверхности канавок глубиной не менее 0.3 мкм и расстоянием между границами от 20 до 1000 мкм, гидрофилизации пластин, обработке их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин полированными сторонами в водном растворе, сушке на воздухе при температуре от 100 до 130 град в течение не менее четырех часов при одновременном приложении давления величиной не менее 3·10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град/мин, начиная с 200 град до температуры не менее 1000 град, и выдержке при указанной температуре, согласно формуле изобретения упомянутое соединение пластин производят в водных растворах диффузантов элементов третьей группы с концентрацией от 1.0 до 3.0%.

Сущность способа состоит в том, что для структур p-n, n-p-n, n-p-n-р, в которых граница раздела находится внутри p-слоя, обеспечивается прямое сращивание с одновременной диффузией акцепторов, что дает возможность получить высококачественные границы раздела и, следовательно, улучшить параметры структур.

Новым в предлагаемом способе является то, что соединение пластин происходит не в воде, а в водном растворе диффузантов третьей группы, например Al(NO₃)₃, который при растворении в воде диссоциирует.

Al(NO₃)₃_→_←Al³+3NO-3

;
Al³⁺H₂O_→ _←[Al(OH)]²⁺+H⁺;
Al(OH)²+H₂O_→ _{←_}Al(OH)+2+H⁺.
Ионы соли, в данном случае алюминия, взаимодействуют с силановыми группами Si-OH, образующимися на поверхности пластин в результате гидрофилизации. При термообработке происходит полимеризация силановых связей и диффузия атомов Al вглубь пластин от границы раздела. В результате поверхности пластин становятся более активными к взаимодействию друг с другом. Структуры, полученные таким методом, равномерно сращиваются без "пузырей" по всей площади, не имеют дислокаций, имеют хороший p-n переход, что приводит к улучшению электрофизических параметров изготовленных структур.

Способ осуществляют следующим образом.

На поверхности одной из пластин изготавливают канавки методом фотолитографии и последующего химического травления в смеси плавиковой и азотной кислот. Затем пластины подвергают стандартной очистке путем последовательного кипячения в толуоле, в ацетоне, в растворе H₂SO₄:H₂O₂, в азотной кислоте, выдержке в водном растворе плавиковой кислоты, кипячению в растворе H₂O + H₂O₂ + NH₄OH. После каждого шага пластины промывают в проточной деионизованной воде. Последний шаг в этой технологии - погружение пластин в водный раствор диффузанта третьей группы, например в Al(NO₃)₃ 9H₂O, соединение в нем и извлечение из раствора. Соединенные пары пластин высушивают на центрифуге и помещают в термостат на 4-5 часов при температуре 100-130 град под грузом, обеспечивающим равномерное давление не менее 3.0·10^-3 Па. Далее пластины нагревают со скоростью не более 10 град/мин, начиная с температуры 200 град до температуры не менее 1000 град, и выдерживают при этой температуре (лучше не менее 1 часа).

Пример. Для проверки распределения концентраций примеси третьей группы в зависимости от содержания ее в водном растворе была использована соль алюминия Al(NO₃)₃ и изготовлены следующие структуры. Две пластины n-типа с удельным сопротивлением 80 Ом·см, толщиной 300 мкм, диаметром 40 мм, полированные с двух сторон, на одной из которых предварительно создавались канавки шириной 50 мкм, расстоянием между границами канавок 200 мкм, глубиной 0.3 мкм, подвергались очистке по вышеописанной технологии и соединялись в водном растворе Al(NO₃)₃:
1-я пара - в 0.05% растворе;
2-я пара - в 0.10% растворе;
3-я пара - в 0.50% растворе;
4-я пара - в 3.0% растворе;
5-я пара - в 3.5% растворе.

Все пары сушились на центрифуге и помещались в термостат при температуре 100-130 град на 5 часов при одновременном приложении давления 3.4·10^-3 Па. После этого проводился отжиг при температуре 1250 град в течение 5 часов. Со стороны одной из пластин сполировывался кремний до толщины этой пластины равной 40 мкм. В результате получили n-p-n структуры с различной концентрацией Al в p-елое и различной толщиной p-слоя. Глубина p-слоя определялась косым шлифом. Профиль распределения концентрации акцепторной примеси измерялся 4-зондовым методом и путем послойной сошлифовки кремния.

В таблице приведены результаты измерений глубины p-слоя от границы раздела в одну из пластин (1/2 глубины p-слоя) и концентрации примеси Al на границе раздела.

