Способ получения кремниевой структуры Российский патент 2023 года по МПК C30B29/06 C23C14/06 

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии и может быть использовано для получения кремниевой структуры со сквозными легированными эпитаксиальными каналами и замкнутых ячеек в кремниевых пластинах, например, для силовых полупроводниковых приборов.

Известен способ термомиграции дискретных жидких зон на основе алюминия под действием градиента температуры [Лозовский В.Н., Попов В.П., Лунин Л.С, Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов, 1987, стр. 212-224], обеспечивающий возможность получения сквозных легированных p-каналов в кремниевой пластине n-типа проводимости. Для этого кремниевую пластину с нанесенными на нее дискретными алюминиевыми зонами размещают в вакуумной камере и нагревают до температуры 1200-1570 К при градиенте температура 50-120 К/см. Способ включает три основные стадии - погружение жидких зон в кремниевую пластину, миграцию зон в кремнии и их выход на противоположную (финишную) поверхность. На стадии выхода зон происходит растекание вещества зоны по финишной поверхности, локальное оплавление участков кремния в местах выхода зон, испарение алюминия, химическое взаимодействие жидкой зоны с остаточным кислородом вакуумной камеры. В результате указанных процессов финишная поверхность кремниевой пластины при затвердевании жидкой зоны теряет плоскостность, покрывается кавернами и буграми, размер которых может достигать 15 мкм. Такая кремниевая пластина не пригодна для дальнейших технологических операций. Требуется сложная механическая обработка кремниевой пластины. Кроме того, в кремниевой пластине под действием затвердевшего вещества зоны возникают механические напряжения. Это ухудшает кристаллическое совершенство сформированных кремниевых структур. Также недостатком аналога является возможность контакта и прилипания жидкой зоны к элементам установки для термомиграции.

Известен способ получения кремниевой структуры [Авторское свидетельство СССР №1578238], принятый за прототип, в котором предложено на финишную поверхность кремниевой пластины наносить пленку вольфрама или молибдена толщиной , где - толщина зоны на основе алюминия. При выходе из кремниевой пластины зона активно взаимодействует с вольфрамом или молибденом и образует пористый хрупкий материал. Этот материал не создает механических напряжений в кремниевых структурах и повышает их кристаллическое совершенство. Но к недостаткам прототипа следует отнести высокую сложность и длительность получения слоев вольфрама или молибдена. Кроме того, плоскостность финишной поверхности оказывается нарушенной потому, что алюминий при контакте со слоем молибдена или вольфрама вступает в бурную химическую реакцию (Al_nMe_m) с неравномерным по поверхности кремниевой пластины образованием хрупкого пористого материала, который трудно удаляется химическим травлением или механической обработкой, из-за чего невозможно обеспечить плоскостность поверхности кремниевой пластины, необходимой для проведения дальнейших технологических операций.

Задачей изобретения является:

- улучшение качества кремниевой структуры и повышение процента выхода годных кремниевых структур за счет повышения плоскостности финишной поверхности кремниевой пластины;

- повышение технологичности процесса извлечения кремниевой пластины из установки для термомиграции за счет улучшения плоскостности финишной поверхности кремниевой структуры и надежной ее фиксации вакуумным захватным устройством;

- увеличение экономической целесообразности за счет использования стандартной отработанной технологии нанесения (осаждения) пленки нитрида кремния на финишную поверхность кремниевой пластины с помощью установки «Изотрон 4-150»;

- устранение контакта жидкой зоны с элементами установки для термомиграции, за счет защитных свойств пленки нитрида кремния.

Техническим результатом изобретения является сохранение плоскостности финишной поверхности кремниевых пластин, отсутствие контакта жидкой зоны с элементами установки для термомиграции.

Технический результат достигается за счет способа получения кремниевой структуры, включающего нанесение на финишную поверхность кремниевой пластины пленки, формирование алюминиевых зон требуемой толщины и конфигурации на рабочей поверхности перекристаллизуемой кремниевой пластины и термомиграцию зон через кремниевую пластину, при этом на финишную поверхность кремниевой пластины наносят пленку нитрида кремния толщиной в диапазоне 0,2-0,5 мкм.

Сохранение плоскостности финишной поверхности кремниевых структур обеспечивается за счет отсутствия химического взаимодействия жидкой зоны с пленкой нитрида кремния. Поэтому жидкие зоны, достигнув при термомиграции финишной поверхности, распределяются между кремниевой пластиной и пленкой нитрида кремния в виде тонкого слоя одинаковой толщины. Затвердевание этого слоя также дает слой одинаковой толщины, который легко удаляется механической и химической обработками. В результате снимаются механические напряжения в кремниевой структуре, повышается их качество и процент выхода годных.

Упрощение механической постобработки кремниевых пластин достигается за счет отсутствия нарушения плоскостности кремниевой пластины.

