Способ получения эпитаксиальных слоев кремния Советский патент 1978 года по МПК B01J17/32 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ

КРЕМНИЯ муму проблему самопроизвольного проникновепия в слой примесей путем использования такой низкой температуры и такой высокой скорости роста, которые были бы приемлемы в OTiioujeHiiH допустимых характеристик совершенства кристалла и электрических свойств в кристаллическом осадке. Для активных устройств наиболее желательно, чтобы подвижность носителей тока (холловская подвижность) была относительно высока, токи утечки относительномалы, а время жизни неосновного носителя тока относительно продол жнтельно. Наилучшие характеристики КНС/ КНШ-транзисторов были достигнуты нри слоях толщиной более 0,8 мкм. Однако толщина эпитаксиальпого слоя должна быть достаточно малой для получения приемлемых электрических характеристик: при уменьшенной толишне снижаются повреждения металлизации по раям слоя, служапхей коптактом для подсоединения к э.пе.ктродам. Келатсльно, чтобы осажденный на сапфир и.ти шнипе.чь энитаксиальный кремниевый с.й()й име/ толщину порядка 0,5 мкм, что дает возможность изготовлять хорошие транзисторы, характористпки которых не уступают характеристикам траизисторов, изготовленных на слоях толщиной в 1 мкм и более. Одной из причин трудности достижения это|-о при скорости вырап ивания 2,0 мкм/мин было то, что для осаждения такого слоя, принимая во внимание перечисленн1: 1е выше факторы, требовалось 15 сек. Этого времени слишком мало для воспроизводи мого управления скоростя.ми иотока газа и концентрациями при иеобходимости изменения типа проводимости или концентрации носителя на поверхности раздела кремпий-цод,тожка. Цель изобретения состоит в уменынеиш загрязнения получаемого эп1ггаксиального слоя кре.мння и у.мучшения его кристаллической структуры. Для этого предлагается осаждать сначала первую часть слоя толпишой 0,05-0,2 мкм ири средней скорости роста 4-6 мкм/мин, а затем вторую часть слоя нри скорости роста не более 0,5 мкм/мин. Первую часть слоя целесообразно осаждать из сжатой под давлением смеси силана и водорода, а вторую часть слоя - иепосредственно за первой при более низком содержании силана в смеси, чем при осаждепни первой части слоя. Для осаждения первой части слоя предпочтительно использовать смесь содержан ую 4-6 об.ч. водорода и 1 об.ч. 6%-ного силана в водороде, а для осаждения второй части слоя - смесь, содержащую 45-55 об.ч. водорода и 1 об.ч. 6 /о-ного силапа в водороде. На фиг. 1 изображен реактор для осуществления предлагаемого способа, разрез; на фпг. 2 показана схема систе.мы иодачи и смещиванин газов. Предлагаемый ссюсоб получения эпитаксиальных слоев кре.мния может быть осуществлен с использованием реактора как верт1 кальпого, гак II горизонтально10 типа. Ниже огн1сывается осуществленпе способа в вертикальном реакторе цилиндрического типа. Реактор (фиг. 1) имеет реакционную камеру 1 куполообразной формы. Между внутренними 2 и наружны.ми 3 стенками камеры может циркулировать вода для охлаждения внутренних стенок при работе камеры. Верх камеры снабжен каналом 4 для впуска газа. В камере 1 сверху подвешено дискообразное газонаправляющее устройство 5. Это устройство располагается так, чтобы входящие газы направлялись к стенка.м камеры. Камера 1 установлена на полом основании 6, внутрь которого при помощи впускного 7 и выпускного 8 каналов может подаваться вода. Внутри камеры 1 установлена подставка 9, врап,ающаяся на вертикальной оси 10 и изготовляемая, например, из углерода. Подставка имеет форму шестигранной усеченной призмы, у которой каждая из шести. наклонных поверхностей 11 снабжена буртом 12 для установки на нем обрабатываемой полупроводниковой подложки 13. Ось 10 установлена на вертикальном валу 14, помещенном внутри муф,ты 15 и снабженном подшипником 16. Нижний конец вала 14 снабжен шкивом 17, который приводится в движение через ременную передачу 18 от двигателя 19 с регулируемой скоростью. При,работе реактора подставка 9 медленно вращается в циркулирующих через камеру 1 газах. Смесь реакционных газов (силан, водород и легирующая примесь) поступает в реакционную камеру 1 из системы смещивания и подачи газов (фиг. 2). Система содержит три впускных трубопровода 20, 21 и 22 для подачи легирующей примеси, силана и водорода соответствен {о. Трубопроводы 20, 21 и 22 снабжены соответственно устройствами 23, 24 и 25 для регулирования потока газа, распределительными клапанами 26, 27 и 28 и регулирующими давление клапанами 1%30 н 31. Впускные трубопроводы 20, 21 и 22 соединены через контрольный клапан 32 с одной стороной камеры 33 подготовки смеси, снабженной манометром 34. К противоположному концу камеры 33 подсоединен выпускной иасадок 35. К выпускному трубопроводу 36, отходяще.му от насадка 35, подсоединен контрольный клапан 37. Выпускной трубопровод 36 связан с отводным трубопроводом 38, выпуск газа из которого регулируется выхлонны.м к,1апаном 39. Ответвление 40 соединяет выход контрольного клапана 37 с каналом 4 для выпуска газа в реакционную камеру 1 (фиг. 1). .Другой впускной трубоировод 41 соединяет общий выход второй группы впускных трубопроводов (на схеме не показаны) с трубопроводом 41 через контрольный клапан 42. Пример. Для осаждения эпитаксиального слоя кре.мния из смеси силана, водорода и легирующей примеси в две стадии исио,- ьзуют описанные выше вертикальный реактор и систему смешивания и подачи газов (дутна подготовительной камеры 33 равна 12,7 cSi,

