СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРЕМНИЯ ФОСФОРОМ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ P-N ПЕРЕХОДОВ Российский патент 2017 года по МПК H01L21/22 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых приборов, и может быть использовано для активизации процессов диффузии фосфора в легированный бором кремний при формировании p-n-переходов.

Из уровня техники известны несколько способов легирования кремниевых пластин: путем высокотемпературной диффузии, с помощью ионной имплантации, с помощью лазерного облучения; известны также способы стимулированной диффузии (применение переменного или импульсного магнитных полей, а также методы радиационно-стимулированной диффузии).

В одном из них по патенту на изобретение (RU 2111575, Московский государственный институт электроники и математики, МПК Н01L 21/263, опубл. 20.05.1998 г.), предлагаемый способ легирования полупроводниковых пластин включает двухстадийный процесс диффузии примеси в полупроводниковые пластины, причем процесс осаждения проводится в электротермических печах сопротивления в потоке газа-носителя из твердого, жидкого или газообразного источника примеси (загонка), а процесс перераспределения (разгонка) примеси по глубине полупроводника ведут на воздухе при температурах 290-350 K в потоке высокоэнергетического электронного пучка с энергией электронов 9,5-12 МэВ и интегральной дозой облучения, равной 6⋅10¹⁷-5⋅10¹⁸ эл/см², при плотности тока в пучке 2-15 мкА/см².

Недостатком данного способа является низкая технологическая воспроизводимость из-за использования дорогостоящего оборудования.

Также из уровня техники известен способ легирования кремния фосфором по патенту на изобретение (RU 2262773, ТЕКНЕГЛАС, ИНК, US, МПК H01L 21/22, опубл. 20.10.2005 г.), в котором предлагается легировать кремниевую пластину, разместив ее в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, и последующее окисление легированной кремниевой пластины влажным кислородом или пирогенным паром при второй температуре, более низкой, чем первая температура. Кремниевую пластину удерживают в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Температуры выбирают так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P₂O₅ при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P₂O₅ из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

Недостатком данного способа является слишком долгое время обработки кремниевой пластины.

Из уровня техники также известен способ легирования кремниевых пластин по патенту на изобретение (RU 2094901, Киевский научно-исследовательский институт микроприборов, МПК H01L 21/22, опубл. 27.10.1997 г.), в котором способ диффузии примеси из твердого источника при изготовлении полупроводниковых приборов включает размещение в кварцевой кассете кремниевых пластин и твердого источника примеси, загрузку кассеты в рабочую зону кварцевого реактора с первоначальным уровнем температуры, нагрев кремниевых пластин и твердого источника фосфора в рабочей зоне и проведение диффузии в замкнутом объеме, охлаждение кварцевой кассеты до первоначального уровня температуры и выгрузку кассеты из кварцевого реактора. После размещения в кассете кремниевых пластин и твердого источника примеси ее располагают на кварцевом носителе, на котором устанавливают за кассетой кварцевый вкладыш, и одновременно загружают кассету и кварцевый вкладыш путем ввода кварцевого носителя в рабочую зону кварцевого реактора в потоке инертного газа с расходом не более 250 л/ч, при проведении нагрева, диффузии и охлаждении выполняют продольно-возвратное перемещение кварцевого носителя.

Недостатком данного способа является сложность конструкции для реализации процесса легирования и длительная продолжительность процесса легирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ, описанный в статье (А.А. Скворцова, А.В. Каризина. Магнитопластичность и диффузия в монокристаллах кремния. ЖЭТФ, 2012, том 141, вып. 1, с. 96-100), при котором пластины монокристаллического кремния (предварительно легированные бором с концентрацией 10¹⁶ см^-3) диаметром 76 мм и толщиной 450 мкм выдерживают в постоянном магнитном поле с индукцией 1 Тл в течение 30 минут, причем линии индукции направлены перпендикулярно поверхностям пластин, после чего кремниевые пластины подвергают диффузионному отжигу, сначала в атмосфере кислорода (температура печи при этом линейно возрастает с 900°C до 1150°C), затем при постоянной температуре 1150°C сначала в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а затем снова в атмосфере кислорода (продолжительность изотермического отжига составляет 50-230 минут). Использование данного изобретения позволяет увеличить глубину диффузии фосфора в кремний p-типа до 20% по сравнению с образцами, не подвергшимися предварительной выдержке в постоянном магнитном поле, при одинаковой продолжительности диффузионного отжига.

