Способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния Российский патент 2024 года по МПК H01L21/203 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно способам изготовления полупроводниковых эпитаксиальных структур кремния.

Эпитаксиальные структуры кремния, прежде всего, должны отличаться однородностью физических свойств и электрофизических параметров, при этом как по поверхности, так и по толщине эпитаксиальной структуры:

- степени легирования (концентрации донорной и/или акцепторной легирующей примеси), см^-3;

- толщины эпитаксиального слоя, мкм;

- низкой плотностью дефектов, см^-2;

- малой толщиной переходной области подложка - эпитаксиальный слой, мкм (далее переходная область);

- отсутствием токов утечки, мА;

Известен способ изготовления полупроводниковой структуры с подложкой, включающий процессы формирования слоя кремния, последующую термообработку.

В котором, с целью снижения дефектности, обеспечения технологичности, улучшения параметров структуры, повышения качества и увеличения процента выхода годных, пленку кремния формируют на кремниевой подложке со скоростью роста 20 нм/мин, при температуре 750°С, давлении 1,33×10^-5 Па, при скорости подачи силана SiH₄ 14,3 см³/мин с последующей термообработкой при температуре 1100°С в течение 15 с в среде аргона [Патент № 2733941 РФ. Способ изготовления полупроводниковой структуры / Мустафаев Г.А. // Бюл. - 2017 - № 25].

Известен способ изготовления полупроводниковой структуры, включающий подложку, процессы формирования пленок полупроводникового материала.

В котором, с целью снижения дефектности, обеспечения технологичности, улучшения параметров, повышения надежности и увеличения процента выхода годных, пленку кремния формируют осаждением из паровой фазы в процессе водородного восстановления тетрахлорида кремния SiCl₄, со скоростью 0,7 мкм/мин, при температуре 1200°С, с последующим легированием германием Ge до концентрации 10²⁰-10²¹ см^-3 [Патент № 2644627 РФ. Способ изготовления полупроводниковой структуры / Мустафаев Г.А. // Бюл. - 2017 - № 25/].

Технические решения данных аналогов обеспечивают достаточно низкую плотность дефектов полупроводниковой структуры кремния, порядка 10 см^-2.

Однако не касаются других физических свойств полупроводниковой структуры кремния и, прежде всего, реализации однородности степени легирования (концентрации донорной и/или акцепторной легирующей примеси) (далее степень легирования).

Известен способ регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния путем регулирования давления, направляемых на подложку потока паров от нагретых резистивных источников паров кремния и паров легирующего элемента в результате изменения их температуры.

В котором, с целью повышения технологичности регулирования степени легирования, упомянутое изменение температуры указанных источников паров осуществляют при неизменных, но различных степенях их резистивного нагрева путем перемещения расположенного между ними теплового экрана, приводящего к изменению площади поперечного сечения радиационного теплового потока между ними [Патент № 2699949 РФ. Способ настройки эпитаксиального выращивания в вакууме легированных слоёв кремния и резистивный испарительный блок для его осуществления / Шенгуров В.Г. // Бюл. - 2017 - № 26].

Известен способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния, включающий нагрев кремниевой подложки в реакторе эпитаксиальной установки, формирование защитного слоя на нерабочей поверхности сильнолегированной подложки n- или р-типа проводимости, газофазное осаждение эпитаксиального слоя кремния на рабочую поверхность.

В котором, с целью повышения однородности электрофизических параметров эпитаксиальной структуры за счет подавления эффекта автолегирования, при эпитаксиальном наращивании последовательно проводят формирование части защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до достижения половины значения требуемой толщины, осаждение эпитаксиального слоя на рабочей поверхности подложки толщиной 3-4 мкм, формирование защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до требуемого значения толщины, осаждение эпитаксиального слоя на рабочей поверхности подложки до требуемой толщины эпитаксиального слоя [ПРФ № 2606809 РФ. Способ изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры /Волков А.С.// Бюл. - 2017 - № 1].

Технические решения последних двух аналогов обеспечивают улучшение некоторых физических параметров эпитаксиальной структуры кремния и, прежде всего, однородности степени легирования.

Однако последнее обеспечивается только по поверхности эпитаксиальной структуры.

Известен способ получения эпитаксиальных структур кремния, включающий нанесение защитного слоя на обратную сторону низкоомной подложки кремния, эпитаксиальное наращивание из газовой фазы в два этапа, при этом температура первого этапа превышает температуру второго этапа.