Предотвращение контакта жидкой зоны с элементами установки для термомиграции достигается за счет защитных свойств пленки нитрида кремния. Расплав зоны полностью удерживается пленкой нитрида кремния на финишной поверхности кремниевой структуры, т.е. расплав оказывается замурованным между кремниевой пластиной и слоем нитрида кремния. Таким образом, нарушение плоскостности финишной поверхности кремниевой структуры минимизировано.

Увеличение экономической целесообразности достигается за счет использования более дешевой стандартной технологии нанесения пленки нитрида кремния по сравнению с технологией получения пленки тугоплавких металлов.

Технология нанесения пленок нитрида кремния методом пиролитической реакции хорошо отработана и используется в полупроводниковой промышленности на стандартных установках, например, «Изотрон 4-150».

Осуществляется способ следующим образом.

Пример 1. На финишную поверхность кремниевой пластины w-типа проводимости наносят пленку нитрида кремния толщиной 0,275 мкм. Затем на противоположной стороне методом фотолитографии в сочетании с магнетронным осаждением алюминия формируют систему линейных зон заданной топологии. Кремниевую пластину помещают в устройство для термомиграции, процесс термомиграции проводят при температурой 1450 К и градиенте температуры 50 К/см в течение 60 мин, формируя сквозные эпитаксиальные каналы p-типа проводимости. При этом происходит выход жидких зон на финишную поверхность кремниевой пластины между кремниевой пластиной и пленкой нитрида кремния в виде тонкого слоя одинаковой толщины. Защитных свойств пленки нитрида кремния, в этом случае, достаточно для удержания на стадии выхода жидких зон в процессе термомиграции, из-за чего плоскостность финишной поверхности кремниевой структуры успешно сохраняется, из-за чего отсутствует контакт жидкой зоны с элементами установки для термомиграции.

Пример 2. Реализация способа аналогична описанному в примере 1 при следующих отличиях. На финишную поверхность кремниевой пластины n-типа проводимости наносят (осаждают) пленку нитрида кремния толщиной 0,1 мкм. Пленка нитрида кремния в этом случае не может удержать на стадии выхода жидкие зоны и растрескивается, из-за чего образуются бугры на финишной поверхности кремниевой структуры, и нарушается плоскостность этой поверхности, из-за чего происходит контакт жидкой зоны с элементами установки для термомиграции.

Пример 3. Реализация способа аналогична описанному в примере 1 при следующих отличиях. На финишную поверхность кремниевой пластины n-типа проводимости наносят (осаждают) пленку нитрида кремния толщиной 0,5 мкм. На стадии выхода жидких зон в процессе термомиграции на финишной поверхности кремниевой пластины жидкие зоны образуются в виде тонкого слоя одинаковой толщины между кремниевой структурой и пленкой нитрида кремния. Защитных свойств пленки нитрида кремния достаточно для сохранения плоскостности финишной поверхности кремниевой пластины, из-за чего отсутствует контакт жидкой зоны с элементами установки для термомиграции.

Пример 4. Реализация способа аналогична описанному в примере 1 при следующих отличиях. На финишную поверхность кремниевой пластины n-типа проводимости наносят (осаждают) пленку нитрида кремния толщиной 0,7 мкм. На стадии выхода жидких зон в процессе термомиграции на финишной поверхности кремниевой пластины жидкие зоны образуются в виде тонкого слоя одинаковой толщины между кремниевой структурой и пленкой нитрида кремния. Однако, при данной толщине пленки нитрида кремния, при остывании кремниевой структуры происходит ее коробление (стрела прогиба достигает 1 мм при диаметре кремниевой пластины 100 мм и ее толщине 0,55 мм). Такая кремниевая пластина не пригодна для изготовления приборов.

Приведенные примеры доказывают, что при реализации способа достигается технический результат, направленный на достижение поставленной задачи.

Изобретение относится к способу получения кремниевой пластины n-типа проводимости, содержащей структуру в виде сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости. Получают алюминиевые зоны на рабочей поверхности кремниевой пластины и осуществляют термомиграцию расплава упомянутых алюминиевых зон через кремниевую пластину с формированием сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости. Упомянутые алюминиевые зоны получают с помощью магнетронного осаждения и метода фотолитографии. Перед формированием упомянутых алюминиевых зон на поверхность, противоположную рабочей поверхности кремниевой пластины, наносят пленку нитрида кремния толщиной в диапазоне 0,2-0,5 мкм. Обеспечивается сохранение плоскостности поверхности полученных кремниевых пластин. 4 пр.

Способ получения кремниевой пластины n-типа проводимости, содержащей структуру в виде сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости, включающий формирование алюминиевых зон на рабочей поверхности кремниевой пластины и термомиграцию расплава упомянутых алюминиевых зон через кремниевую пластину с формированием сквозных эпитаксиальных каналов р-типа проводимости, отличающийся тем, что упомянутые алюминиевые зоны формируют с помощью магнетронного осаждения и метода фотолитографии, при этом перед формированием упомянутых алюминиевых зон на поверхность, противоположную рабочей поверхности кремниевой пластины, наносят пленку нитрида кремния толщиной в диапазоне 0,2-0,5 мкм.