Способ получения сквозных эпитаксиальных каналов в пластинах кремния Российский патент 2024 года по МПК C30B19/08 C30B29/06 

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии и может быть использовано для получения сквозных эпитаксиальных каналов в пластинах кремния при изготовлении полупроводниковых приборов электронной техники.

Известен способ получения сквозных легированных каналов в пластине кремния двухсторонней диффузией [Степаненко И.Н. Основы микроэлектроники: Учеб. Пособие для вузов - 2001 г, стр. 220.]. Недостатком этого способа является высокая температура (≈ 1473 К), высокая длительность процесса (до 300 часов), невозможность формировать каналы с размером в поперечном сечении меньше толщины кремниевой пластины, а также неравномерность легирования канала как по глубине, так и в латеральном направлении.

Известен способ получения пористой структуры на поверхности монокристаллического германия, описанный в статье Лозовского В.Н. и др., Особенности легирования кремния методом термомиграции (Известия вузов. Материалы электронной техники, 2015, т. 18, no. 3, с.с. 179-188), включающий формирование жидких зон на основе алюминия и их движение в объеме рабочей пластины кремния под действием температурного градиента, при этом к рабочей пластине кремния устанавливают затравочную пластину, а жидкую зону на основе алюминия формируют в виде плоской зоны между рабочей и затравочной пластинами (см. реф.; раздел «Введение»; с. 184, правый столб., абзац 3; Рис. 1). Недостатком указанного способа является то, что диаметр формируемых каналов лежит в ограниченном диапазоне 20 - 200 мкм. Это связано с тем, что зоны диаметром менее 20 мкм движутся не воспроизводимо, а при диаметрах более 200 мкм разрываются на отдельные части. Другим недостатком прототипа является отсутствие возможности управления величиной электропроводности и типом проводимости каналов. Например, электропроводность каналов p-типа, сформированных на основе алюминиевых зон, лежит в узком диапазоне от 0,01 до 0,02 Ом⋅см. Для получения каналов n-типа проводимости необходимо использовать соответствующую лигатуру жидкой зоны.

Однако вследствие высокой летучести легирующих элементов 5 группы таблицы Менделеева технология получения каналов n-типа практически не реализована.

Задачей изобретения является расширение диапазонов электрофизических и геометрических свойств эпитаксиальных каналов.

Техническим результатом изобретения является возможность контролируемого управления электрофизическими свойствами каналов в широком диапазоне значений за счет того, что эти каналы образуются в тех областях кремниевой рабочей платины, которые не были перекристаллизованы жидкой зоной. В связи с этим электрофизические свойства каналов перенимаются (наследуются) от используемой рабочей пластины, выбор которой не ограничен. К указанным свойствам относятся тип проводимости и электропроводность.

Другим техническим результатом изобретения является возможность формирования каналов диаметром 5-20 мкм и более 200 мкм. Первая из указанных возможностей достигается за счет того, что вместо системы дискретных точечных зон, которым присуща траекторная нестабильность при термомиграции, используется сплошная перфорированная зона, для которой указанная нестабильность не возникает. Возможность формирования каналов диаметром более 200 мкм достигается за счет использования затравочной пластины, которая предотвращает разрыв зона на фрагменты на стадии ее погружения рабочую пластину.

На фиг. 1 представлены рабочая и затравочная пластины кремния после стадии формирования между ними плоской перфорированной жидкой зоны.

На фиг. 2 представлены рабочая и затравочная пластины кремния после стадии термомиграции жидкой перфорированной зоны через рабочую пластину.

На фиг. 3 представлена рабочая пластина кремния с образованными в ней эпитаксиальными каналами.

Достигается технический результат тем, что способ получения эпитаксиальных каналов в пластинах кремния включает формирование жидких зон на основе алюминия и их движение в объеме рабочей пластины кремния под действием температурного градиента, к рабочей пластине кремния устанавливают затравочную пластину, причем затравочную пластину выполняют с выступами, высотой которых задают толщину зазора между затравочной и рабочей пластинами, а жидкую зону на основе алюминия формируют в виде перфорированной плоской зоны с разрывами-отверстиями в местах выступов в зазоре между рабочей и затравочной пластинами.