В котором, с целью улучшения качества эпитаксиальных структур благодаря уменьшения длины (толщины) переходной области подложка-эпитаксиальный слой и снижения уровня автолегирования в переходной области до значения менее 1×10¹⁴ см ^-3 , нанесение защитного слоя кремния осуществляют с подложкодержателя, покрытого слоем поликристаллического кремния и нагретого до температуры от 1503 до 1523 К и давлении в реакторе от 1,33×10³ до 2,66×10 ³ Па, в течение 10-15 мин, первый этап эпитаксиального наращивания осуществляют при температуре 1373-1423 К и давлении в реакторе от 1,84×10 ⁴ до 2,1×10 ⁴ Па, в течение 30-60 с, а второй этап - при 1273- 1223 К и том же давлении [А.С. № 1371442 СССР / Никулов В.В.] - прототип.

Данный способ изготовления эпитаксиальных структур кремния - прототип обеспечивает изготовление эпитаксиальных структур кремния с достаточной однородностью степени легирования (концентрации легирующей примеси).

Однако возможности технических решений данного способа ограничены концентрацией легирующей примеси не более 10¹⁴ см^-3, это предусматривает - определяет использование - применение данных эпитаксиальных структур кремния для ограниченного типа приборов СВЧ, например, PIN-диод.

Технический результат - повышение степени легирования (концентрации легирующей примеси), повышение однородности степени легирования, снижение толщины переходной области подложка - эпитаксиальный слой, расширение функциональных возможностей эпитаксиальной структуры кремния и, соответственно улучшение электрофизических параметров приборов СВЧ применения данных эпитаксиальных структур кремния.

Указанный технический результат достигается заявленным способом изготовления эпитаксиальной структуры кремния, включающим

формирование на обратной стороне полупроводниковой подложки из низкоомного кремния защитного слоя поликристаллического кремния, посредством термического вакуумного напыления при испарении поликристаллического кремния с подложкодержателя с индуктивным нагревом, при температуре 1230-1250°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 600-900 с,

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы, при этом в два этапа - первый, второй соответственно, с различными технологическими параметрами на каждом этапе,

при этом на втором этапе - при температуре 900-950°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па,

формирование защитного и эпитаксиального слоев осуществляют в едином технологическом процессе.

При этом

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом этапе осуществляют при температуре 950-1150 °C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 10-20 с,

одновременно с формированием на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют легирование эпитаксиального слоя, легирующей примесью n-типа, с одинаковой концентрацией легирующей примеси на первом и втором этапах равной (6-15)×10¹⁵ см^-3..

Формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют пиролизом моносилана SiH₄.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков как ограничительной, так и отличительной частей заявленного способа изготовления эпитаксиальной структуры кремния, а именно

Формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом этапе при температуре 950-1150 °C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 10-20 с.

Это обеспечивает:

во-первых, значительное повышение - более одного порядка степени легирования (концентрации легирующей примеси) эпитаксиального слоя, и соответственно эпитаксиальной структуры кремния (концентрация легирующей примеси прототипа - не более 10¹⁴ см^-3) и, как следствие - расширение функциональных возможностей эпитаксиальной структуры кремния, с точки зрения ее применения,

во-вторых, повышение однородности степени легирования - равномерное распределение легирующей примеси, при этом по всей эпитаксиальной структуре - как по поверхности, так и по толщине и, как следствие - улучшение физических и электрофизических параметров эпитаксиальной структуры кремния и соответственно улучшение электрофизических параметров прибора СВЧ применения (фиг. 2 а, б, в),

в-третьих, снижение толщины переходной области подложка - эпитаксиальный слой и, тем самым повышение однородности легирования эпитаксиальной структуры кремния по толщине слоя.

Технологические параметры и значения их пределов, заявленные в формуле изобретения - способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния, являются оптимальными, с точки зрения, обеспечения указанного технического результата и, нарушение этих пределов как слева, так и справа не желательно, так как приводит к ухудшению последнего, что подтверждено данными, представленными в таблице.

Итак, заявленный способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния обеспечивает в полной мере заявленный технический результат - повышение степени легирования (концентрации легирующей примеси), повышение однородности степени легирования, снижение толщины переходной области подложка - эпитаксиальный слой, расширение функциональных возможностей и, соответственно улучшение электрофизических параметров приборов СВЧ применения данных эпитаксиальных структур кремния.

Изобретение поясняется иными материалами.