Недостатком данного способа является то, что при необходимости создания p-n перехода на глубине свыше 9 мкм, выдержка в магнитном поле не дает выигрыш во времени на диффузионный отжиг.

Задачей предложенного изобретения является разработка способа легирования кремниевых пластин фосфором, при котором требуется меньшее время на диффузионный отжиг при достижении большей глубины диффузии, по сравнению со стандартным методом диффузионного легирования, ускорение процесса легирования кремниевых пластин, уменьшение энергозатрат, увеличение глубины залегания p-n перехода.

Сущность способа по предложенному изобретению состоит в следующем: кремниевые пластины, легированные бором, выдерживают в постоянном магнитном поле при перпендикулярном направлении линий индукции магнитного поля на их поверхность, промывают путем кипячения в аммиачно-перекисном растворе, затем в ванне с деионизованной водой и сушат в центрифуге, загружают кремниевые пластины в диффузионную печь предварительно разогретую до температуры T₁, после этого проводят диффузионный отжиг в атмосфере кислорода (O₂) в течение периода t₁ при температуре диффузионной печи T₂, затем осуществляют изотермический отжиг в течение периода t₂ сначала в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а потом в атмосфере кислорода (O₂), после этого снижают температуру диффузионной печи до T₁, отличие согласно изобретения состоит в том, что в промежутке после выдержки в постоянном магнитном поле и перед промывкой в аммиачно-перекисном растворе и в ванне с деионизованной водой для улучшения химической очистки кремниевые пластины, легированные бором, дополнительно обрабатывают в растворе плавиковой кислоты (HF), затем кремниевые пластины, просушенные в центрифуге, помещают в кварцевую камеру автоматической диффузионной печи предварительно разогретую до температуры Т₁=950°C, после этого в течение тридцати минут (t₁=30 мин) осуществляют диффузионный отжиг в атмосфере кислорода (O₂) при линейно возрастающей температуре диффузионной печи до T₂=1200°C, затем проводят изотермический отжиг в два этапа в течение тридцати-пятидесяти минут (t₂=30-50 мин), половину этого времени в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а вторую - в атмосфере кислорода (O₂), после изотермического отжига в течение тридцати минут снижают температуру диффузионной печи до T₁, причем легирование кремниевых пластин в диффузионной печи осуществляют при расходе: кислорода (O₂), подаваемого в кварцевую камеру не более 45 л/ч, азота не более 650 л/ч, при этом глубина залегания p-n перехода увеличивается до 15-19,3 мкм.

Кроме того, отличия еще состоят в том, что толщина кремниевых пластин диаметром 76 мм (с концентрацией не менее 10¹⁶ см^-3) составляет не более 400 мкм; выдержку кремниевых пластин в постоянном магнитном поле осуществляют с индукцией не менее 1,1 Тл в течение не более 20 минут; межоперационное время между выдержкой кремниевых пластин в постоянном магнитном поле и обработкой в растворе плавиковой кислоты (HF) составляет шестьдесят минут (60 мин); двуокись фосфора P₂O₅ при легировании кремниевых пластин в диффузионной печи попадает в атмосферу из твердого диффузанта; кремниевые пластины, легированные бором, после извлечения из кварцевой камеры диффузионной печи охлаждают до комнатной температуры.

Технический результат предложенного способа легирования кремниевых пластин заключается в том, что во время выдержки их в постоянном магнитном поле в течение 20 минут и индукции (B=1,1 Тл) происходит активизация магниточувствительных комплексов, что приводит к ускоренному движению фронта диффузии. В результате, на получение требуемой глубины p-n перехода требуется меньшее время.

Кроме того, при дополнительной химической очистке в растворе плавиковой кислоты (HF) улучшается процесс диффузионного отжига в атмосфере кислорода (O₂), что также сокращает время легирования.

Кроме того, данный способ основывается на стандартном технологическом процессе легирования полупроводниковых структур и не требует использования сложного и дорогостоящего оборудования.

