Способ получения эпитаксиальных слоев кремния

Союз Советских Социалистических Республик,0 117/32 7,08,сударстаениыи комитетоаета Министраа СССРпо делам изобретенийи открытийбликования описания 31.05 5) Дата ностранцьт ообой, Гле ас Лзйерз(72) Авторы изобретен нежон Френсис и Никн Барри Куллензстзл Иносранц- я ,.псиаРКА Корпорей,гпф (США) 71) Заявитель 4) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗПИГАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕ КРЕМН 14 и2 ство кристалла, измсняютраметров роста, например Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных слоев кремния из газовой фаз 1 и может быть использовано в полупроволи и ко вой тех ни ке.Взаимодействия элементов в интегральных схемах можно избежать путем использования такой схемы, в которой каждое активное устройство занимает отдельный участок монокристаллического полупроводникового материала, осажденного на соответствующую изолирующую подложку. Удовлетворительным материалом для подложки под монокристаллпчсскис кремниевые слои признан монокристаллический сапфир или шпиндель (алюминат магния). Схему с такой подложкой называют КНСКНШ-схемой (кремний на сапфире или кремний пиш пи нели) .Однако па практике трудно изготовить трап зисторы в впле КНС/КНШ-изделий, у которых все электрические характеристики были бы такими же хорошими, как у транзисторов, изготовленных в виде изделий из одного кремния.,- Обнаружено также, что характеристики транзисторов в виде КНС/КНШ-изделий в широких пределах изменяются по мере изменения пари- метров роста кремниевых слоев, из которых они выполнены. Это является следствием того, что свойства наращенного кремниевого слоя, 25 пипризи р совершенсп с пзмспсппсм пакоро: гп рости.Прп п 1 оэпптакспальном выращивании низ кпс скорости роста обеспечивают лучшие кае гви кристалла, чем высокие, т. е. для получсш; оптимальных характеристик гетероэпигдкс: и п,пые слои кремния также должны осажти гьсч прп относительно низких скоростях рос.и.Олпико кроме совершества кристалла необхил .:о ) читывать другие факторы. Гетероэпитик чильп 11 с кремниевые слои обычно выращипик;т 1 опусканием смеси сплана 1 Н, и водорода пил нагретой подложкой пз сапфира плп и ппнсли 11 . Компоненты осаждения (вклоия кремний) реагируют с полложками и оо;.ии) ют гизаооразныс пролукты реакции, которые загрязняют кристаллический осадок, 1 ри низких скоростях роста продолжительное время вылержпванпя приводит к большей степени загрязнения.,),ругим фактором, который влияет па здгрязпеппе слоев, является температура выриппшиппя. Г 1 рп ее повышении повышаетсн впслреппе в слой загрязняющих примесей пзп иожкп.11 релпрпнпмались попытки свести к минпмучу сроблему самопроизвольного ироники.венин в слой примесей путем использования такой лизкой температуры и такой высокой скорости роста, которые были бы приемлемы в отношении 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 относительночалы, а время жизни неосновного носителя тока относительно продол жтельно. Наилучшие характеристики КНС/ КНШ-транзисторов были достигнуты при слоях толцьцной более 0,8 мкм. Олнако толщина эпцтаксцальцого слоя должна быть достаточно малой лля получения приемлемых электрических характеристик: прц уменьшенной толщине сникаются повреждения металлиза сиц по краям слоя, служацей контактом для подсоединения к электродам.Ке.тельно, чтооы осажденный на сапфир цлц шницель эгцтаксиальный кремниевый слой имел толщину порядка 0,5 мкм, что лает взмскнссть изготовлять хорошце транзисторы, характсристцкц которых це уступают характеристикам транзисторов, изготовленных на слоях толщиной в 1 мкм ц более. Одной цз причин трудности достижения этого прц скорости выращивания 2,0 мкммцн было то, что лля осаждения такого слоя, принимая во внимание перечисленные выше факторы, требовалось5 сек. Этого времени слишком мало лля воспроизводи мого управления скоростямц потока газа и концентрациямц прс необходимости изменения типа проводимости цлц концентрации носителя ца цоверхцсгетц раздела кремний-подложка.Цель цзоорсгеця сов гонт в уменьшецц загрязнения иол чаемого эпцтаксцального слоя кречня ц улучшения его кристаллической ст р укту р ь.Для этого предлагается осаждать сначала первую часть слоя толщиной 0,05 - 0,2 мкм прц средней скорости роста 4 - б чкм/мцн, а затем вторую часть слоя при скорости роста не оолее 0,5 мкм/мцн. Первую часть слоя целесообразно осаждать из сжатой под давлением смеси сцлаца ц водорода, а вторую часть слоя -- непосредственно за первой при более низком содержании силана в смеси, чем при осаждении первой части слоя. Для осаждения первой части слоя прелпочтительцю использовать смесь содержащую 4 - 6 об ч. водорода и 1 об ч.6/о-но.о сцлаца в волоро;сс, а лля осаждения второй части слоя - смесь, содержащую 45 5 о оозь волсрода ц 1 оо.ч. 6",о-цс.о силаа в водороде.На фиг.изображен реактор для осуществления прд,сагаемого снос оба, разрез; на фсг. 2 показана схема сстемы подачи и смешиваня газов.