На фиг. 1 представлен общий вид (разрез) эпитаксиальной структуры кремния, изготовленной заявленным способом, где

полупроводниковая подложка из низкоомного кремния - 1 а, б (ее обратная 1а и лицевая 1б стороны),

защитный слой поликристаллического кремния - 2, на обратной стороне полупроводниковой подложки 1а,

эпитаксиальный слой - 3 на лицевой стороне полупроводниковой подложки 1б.

На Фиг. 2 (а, б, в) представлены профили легирования эпитаксиальной структуры кремния, полученные в результате измерений в трех точках по ее поверхности (а, б, в) соответственно.

Примеры конкретного изготовления эпитаксиальной структуры кремния заявленным способом.

Пример 1.

Формируют на обратной стороне полупроводниковой подложки из низкоомного кремния 1а (КЭМ (кремниевая подложка электронного типа проводимости, легированная мышьяком As) диаметром 40 мм, c ориентацией (111), БПКЖ.90.01.000 ТУ) защитный слой поликристаллического кремния 2, посредством термического вакуумного напыления, при испарении поликристаллического кремния - моносилан SiH₄ (ТУ 2114-001-16424433-99 изм. 2) с подложкодержателя, с индуктивным нагревом, при температуре 1240 °C, давлении 1,99×10³ Па, в течение 750 с.

Формируют на лицевой стороне полупроводниковой подложки 1 б эпитаксиальный слой 3, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы, при этом в два этапа - первый, второй соответственно, с различными технологическими параметрами на каждом этапе, при этом

на первом этапе - при температуре 1050 °C, давлении 1,99×10³ Па, в течение 15 с.

на втором этапе - при температуре 925 °C, давлении 1,99×10³ Па,

При этом

формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя, посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют пиролизом моносилана SiH₄.

При этом

одновременно с эпитаксиальным наращиванием эпитаксиального слоя на первом и втором этапах осуществляют его легирование, легирующей примесью n-типа - фосфор (источник легирующей примеси - фосфин PH₃ (ТУ 6-02-590-84)), с заданной одинаковой концентрацией легирующей примеси на первом и втором этапах -8×10¹⁵ см^-3.

Заданная - требуемая концентрация легирующей примеси в эпитаксиальном слое задается типом прибора СВЧ применения эпитаксиальной структуры кремния - диод с барьером Шоттки.

При этом

формирование защитного и эпитаксиального слоев осуществляют в едином технологическом процессе (Установка газофазной эпитаксии кремния А209.17).

Толщина защитного слоя определяется временем термического вакуумного напыления.

Толщина эпитаксиального слоя определяется временем эпитаксиального наращивания из газовой фазы.

Примеры 2-5.

Аналогично примеру 1 изготовлены образцы эпитаксиальной структуры кремния, но при других технологических параметрах, указанных в формуле изобретения (примеры 1-3) и за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 - соответствует прототипу.

На изготовленных образцах эпитаксиальных структур кремния сформированы классическим методом меза-структуры прибора СВЧ применения эпитаксиальной структуры кремния - диод с барьером Шоттки и определены:

- степень легирования (концентрация легирующей примеси) методом вольт-фарадных характеристик и, соответственно, оценена однородность легирования, при этом как по площади, так и по толщине образцов эпитаксиальных структур кремния соответственно.

- напряжение пробоя, В (универсальный измеритель характеристик Л2-100).

- толщина переходной области подложка - эпитаксиальный слой методом шарового шлифа, мкм (микроскоп Альтами МЕТ 3Т).

Все упомянутое выше согласно ТС0.027.056 ТУ.

Данные представлены в таблице.

Как видно из таблицы.

Образцы эпитаксиальной структуры кремния, изготовленные согласно заявленной формулы изобретения имеют:

- концентрацию легирующей примеси, измеренную в 3 точках по поверхности и толщине -

7,9×10¹⁵, 8,2×10¹⁵, 8,4×10¹⁵;

1,0×10¹⁶, 1,2×10¹⁶, 1,2×10¹⁶;

5,9×10¹⁵, 6,1×10¹⁵, 6,0×10¹⁵ , см^-3;

- толщину переходной области - 0,085 мкм, 0,10 мкм, 0,09 мкм (пример 1 - 3 соответственно).

В отличие от образцов, изготовленных за ее пределами (примеры 4-5) и способа прототипа, которые имеют значения хуже аналогичных параметров.