Также результатом применения данного способа является сокращение времени:

- выдержки кремниевых пластин в магнитном поле;

- времени загрузки кремниевых пластин в печь;

- времени, при котором происходит линейное увеличение температуры диффузионной печи;

- диффузионного отжига в атмосфере кислорода (O₂);

- изотермического отжига в два этапа в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂) и в атмосфере кислорода (O₂);

- снижения температуры диффузионной печи до T₁.

Изобретение по предложенному способу иллюстрируется чертежом, на котором представлен график зависимости глубины залегания p-n перехода от времени изотермического отжига (при котором пластины находятся сначала в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), затем в атмосфере кислорода (O₂),

где: A - без выдержки пластин в магнитном поле;

B - обработка пластин по предложенному способу;

C - обработка пластин по прототипу.

Процесс легирования по предложенному способу осуществляется следующим образом: перед проведением процесса диффузии фосфора в легированные бором (с концентрацией не менее 10¹⁶ см^-3) кремниевые пластины диаметром 76 мм и толщиной не более 400 мкм производят предварительную выдержку таких пластин в постоянном магнитном поле с индукцией не менее 1,1 Тл в течение 20 минут. Линии индукции магнитного поля в процессе выдержки должны быть перпендикулярны поверхности кремниевой пластины.

После этого (межоперационное время 1 час), для лучшей химической очистки, пластины обрабатывают в растворе плавиковой кислоты (HF), а затем промывают их путем кипячения в аммиачно-перекисном растворе, затем в ванне с деионизованной водой, после чего просушивают в центрифуге и помещают в кварцевую лодочку для загрузки в кварцевую камеру автоматической диффузионной печи, предварительно разогретую до температуры T₁=950°C.

Для уменьшения межоперационного времени, автоматическая загрузка кремниевых пластин в печь производится в течение 20 минут. Последующий диффузионный отжиг пластин осуществляется по схеме: в течение t₁=30 минут в атмосфере кислорода (O₂), температура печи линейно возрастает до T₂=1200°C, после чего осуществляется изотермический отжиг пластин, то есть через трубу пропускается поток газа носителя - азот (N₂), к которому добавляется примесь источника диффузанта (P₂O₅). При этом в газовую смесь добавляется кислород.

Технологический процесс проводят в течение периода t₂=30-50 минут, при следующем расходе газов: кислород - 45 л/ч, азот - 650 л/ч, двуокись фосфора P₂O₅ попадает в атмосферу из твердого диффузанта, при этом первую половину этого времени пластины находятся в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а вторую - в атмосфере кислорода (O₂), после этого температуру в течение t₁=30 минут снижают до температуры T₁.

После извлечения кремниевых пластин из кварцевой камеры диффузионной печи, их охлаждают до комнатной температуры.

На графике представлена зависимость глубины залегания p-n перехода от продолжительности диффузии для различных режимов предварительной обработки кремниевых пластин.

Влияние способа обработки кремниевых пластин можно показать на следующих примерах:

Пример без магнитного поля

Эксперименты показали, что без обработки кремниевых пластин в магнитном поле при продолжительности диффузии 23 минуты, глубина залегания p-n перехода составит 4,2 мкм; при 51 минуте - 5,4 мкм; при 108 минутах - 7,9 мкм; при 227 минутах - 11,2 мкм.

Пример по прототипу

Эксперименты показали, что при обработке кремниевых пластин в магнитном поле по способу-прототипу, при продолжительности диффузии 27 минут, глубина залегания p-n перехода составит 5,6 мкм; при 53 минутах - 6,5 мкм; при 116 минутах - 8,2 мкм; при 230 минутах - 11,1 мкм.

Пример по предложенному способу

Эксперименты показали, что при обработке кремниевых пластин в магнитном поле по предлагаемому способу, при продолжительности диффузии 15 минут, глубина залегания p-n перехода составит 9,3 мкм; при 23 минутах - 11 мкм; при 57 минутах - 13,8 мкм; при 84 минутах - 15,6 мкм; при 118 минутах - 19,3 мкм.

Примеры отображены в сводной таблице различных режимов обработки кремниевых пластин.

