СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к способам получения эпитаксиальных структур кремния на сапфире, и может быть использовано в электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов.

Целью изобретения является повышение качества гетероэпитаксиальных структур на счет улучшения кристаллической структуры эпитаксиального слоя.

Применение ионов кремния для очистки поверхности подложки исключают образование "пузырьков". Кроме того, в процессе этой очистки происходит селективное травление атомов алюминия и замещение их в узлах кристаллической решетки атомами кремния, что способствует образованию сплошного слоя на более ранних стадиях, чем при осаждении из молекулярного потока с предварительной очисткой поверхности подложки ионами аргона. Это связано с тем, что наиболее благоприятные условия для эпитаксиального срастания кремния с сапфировой подложкой создаются при расположении атомов кремния над атомами алюминия в кристаллической решетке сапфира.

Осаждение эпитаксиальных слоев из частично ионизованного потока кремния позволяет снизить температуру эпитаксии за счет стимулирования энергетичными ионами поверхностных процессов: повышается подвижность атомов, возрастает микроизбирательность ориентации, распыляется неоднородность и остатки окисного слоя, создаются точечные дефекты, облегчающие процесс зародышеобразования. Снижение эпитаксиальной температуры способствует меньшему выходу алюминия из подложки в слой, что, в свою очередь, приводит к улучшению электрофизических свойств эпитаксиального слоя. Кроме того, при низких температурах сводится к минимуму влияние разницы коэффициентов термического расширения сапфира и кремния уменьшается механическое напряжение в эпитаксиальном слое, уменьшается плотность дефектов.

Температура при ионном травлении (Т_тр) 800-1100^оС позволяет исключить зарядку поверхности диэлектрический подложки при бомбардировке ионами.

При температуре выше 1100^оС резко возрастает выход алюминия из объема на поверхность, что создает дополнительные примесные центры. При температурах ниже 800^оС электрический заряд с поверхности не успевает стекать, что приводит к дестабилизации процесса очистки.

Использование энергии ионов кремния (Е_тр) выше чем 3 кэВ приводит к возникновению неотжигаемых радиационных дефектов, что сильно сказывается на качестве выращиваемого слоя. Использование энергии ниже чем 1 кэВ не дает ожидаемого эффекта очистки поверхности, так как энергия, сообщаемая поверхности, недостаточна, чтобы примесные атомы удалялись с поверхности.

Степень ионизации (α_тр) менее 10% не позволяет создавать необходимую плотность ионного тока на поверхности и поэтому неэффективна для очистки ионным травлением.

Верхний предел степени ионизации (20%) обусловлен тем, что дальнейшее повышение количества ионов на единице поверхности нецелесообразно. Это объясняется тем, что при бомбардировке поверхности сапфира ионами кремния происходит селективное травление атомов Аl, места которых замещаются атомами кремния. Повышение доли ионов в общем потоке выше 1/5 (20%) приводит к уменьшению вероятности замещения: освободившиеся при ионном травлении центры нечем замещать, так как снижается удельный вес нейтральных частиц в потоке. Это проявляется, в частности, в том, что образование сплошного эпитаксиального слоя происходит в этом случае позже (при толщине 2000 ), чем при обработке поверхности потоком с заявляемой степенью ионизации.

Верхний предел температуры (Т_э) 700^оС для эпитаксиального осаждения обусловлен тем, что выше этой температуры выход алюминия из подложки заметно увеличится. При температуре ниже чем 450^оС растет поликристаллическая пленка.

Использование энергии ионов кремния для осаждения (Е_э) выше чем 0,5 кэВ приводит к осаждению дефектной структуры. При энергиях ниже 0,05 кэВ возникают трудности с достижением степени ионизации выше 0,5%
Степень ионизации (α_э) больше 10% для осаждения не приводит к дальнейшему улучшению эпитаксиальной структуры. При степени ионизации ниже 0,5% мало заметны эффекты от ионизованного пучка.

Способ осуществляется следующим образом. Подложку сапфира располагают на молибденовом пьедестале в вакуумной камере, обеспеченной электронно-лучевым нагревом подложки. Создают высокий вакуум. Создают поток кремния. Формируют частично-ионизованный поток времени. Разогревают подложку. Производят ионное травление. Устанавливают необходимую температуру подложки. Производят эпитаксиальное осаждение.

П р и м е р 1. Подложку сапфира располагают на молибденовом пьедестале в вакуумной камере. Создают вакуум 5 10^-9 мм рт.ст. Формируют частично-ионизованный поток кремния со степенью ионизации 20% с энергией 2 кэВ и при температуре 1000^оС в течение 5 мин производят ионное травление. После прекращения травления устанавливают температуру подложки 500^оС, снижают энергию пучка до 0,2 кэВ, степень ионизации до 1% и проводят эпитаксиальное наращивание со скоростью (r_э) 0,25 мкм/ч.

П р и м е р 2. Способ осуществляют по примеру 1 со следующими параметрами при ионном травлении:
Т_тр 800^оС; Е_тр 3 кэВ; α_тр 10% при эпитаксиальном наращивании:
Т_э 700^оС; Е_э 0,05 кэВ; α_э= 0,5% r_э 1 мкм/ч.

П р и м е р 3. Способ ведут по примеру 1 со следующими параметрами при ионном наращивании:
Т_тр 1100^оС; Е_тр 1 кэВ; α_тр 20% при эпитаксиальном наращивании:
Т_э 450^оС; Е_э 0,5 кэВ; α_э= 10% r_э 0,1 мкм/ч.

Для экспериментальной проверки предлагаемого способа были получены восемь структур кремния на сапфире при различных условиях травления подложки и выращивания слоев (см. таблицу). В качестве параметра, который определяет кристаллическое совершенство слоя, была выбрана I_уф интенсивность диффузионно-рассеянного ультрафиолетового света с поверхности структуры, что хорошо коррелирует с шириной кривых качания кристалла, концентраций микродвойников, подвижностью носителей и т.п. Эталонным образом является стандартная промышленная структура кремния на сапфире, где I_уф 1. Анализируя данные, приведенные в таблице, можно сделать вывод о том, что режим, использованный для получения образца 5, является оптимальным для получения структуры кремния на сапфире из частично-ионизованного потока с предварительным ионным травлением поверхности подложки.

Предложенный способ позволяет улучшить качество эпитаксиального слоя; достичь сплошности эпитаксиального слоя на более ранней стадии роста; уменьшить автолегирование эпитаксиального слоя алюминием; повысить технологичность процесса.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к способам получения эпитаксиальных структур кремния на сапфире, и может быть использовано в электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов. Целью изобретения является повышение качества гетероэпитаксиальных структур за счет улучшения кристаллической структуры эпитаксиального слоя. Подложку сапфира располагают на молибденовом пьедестале в вакуумной камере. Формируют частично-ионизованный поток кремния, разогревают подложку и производят ионное травление. Затем прекращают травление, понижают температуру, снижают энергию ионов и степень ионизации и проводят эпитаксиальное наращивание с определенной скоростью. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ, включающий испарение в вакууме, очистку поверхности подложки ионным травлением и осаждением кремния на разогретую поверхность подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения качества гетероэпитаксиальных структур за счет улучшения кристаллической структуры эпитаксиального слоя, полное травление производят с помощью частично ионизированного потока кремния энергией 1-3 кэВ, со степенью ионизации 10-20% при температуре подложки 800-1100^oС, а осаждение кремния осуществляют из того же потока с энергией 0,05 0,5 кэВ, степенью ионизации 0,5 10% при температуре подложки 450-700^oС со скоростью 0,1-1 мкм/ч.