Предлагаемый способ получения эпитаксиальных слоев кремния может быть осуществлен с использованием рсактора как вертикального, так горизонтального типа. Ниже описывается ол ссествление сцосооа в вертикальном реакторе цилиндрического тсць Реактор (фиг. 1) имеет реакционную камеру 1 куюлообразной формы. Между внутренними 2 и наружными 3 стенками камеры чсже 1циркулировать вола лля охлаждения внутрен 5них стенок при работе камеры. Верх камерыснабжен каналом 4 для впуска газа.В камере 1 сверху подвешено днскообразноегазонаправляюшее устройство 5. Это устройст во располагается так, чтобы входящие газынаправлялись к стенкам камеры.Камера 1 установлена на полом основанииб, внутрь которого при помощи впускного 7и выпускного 8 каналов может подаваться вола.Внутри камеры 1 установлена подставка 9,вращающаяся на вертикальной оси 10 и изготовляемая, например, из углерода. Подставка имеет форму шестигранной усеченной призмы, у которой каждая из шести наклонныхповерхностей 11 снабжена буртом 12 для установки на нем обрабатываемой полупроволниковой подложки 13.Ось 10 установлена на вертикальном валу 14, помещенном внутри муфты 15 и снабженном подшипником 16. Нижний конец вала 14 снабжен шкивом 7, который приводится в движение через ременную передачу 1825 от двигателя 19 с регулируемой скоростью.При работе реактора подставка 9 медленновращается в циркулирующих через камеру 1газа х.Смесь реакционных газов (силан, водородзои легирующая примесь) поступает в реакционную камеру 1 из системы смешивания и подачи газов (фиг. 2).Система содержит три впускных трубопровода 20, 2 ц 22 для подачи легирующей причеси, силана и водорода соответственНо. Труэ 5 бопроводы 20, 21 и 22 снабжены соответственно устройствами 23, 24 и 25 лля регулированияпотока газа, распрелелительнычи клапанами 26,27 ц 28 ц регулирующими давление клапаначи :.;30 и 31.Бпускные 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 насадок 35,45 К выпускному трубопроводу 36, отходящему от насадка 35, подсоединен контрольныйклапан 37. Выпускной трубопровод 36 связанс отводным трубопроводом 38, выпуск газа цзкоторого регулируется выхлопным клапаном 39.Ответвление 40 соединяет выход контроль 5 о ного клапана 37 с каналом 4 лля выпуска газа в реакционную камеру 1 (фиг. 1).Другой впускной трубопровод 41 соединяетобщий выход второй группы впускных трубопроводов (на схеме не показаны) с трубопроводом 41 через контрольный клапан 42.Пример, Для осаждения эпцтаксиальногослоя кремния из смеси силана, водорода илегирующей примеси в две стадии исцользусот описанные выше вертикальный реактор исистему смешивания и подачи газов (длина60 подготовительной камеры 33 равна 12,7 сч, 612610диаметр - 5 см; диаметр выпускного насадка 35 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, представляющего 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 смз 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/см, 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 трубопровояцую систему от остальной части системы смешивания 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 выше стадии процесса открывают клапан 42 и в камеру 1 впускают смесь, содержащую 50 см водорода, содержащего 10 ч./млн, диборана или арсина, 500 см 6%-ного силана в водороде и 24000 смводорода. Этим обеспечивается дальнейший рост эпитаксиального,слоя кремния, но с гораздо меньшей скоростью.Вторая стадия роста продолжается в течение времени, неооходимого для получения желаемой толщины слоя кремния. Например, скорость роста может поддерживаться в пределах от 0,1 до 0,5 мкм/мцн, а общая толщина слоя может быть равна 0,5 мкм.На обеих стадиях могут вводиться одинаковые пли различные легцрующце примеси. На первой стадии может быть введено большое количество примеси, как это описано выше, В этом примере ца первой стадии введено примеси от 10до 10атомов/см, а на второй - около 10 атомов/см.щ Предложенный способ описан для случаяосаждения эпитаксиальцого слоя кремния на подложке из сапфира или шпинели. Однако его можно использовать везде, где существует опасность нежелательного внедрения загрязнений из подложки в осаждаемый кристаллический слой и появления в осажденном слое нежелательных свойств, так как проведение процесса в две стадии уменьшает загрязнение слоя цз подложки и улучшает его кристаллическую структурх.20формула изобретения1. Способ получения эпитаксиальных слоевкремния осаждением их на нагретой сапфиро- И вой 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 - 300,2 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, отличающиися тем, чтопервую часть слоя осаждают из сжатой под давлением смеси силана и водорода, а вторую у 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, чтодля осаждения первой части слоя используют смесь, содержащую 4 - 6 об.ч. водорода и 1 об.ч.40 6%-ного дилана в водороде, а для осаждения второй части слоя используют смесь, содержащую 45 - 55 об.ч. водорода и 1 об.ч.6%-ного силаца в водороде.Источники информации, принятые во внимание прц экспертизе:1. ,). Еес 1 гос 1 епг. Яос., 1970, 117, р. 812 -8 4.632610 ьски ов ССС НР 1 ИПИ Госу ствснного комитета Соелам изобретений исква, Ж, Раушс ка; Патент, г. Ужгород д. 4 й оскгная, 43035, Милиал ППП ул. Редактор Г.Заказ 3236/ Составитель В. БезТехред О. ЛуговаяТираж 964 родова Корректор И. Гокснч Подписное ета Миноткрыв ий