В результате использования предложенного способа легирования можно существенно (~ в 9 раз) сократить время диффузионного отжига, а также значительно увеличить глубину залегания p-n перехода до 15-19,3 мкм, таким образом, заявляемый способ диффузии примесей может эффективно применяться в технологии полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых приборов, и может быть использовано для активизации процессов диффузии фосфора в легированный бором кремний при формировании p-n-переходов. Способ легирования полупроводникового кремния фосфором осуществляют следующим образом. Сначала выдерживают в постоянном магнитном поле. Для улучшения химической очистки кремниевые пластины дополнительно обрабатывают в растворе плавиковой кислоты (HF), затем промывают путем кипячения в аммиачно-перекисном растворе, затем в ванне с деионизованной водой и сушат в центрифуге, загружают кремниевые пластины в диффузионную печь предварительно разогретую до температуры T₁=950°C. После этого в течение тридцати минут (t₁=30 min) осуществляют диффузионный отжиг в атмосфере кислорода (O₂) при линейно возрастающей температуре диффузионной печи до T₂=1200°C. Проводят изотермический отжиг в два этапа в течение тридцати-пятидесяти минут (t₂=30-50 min), половину этого времени в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а вторую - в атмосфере кислорода (O₂). После изотермического отжига в течение тридцати минут снижают температуру диффузионной печи до температуры T₁. Легирование кремниевых пластин в диффузионной печи осуществляют при расходе: кислорода (O₂), подаваемого в кварцевую камеру не более 45 л/ч, азота не более 650 л/ч. При этом глубина залегания p-n перехода увеличивается до 15-19,3 мкм. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ легирования полупроводникового кремния фосфором при формировании p-n переходов, включающий кремниевые пластины, легированные бором, выдерживают в постоянном магнитном поле при перпендикулярном направлении линий индукции магнитного поля на их поверхность, промывают путем кипячения в аммиачно-перекисном растворе, затем в ванне с деионизованной водой и сушат в центрифуге, загружают кремниевые пластины в диффузионную печь, предварительно разогретую до температуры Т₁, после этого проводят диффузионный отжиг в атмосфере кислорода (О₂) в течение периода t₁ при температуре диффузионной печи Т₂, затем осуществляют изотермический отжиг в течение периода t₂ сначала в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а потом в атмосфере кислорода (О₂), после этого снижают температуру диффузионной печи до Т₁, отличающийся тем, что в промежутке после выдержки в постоянном магнитном поле и перед промывкой в аммиачно-перекисном растворе и в ванне с деионизованной водой для улучшения химической очистки кремниевые пластины, легированные бором, дополнительно обрабатывают в растворе плавиковой кислоты (HF), кремниевые пластины, просушенные в центрифуге, помещают в кварцевую камеру автоматической диффузионной печи, предварительно разогретую до температуры T₁=950°C, после этого в течение тридцати минут (t₁=30 мин) осуществляют диффузионный отжиг в атмосфере кислорода (O₂) при линейно возрастающей температуре диффузионной печи до Т₂=1200°С, затем проводят изотермический отжиг в два этапа в течение тридцати-пятидесяти минут (t₂=30-50 мин), половину этого времени в атмосфере двуокиси фосфора и азота (P₂O₅+N₂), а вторую - в атмосфере кислорода (О₂), после изотермического отжига в течение тридцати минут снижают температуру диффузионной печи до температуры Т₁, причем легирование кремниевых пластин в диффузионной печи осуществляют при расходе: кислорода (О₂), подаваемого в кварцевую камеру не более 45 л/ч, азота не более 650 л/ч, при этом глубина залегания p-n перехода увеличивается до 15-19,3 мкм.

2. Способ легирования по п. 1, отличающийся тем, что толщина кремниевых пластин диаметром 76 мм (с концентрацией не менее 10¹⁶ см^-3) составляет не более 400 мкм.

3. Способ легирования по п. 1, отличающийся тем, что выдержку кремниевых пластин в постоянном магнитном поле осуществляют с индукцией не менее 1,1 Тл в течение не более 20 минут.

4. Способ легирования по п. 1, отличающийся тем, что межоперационное время между выдержкой кремниевых пластин в постоянном магнитном поле и обработкой в растворе плавиковой кислоты (HF) составляет шестьдесят минут (60 мин).

5. Способ легирования по п. 1, отличающийся тем, что двуокись фосфора (Р₂О₅) при легировании кремниевых пластин в диффузионной печи попадает в атмосферу из твердого диффузанта.

6. Способ легирования по п. 1, отличающийся тем, что кремниевые пластины после извлечения из кварцевой камеры диффузионной печи охлаждают до комнатной температуры.