Структурное совершенство пластин исследовалось комплексом проекционных методов рентгеновской дифракционной топографии.

Для наблюдения дефектов в объеме кристаллов применялись в основном схемы с расходимостью падающего пучка не менее 3 угл.мин (метод Ланга и метод Берга-Баррета-Пьюкирка). Молибденовое излучение использовалось и трансэмиссионной геометрии и медное - в геометрии отражения. Глубина проникновения рентгеновских лучей в последнем случае не превышала 40 мкм. Перед получением топографии структуры ориентировались с точностью до 1 град. Взаимная ориентация пластин характеризовалась двумя параметрами - углом поворота пластин и углом между (III) плоскостями. Вследствие разориентации рентгеновские дифракционные рефлексы пластин как правило разделялись, и топограммы демонстрировали структурное качество каждой пластины. С помощью предлагаемого способа была изготовлена n⁺-p-p-n-p⁺ структура с канавками па границе раздела шириной 50 мкм и расстоянием между границами канавок 200 мкм. Необходимую концентрацию акцепторов, т.е. Al, в n-области рассчитывали в зависимости от времени термообработки и концентрации Al(NO₃)₃ в водном растворе, в котором соединяли пластины. В упомянутой выше структуре концентрация Al составляла на границе раздела величину примерно 10¹⁶. Пластины соединяли в 0.1% растворе и выдерживали при температуре 1250 град 5 часов. Глубина алюминиевого слоя при этом получалась равной 32-35 мкм под границей раздела. Были измерены электрофизические параметры изготовленной структуры. Падение напряжения в открытом состоянии при прямом токе в 100 А и площади структуры 4 см² было 1.5 В (по прототипу - 2 В) и напряжение переключения - больше 2 кВ, т. е. улучшено качество изготавливаемых структур из-за отсутствия несращенных областей ("пузырей") и получения ровного диффузионного фронта алюминия.

Изобретение дает возможность получения высоковольтных p-n переходов в различных структурах, в частности в диодах, транзисторах, тиристорах. Требуемые электрофизические характеристики структур обеспечиваются различной концентрацией диффузантов элементов третьей группы в p-слое. Предлагаемый способ упрощает технологию изготовления кремниевых структур, т.к. не требует предварительного создания p-слоя - трудоемкой и дорогостоящей операции. В данном способе p-слой образуется непосредственно в процессе сращивания пластин.

Литература
1. Волле В.М. и др. К вопросу о проведении прямого сращивания кремния в условиях необеспыленной воздушной среды. Письма в ЖТФ, т. 16, вып. 17, с. 61-65.

2. Патент РФ N 2086039. Способ изготовления кремниевых структур. Бюллетень изобретений N 21, 1997.

Использование: технология изготовления полупроводниковых структур, изготовление кремниевых структур, содержащих р-слой кремния над и под границей раздела, при создании приборов сильноточной электроники и микроэлектроники. Сущность изобретения: способ изготовления кремниевых структур включает полировку поверхности пластин, создание на этой поверхности канавок глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами 20 - 1000 мкм, гидрофилизацию пластин, обработку их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединение пластин полированными сторонами в водном растворе диффузантов элементов третьей группы с концентрацией 0,1 - 3,0%, сушку на воздухе при 100 - 130 град в течение не менее 4 ч при одновременном приложении давления не менее 3·10^-3 Па, нагрев со скоростью не более 10 град/мин, начиная с 200 град до температуры не менее 1000 град, и выдержку при указанной температуре. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности улучшения электрофизических характеристик изготавливаемых кремниевых структур, содержащих р-слой, за счет равномерного сращивания пластин по всей площади без дефектов. 1 табл.

Способ изготовления кремниевых структур с р-слоем, включающим границу раздела сращиваемых структур, заключающийся в полировке поверхности пластин, создании на этой поверхности канавок глубиной не менее 0,3 мкм и расстоянием между границами канавок 20 - 1000 мкм, гидрофилизации пластин, обработке их в растворе плавиковой кислоты в деионизованной воде, соединении пластин полированными сторонами в водном растворе, сушке соединенных пластин на воздухе при 100 - 130 град. в течение не менее 4 ч при одновременном приложении давления не менее 3 х 10^-3 Па, нагреве пластин со скоростью не более 10 град./мин, начиная с 200 град. до температуры не менее 1000 град., и выдержке при указанной температуре, отличающийся тем, что соединение пластин производят в водных растворах диффузантов элементов третьей группы с концентрацией 0,1 - 3,0%.