В предлагаемом изобретении плоская перфорированная зона 3 раствора-расплава Si-Al формируется между двумя пластинами кремния, одна из которых рабочая пластина 1 имеет плоскую поверхность, а другая затравочная пластина 2 имеет профилированную поверхность с выступами 4. Указанные выступы на поверхности затравочной пластины кремния могут быть изготовлены методом фотолитографии. В местах расположения выступов 4 толщина жидкой зоны минимальна, что приводит к разрывам сплошной жидкой зоны в этих местах и ее перфорации. Причем форма разрывов в жидкой зоне повторяет форму поперечного сечения используемых выступов. Под действием градиента температуры G перфорированная зона 3 мигрирует через рабочую пластину 1, оставляя неперекристаллизованными области 5, соответствующие заданным выступами. Именно эти области образуют каналы 5, пронизывающие рабочую пластину. Области рабочей пластины 6, перекристаллизованные перфорированной зоной 3, образуют матрицу, легированную алюминием. В описанном способе величина электропроводности и тип проводимости каналов задаются свойствами рабочей пластины кремния и могут, таким образом, варьироваться в широких пределах. Также расширяется возможность управления геометрическими свойствами каналов. Размер каналов в поперечном сечении со стороны малых размеров может быть уменьшен - с 20 до 5 мкм, а со стороны больших размеров практически не ограничен.

Возможность осуществления изобретения показана на следующем примере.

В качестве затравочной и рабочей пластин использовали стандартные пластины кремния марки КЭФ-4,5 диаметром 76 мм, толщиной 0,5 мм с ориентацией (100). На затравочной пластине методом фотолитографии формировали равномерно распределенные выступы квадратной формы 40×40 мкм²и высотой 20 мкм, которые располагались в узлах квадратной сетки со стороной 1000 мкм. Далее рабочую пластину прижимали к затравочной и приводили в контакт с раствором-расплавом кремния в алюминии при температуре 1173 К. В результате капиллярного втягивания происходило заполнение раствором-расплавом пространства между пластинами и формирование плоской зоны с локальными утонениями, приводящими к разрывам (перфорациям), в местах контакта выступов с плоской затравочной пластиной. Композицию «рабочая пластины - жидкая перфорированная зона затравочная пластина» помещали в термическое устройство и проводили термомиграцию перфорированной зоны через рабочую пластину в вакууме, используя типовые температурно-временные режимы: температура рабочей пластины 1373 К, температурный градиент 60 К/см, время процесса 60 минут. В результате в рабочей пластине кремния был сформирован массив сквозных и-каналов в количестве 1400 штук. Электрическое сопротивление каналов n-типа составляло 4-5 Ом см. Концентрация алюминия в перекристаллизованных областях пластины находилась на уровне (1-2)⋅10^-19 см^-3, а удельное сопротивление перекристализованного кремния составляло 0,02 Омсм. Также было измерено напряжение пробоя р-n перехода, образованного на границе каналов n-типа, которое составило 300 В.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов электронной техники. В пластинах кремния формируют жидкие зоны на основе алюминия и обеспечивают их движение в объёме рабочей 1 пластины кремния под действием температурного градиента G. К рабочей 1 пластине кремния устанавливают затравочную 2 пластину, которую выполняют с выступами 4, высотой которых задают толщину зазора между затравочной 2 и рабочей 1 пластинами. Жидкую плоскую зону на основе алюминия формируют в виде плоской перфорированной зоны 3 с разрывами-отверстиями в местах выступов 4 в зазоре между пластинами 1 и 2. Под действием температурного градиента G перфорированная зона 3 мигрирует через рабочую 1 пластину, оставляя неперекристаллизованные области, соответствующие выступам 4, и образующие сквозные эпитаксиальные каналы, пронизывающие рабочую 1 пластину. Области рабочей 1 пластины, перекристаллизованные перфорированной зоной 3, образуют матрицу, легированную алюминием. Техническим результатом является возможность контролируемого управления такими электрофизическими свойствами сквозных эпитаксиальных каналов как тип их проводимости и электропроводность, которые перенимаются от рабочей 1 пластины, выбор которой не ограничен. Возможность получения сквозных эпитаксиальных каналов диаметром 5-20 мкм обеспечивается за счёт использования перфорированной зоны 3. Возможность получения сквозных эпитаксиальных каналов диаметром более 200 мкм обеспечена за счёт использования затравочной 2 пластины. 3 ил.

Способ получения сквозных эпитаксиальных каналов в пластинах кремния, включающий формирование жидких зон на основе алюминия и их движение в объёме рабочей пластины кремния под действием температурного градиента, при этом к рабочей пластине кремния устанавливают затравочную пластину, а жидкую зону на основе алюминия формируют в виде плоской зоны между этими пластинами, отличающийся тем, что затравочную пластину выполняют с выступами, высотой которых задают толщину зазора между затравочной и рабочей пластинами, а жидкую плоскую зону на основе алюминия формируют в виде перфорированной зоны с разрывами-отверстиями в местах выступов в зазоре между пластинами.