Способ формирования изолированных внутренних областей Советский патент 1993 года по МПК H01L21/22 

Изобретение относится к технологии . изготовления лолуНроводниковых приборов на основе кремния, преимущественно к диффузионным способам изготовления многослойных структур силовых тиристоров, симисторов и высоковольтных интегральных схем.

Известен способ изготовления изолированных областей в многослойных структурах силовых тиристоров, в котором используют диффузии акцепторных примесей rfo всеЛ площади кремниевых пластий и сквозную локальную диффузию алюминия в жидкой фазе под действием градиента температуры-так называемая зонная перекристаллйзация с градиентом щмпературы (ЗГГТ), В результате формируется изолированные Внутренние облзст КисхЬдного кремния п-типа, ограниченные сверху и снизу горизонтальными диффузионными слояМи, а справа и слева вертикальными каналами, образованными ЗПГТ. Этот способ позволяет изготовить силовые тиристоры планарного типа.

Недостаток известного способа состоит в том, что он сложен, трудоемок и требует использования сложного специального технологического оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования изолированных внутренних областей в шлифованных пластинах кремния п-типа проводимости, включающий химическую обработку пластин, создание на поверхности локальных травленных областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, содержащего соединен: е алюминия, и термообработку (диффузию) в окислительной атмосфере. В известном способе при диффузии в окислительной атмосфере за счет неглубокого локального травления шлифовальной поверхности кремния уменьшают поверхностную концентрацию алюминия, что и позволяет формировать локально углубленный фронт р-п-перехода.

Недостаток известного способа состоит в том, что величина локального углубления фронта р-п-перехода невоспроизводима, так как значение поверхностной концентрации алюминия, а следовательно, и глубина залегания р-п-перехода сильно зависят от условий локального травления (времени, температуры, состава травителя и т.п.), что приводит к ухудшению параметров изготавливаемых приборов.

Целью изобретения является улучшение параметров многослойных структур приборов путем повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внутренних областей в шлифованных пластинах кремния.

Для этого в способе формирования изолированных внутренних областей в шлифовальных пластинах кремния п-типа проводимости, включающем химическую обработку пластин, создание на поверхности локальных травленых областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, содержащего соединение алюминия, и термообработку а окислительной атмосфере, в раствор-диффузант дополнительно вводят борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.ч,:

Этанол 96°1216,5

Азотнокислый алюминий100Тетраэтоксисилан 374 Борная кислота 0,9-1,3 а термообработку проводят в течение времени

(1)

1,06to t 1,20to

где

10w2 exp(1,67x

to 8,3

-AT) -(1 -4,27x

x10 -AT)

(2)

t-время термообработки, ч;

to - минимальное время термообработки, ч;

W - минимальная толщина исходной пластины, см;

AT-1280-Т;

Т - температура термообработки, °С.

Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются:

-наличие борной кислоты в растворедиффузанте;

-эмпирически расчетная зависимость времени термообработки от температуры и толщины пластины кремния.

Благодаря повышению воспроизводимости параметров диффузионных слоев повышается процент выхода годных приборов, увеличивается класс и стабилизируются значения тока управления тиристоров и симисторов.

На чертеже схематически изображено поперечное сечение изолированной внутренней области в шлифованной пластине кремния п-типа, где шлифованная поверхность пластины 1, локально травленная перед диффузией поверхность пластины 2, W

- минимальная толщина исходной пластины, Xj - толщина р-слоя в активной части р-п-р-структуре формируемого тиристора или симистора.

Так как минимальное значение поверхностной концентрации алюминия при диффузии из окисного источника при температуре 1240°С равна 1,6 -10 для получения воспроизводимой толщины р-слоя в шлифованной части пластины нёобходимо, чтобы концентрация доноров в исходном кремнии была на 2 порядка ниже РП 30 Ом см). С другой стороны, для повышения пробивного напряжения нецё лесообразно брать /Oh 80 Ом см, так как максимальную толщину формируемой изо лированной п-области практически нельзя получить больше 220 мкм. Максимальная температура ограничена при длительной работе возможностями современного диффузионного оборудования, а также определяется тем, чтос повышением температуры ухудшаются параметры исходного кремния и увеличивается деформация тонких пластин, а при температуре ниже 1240°С сильно возрастает время термообработки.

Для изготовления многослойных структур силовых тиристоров и симисторов с повторяющимся напряжением 800-1200 В необходимо изготовить р-п-р-структуру с толщиной р-слоя XJ 60-70 мкм и поверхностной концентрацией примеси N (1-2) 10 см, что соответствует поверхностному сопротивлению диффузионного слоя Rg 60120 ОмуЬ . Такие параметры можно получить, если в раствор-диффузант дополнительно ввести борную кислоту BI концентрации 0,9-1,3 мае.ч. при следующем содержании остальных компонентов раствора, мас.ч.

Этанол12165.5

Азотнокислый(

алюминий100

Тетраэтрксисилан374

Если при создании локально травленных областей (2) проводить полирующее травление на глубину 8-10 мкм, то в окислительной атмосфере в этих областях полностью исключается диффузия алюминия и происходит только диффузия бора, а в остальных областях (1) - диффузия алюминия и бора. В диапазоне температуры 12401300°С при концентрации борной кислоты менее 0,9 мас.ч. Rs возрастает более 120 Ом/Ц, а при концентрации более 1,3 мас.ч. становится менее 60 Ом/D.