Таким образом, заявленный способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния обеспечит по сравнению с прототипом:

- повышение степени легирования (концентрации легирующей примеси) более одного порядка (концентрация легирующей примеси прототипа - не более 10¹⁴ см^-3) и соответственно повышение однородности легирования, при этом как по площади, так и по толщине эпитаксиальной структуре кремния;

- снижение толщины переходной области подложка - эпитаксиальный слой более 0,01 мкм.

И, соответственно:

- улучшение электрофизических параметров прибора СВЧ применения данных эпитаксиальных структур кремния;

- расширение функциональных возможностей.

№ п/п Способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния формирование защитного слоя на обратной стороне подложки формирование эпитаксиального слоя на лицевой стороне подложки с одновременным легированием примесью n-типа Результаты измерений Материал Метод Температура, °С Давление, ×10³ Па Время, с 1 этап 2 этап Легирование Концентрация легирующей примеси по поверхности и толщине слоя в 3 точках, см^-3 Толщина переходной области по пластине, мкм Материал Метод Температура, °С Давление, ×10³ Па Время, с Материал Метод Температура, °С Давление, ×10³ Па Легирующая примесь 1 Поликристаллический кремний (Si) Термическое вакуумное напыление 1240 1,99 750 Монокристаллический кремний (Si) Эпитаксиальное наращивание из газовой фазы 1050 1,99 15 Монокристаллический кремний (Si) Эпитаксиальное наращивание из газовой фазы 925 1,99 Фосфор (P) (n-тип) 7,9×10¹⁵, 8,2×10¹⁵, 8,4×10¹⁵; 0,085 2 1230 1,33 600 950 1,33 10 900 1,33 1,0×10¹⁶, 1,2×10¹⁶, 1,2×10¹⁶; 0,10 3 1250 2,66 900 1150 2,66 20 950 2,66 5,9×10¹⁵, 6,1×10¹⁵, 6,0×10¹⁵; 0,09 4 1220 1,99 500 940 1,99 5 890 1,99 3,5×10¹⁶, 3,2×10¹⁶, 2,7×10¹⁶; 0,20 5 1260 1,99 1000 1160 1,99 25 960 1,99 5,7×10¹⁶, 6,0×10¹⁶, 6,1×10¹⁶; 0,20 Прототип 1250 1,99 750 Иной технологический процесс, иные параметры технологических операций ≤1×10¹⁴ 0,10

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов. Способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния включает формирование на обратной стороне полупроводниковой подложки из низкоомного кремния защитного слоя поликристаллического кремния посредством термического вакуумного напыления при испарении поликристаллического кремния с подложкодержателя с индуктивным нагревом, при температуре 1230-1250°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 600-900 с, формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы, в два этапа - первый, второй соответственно, с различными технологическими режимами на каждом этапе, формирование защитного и эпитаксиального слоев осуществляют в едином технологическом процессе, при этом формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом этапе осуществляют при температуре 950-1150°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 10-20 с, одновременно с формированием на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют легирование эпитаксиального слоя, легирующей примесью n-типа, с одинаковой концентрацией легирующей примеси на первом и втором этапах, равной (6-15)×10¹⁵ см^-3. Изобретение обеспечивает повышение степени легирования, повышение однородности степени легирования, снижение толщины переходной области подложка - эпитаксиальный слой, расширение функциональных возможностей и, соответственно, улучшение электрофизических параметров приборов СВЧ применения данных эпитаксиальных структур кремния. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления эпитаксиальной структуры кремния, включающий формирование на обратной стороне полупроводниковой подложки из низкоомного кремния защитного слоя поликристаллического кремния посредством термического вакуумного напыления при испарении поликристаллического кремния с подложкодержателя с индуктивным нагревом, при температуре 1230-1250°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 600-900 с, формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы, при этом в два этапа - первый, второй соответственно, с различными технологическими режимами на каждом этапе, при этом на втором этапе при температуре 900-950°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, при этом формирование защитного и эпитаксиального слоев осуществляют в едином технологическом процессе, отличающийся тем, что формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом этапе осуществляют при температуре 950-1150°C, давлении (1,33-2,66)×10³ Па, в течение 10-20 с, одновременно с формированием на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют легирование эпитаксиального слоя легирующей примесью n-типа, с одинаковой концентрацией легирующей примеси на первом и втором этапах, равной (6-15)×10¹⁵ см^-3.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование на лицевой стороне полупроводниковой подложки эпитаксиального слоя посредством эпитаксиального наращивания из газовой фазы на первом и втором этапах осуществляют пиролизом моносилана SiH₄.