диаметр - 5 см; диаметр выпускного насадка ii5 равен 1,27 мм).

Перед началом процесса осаждения камеру 33 промывают используемыми газами. Клапаны 32 и 39 открывают, клапан 37 закрывают, клапаны 26, 27 и 28 открывают для впуска легирующего газа из трубопровода 20, силана из трубопровода 21 и водорода из трубопровода 22 в камеру 33. Скорость потока газов регулируют так, чтобы получить смесь, содержащую 100 см легирующего газа, пр.едставляющего собой водород с взвешенными нем 100 ч./млн. диборана или арсина (в зависимости от желаемого типа присадки), 5000 см 6%-ного силана в .водороде и 25000 см водорода. Газы сначала пропускают через камеру 33 и всю остальную систему, включая отводной трубопровод 38, с целью вытеснения воздуха, затем клапан 39 закрывают и камера 33 заполняется газовой смесью при давлении 4 кг/cм, после чего клапан 32 закрывают.

Подставку 9 нагревают до 1000°С током высокой частоты и приводят во вращение со скоростью 18 об/мин. Затем клапан 37 открывают и газы из камеры 33 мгновенно впускают в реакционную камеру 1. Газы проходят над нагретыми полупроводниковыми подложками 13 и начинают осаждать на них эпитаксиальный слой креМния. Монокристаллический слой кремния толщиной примерно 0,1 мкм осаж дается в течение 1-1.5 сек. В конце этого короткого промежутка времени клапан 37 закрывают, отсекая таким образом камеру 33 и связанную с ней трубопроводную систему от остальной части системы смещивания и подачи газов, связанной с ответвлением 40 впускным трубопроводом 41.

Тем .временем проводится подготовка для наращивания второй части слоя с более низкой скоростью по обычной технологии. По окончании первой, описанной выще стадии процесса открывают клапан 42 и в камеру 1 впускают смесь, содержащую 50 см водорода, содержащего 10 ч./млн. диборана или арсина, 500см 6%-ного силана в водороде и 24000 см водорода. Этим обеспечивается дальнейщий рост эпитаксиального .слоя кремния, но с гораздо меньшей скоростью.

Вторая стадия роста продолжается в темение времени, необходимого для получения желаемой толщины слоя кремния. Например, скорость роста может поддерживаться в пределах от 0,1 до 0,5 мкм/мин, а общая толщина слоя может быть равна 0,5 мкм.

На обеих стадиях могут вводиться одинаковые или различные легирующие примеси. На первой стадии может быть введено большое количество примеси, как это описано выще. В этом примере на первой стадии введено примеси от 10 .1,о10 атомов/см, а на второй - около 10 атомов/см2.

Предложенный способ описан для случая осаждения эпитаксиального слоя кремния на подложке из сапфира или шпинели. Однако его можно использовать везде, где существует опасность нежелательного внедрения загрязнений из подложки в осаждае.мый, кристаллический слой и появления в осажденном слое нежелательных свойств, так как проведение процесса в две стадии уменьшает загрязнение слоя из подложки и улучшает его кристаллическую структуру.

Формула изобретения

1.Способ получения эпитаксиальных слоев кремния осаждением их на нагретой сапфировой или шпинелевой подложке из газовой смеси силана и водорода, отличающийся тем, что, с целью уменьшения загрязнения слоя и улучшения его кристаллической структуры, сначала осаждают первую часть слоя толщиной 0,05- 0,2 мкм при средней скорости роста 4-6 мкм/мин, а затем вторую часть слоя при скорости роста не более 0,5 мкм/мин.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую часть слоя осаждают из сжатой под давлением смеси силана и водорода, а вторую часть слоя осаждают непосредственно за первой при более низком содержании силана в смеси, чем при осаждении первой части слоя.

3.Способ по п. 2, отличающийся тем, что для осаждения первой части слоя используют смесь, содержащую 4-6 об.ч. водорода и 1 об.ч. 6°/о-ного еилана в водороде, а для осаждения второй части слоя используют смесь, содержащую 45-55 об.ч. водорода и 1 об.ч. 6°/о-ного силана в водороде.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. «J. Electrochem. Soc., 1970, 117, р 812- 814.

нго

,5

НгО