Минимальное время термообработки to, необходимое для формирования изолированной п-области, определяется толщиной пластин и температурой. Оптимальной с точки зрения механической прочности и времени термообработки является толщина пластин 0,32-0,35 мм. Однако, за счет улучшения качества шлифовки (уменьшение рисок, царапин, разброса толщины) можно уменьшить толщину пластин до 0,28-0,30 мм. Так как всегда реально имеется разброс толщины по площади одной пластины и между пластинами в партии, то это необходимо учитывать при определении времени термообработки, которое должно быть более to. При разбросе в Юмкми W 320, мкм

С 330 необходимо, чтобы - ооп о

1,06, иначе не произойдет смыкание диффузионных потоков алюминия во всех нетравленных областях (1). Однако, увеличение времени более 1,20 to нецелесообразно, так как при этом Xj возрастает более 70 мкм. На основании проведенных исследований установлено, что при увеличении температуры от 1240 до поверхностная концентрация алюминия возрастает от 1,6 10 до 1,2 10 см . Полученную зависимость аппроксимируют выражением4,4 10 ехр(-2,6 )см . Поскольку значения анергии активации коэффициентов диффузии алюминия 8,0 %хр (-3,47/kT) и бора 0,76 ехр (-3,46/kT) практически равны, то при поверхностной концентрации бора 2 10 см толщина р-слоя в шлифованной области пластины будет в 2,5-3,9 раза больше, чем в травленной.

Пример. Исходные шлифованные порошки с размером зерна 14 мкм пластины кремния п-типа с удельным сопротивлением 50 Ом см, диаметром 50 мм и минимальной толщиной 340 мкм при разбросе толщины до 10 мкм отмывают по стандартной технологии и термически окисляют для получения пленки толщиной 0,5 мкм. Затем с помощью фотолитографии локально удаляют окисную пленку с противоположных участков, расположенных на обеих сторонах пластины и травят кремний в 30%-ном водном растворе гидрооксида калия на глубину 8-10 мкм. После этого во фтористоводородной кислоте удаляют оставшуюся окиснунз пленку, на обе поверхности наносят раствор-диффузант и проводят термообработку на воздухе в указанных ниже режимах. Раствор-диффузант содержит компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:

Этанол1216,5

Азотнокислый

алюминий100

Борная кислота0,9-1,3

Тетраэтоксисилан 374

Поскольку в прототипе не указаны ни состав раствора, ни время термообработки, то в контрольных партиях наносят раствор без борной кислоты, а время термообработки берут такое же, как и в опытных партиях.

8 табл,1 представлены расчетные значения времени термообработки при толщине, пластины 340 мкм и удельном сопротивлении 50 Ом см.

В табл.2 приведены режимы термообработки опытных и контрольных партий.

После термообработки стандартными методами проверяют наличие сквозной диффузии в шлифованной части пластины, а также измеряют глубину и поверхностное сопротивление диффузионного р-слоя в травленной части. Полученные результаты

представлены в табл.3-5. Как видно из табл.2-5, параметры диффузионных слоев воспроизводимы в пределах Xj 60-70 мкм и R5 60-120 Ом, что позволяет их испрльзовать для изготовления многослойных структур силовых тиристоров и симисторов планарного типа. Параметры диффузионных слоев, изготовленных по известному способу, невоспроизводимы и поэтому такие структуры не пригодны для изготовления тиристоров и симисторов.

(56) 1. M.Chang, P.Kennedy, The application of temperature gradient zone melting to silicon wafer processing. J;Electrochem. Soc. 1981, V. 128, №10, p. 2133-2198.

2. Авторское свидетельство СССР Ms 1327737, кл. Н Ol L 21/306, 1985.

Изобретение относится к технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов на кремнии, а именно к диффузионным способам изготовления тиристоров. Целью изобетения является улучшение параметров многослойных структур за Счет повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внутренних областей. Данный способ включает шлифовку кремниевых пластин, химическую обработку, создание рельефа, травление локальных областей, нанесение на обе поверхности раствора- диффузанта из смеси, масч: этанол 1216,5; азотнокислый алюминий 100; ТЭОС 374 и борная кислота 0,9 - 1,3 Последующую термообработку проводят в течение времени от 1.06t до1201, гдеt^=8.3« 1oV'Iexp{1.67* 10~^'ДТ)'

Таблица 1

Таблица 2

Формула изобретения СПОСОБ НОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ВНУТРЕННИХ ОБЛАСТЕЙ в шлифованных пластинах кремния п-типа проводимости, включающий химическую обработку пластин, создание на поверхности рел(ефа травлением локальных областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, содержащего этанол, азотнокислый алюминий и тетраэтоксисилан, и термообработку в окислительной атмосфере, отличающийся тем, что, с целью улучшения параметров многослойных структур за счет повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внутренних областей, в раствор-диффузант дополнительно вводят

Та-б лица 3

Та блица 4

Таблица 5

борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Этанол 96 1216,5

Азотнокислый алюминий100

Тетразтоксисилан374

Борная кислота0,9-1,3,

а термообработку проводят в течение времени t из интервала:

1,06 to t 1,20to, где t 8,3 (1,67х

1-2/

X 10 AT)x(1-4,27-10 ДТ -минимальное время термообработки, ч; ДТ 1280-Т,

Т - температура термообработки, С; t - время термообработки, ч; W - минимальная толщина исходной пластины, см.

Л

/7