Способ диффузии фосфора из твердого источника при изготовлении полупроводниковых приборов

ОБРЕ Т 0 РСОМг С ТСЛЬСТ ЕНИ СОК)3 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ ССпг ОПИСАНИ(71) Киевский научно - исследовательский институт микроприборов Научно - производственного объединения "Микропроцессор"(56) Богдановский Ю.Н. и др. Твердые планарные источники для диффузии в технологии полупровод никовых приборов и ИС./Зарубежная электронная техника, 1982 (254), с.60.Бургер Р., Донован Р. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. - М.: Мир, 1969, с.288.(54) СПОСОБ ДИФФУЗИИ ФОСФОРА ИЗ(51) б Н О 1 . 21 225 ТВЕРДОГО ИСТОЧНИКА ПРИ ИЗГОТОВЛПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(57) Изобретение относится к электроннойв частности к способам диффузии фосизготовлении силовых полупроводниковыров. Сущность изобретения: способ дфосфора из твердого источника предназнповышения выхода годных полупровоприборов с высоколегированными диффуобластями и-типа за счет исключения загметаллическими примесями формируемыхна кремниевых пластинах что достигаетсязованием в качетсве твердого источникапирофосфата кремния с дисперсностью 0мкм. 2 табл. технике, фора при х прибоиффузии ачен для дниковых ионными рязнения структур испольпорошка 5 - 100Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам диффузии фосфора для создания высоколегированных областей п-типа при изготовлении силовых полупроводниковых приборов: силовых би полярных и полевых транзисторов, силовых модулей, преобразователей.Цель изобретения - повышение процента выхода полупроводниковых приборов с высоколегированными диффузионными об ластями и-типа за счет снижения загрязнения металлическими примесями структур на кремниевых пластинах.Применение в заявляемом способе при диффузии фосфора в качестве твердого ис точника порошка пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5-100 мкм является новым и существенно отличает предложенное техническое решение по способу диффузии фосфора из твердого источника в замкнутом 20 объеме от аналогов и прототипа.Сущность изобретения состоит в использовании для проведения диффузии фосфоросодержащего вещества - порошка пирофосфата кремния, обладающего иск лючительными свойствами и обеспечивающего создание высоколегированного диффузионного слоя и-типа при исключении его загрязнения металлическими примесями, 30В заявляемом техническом решении кварцевая кассета с кремниевыми пластинами и твердым источником фосфора - порошком пирофосфата кремния в испарителях на кассете вводится в потоке 35 азота в реакционную зону кварцевого реактора, где создается замкнутый объем.Г 1 осле загрузки кварцевого носителя с пластинами и вкладышем в реакционную зону печи отключается подача азота, вклю чается нагрев печи до рабочего температурного уровня. При этом одновременно происходит два процесса; разряжение инертного газа в полузамкнутом объеме эа счет постепенного его выхода из полузамк нутого объема и одновременное заполнение этого объема парами пятиокиси фосфора Р 205, выделяющейся при разогреве порошка пирофосфота кремния при температурах выше 850 С в соответствии с 50 уравнением реакции;51 Р О - э Р О +510г 7 гв г Выделяющаяся пятиокись фосфора вза имодействует с поверхностью кремниевых пластин, расположенных в кварцевой кассете в полузамкнутом объеме с образованием равномерного фосфорносиликатного стекла, иэ которого происходит диффузия фосфора в кремний, и образование диффузионной области. Кремниевые пластины вкассете выдерживают на рабочей температуре в течение необходимого времени, Затем производится охлаждение печи содновременной подачей нейтрального газадля выдувания паров Рг 05 и выгрузка кварцевой кассетой из печи,Используется смесь ингредиентов длятого, чтобы произошло спекание материалаисточника в виде сплошного диска, либо дляспекания диффузанта с кремниевой пластиной.Используемый в качестве твердого источника порошок пирофосфата кремнияимеет преимущество в том, что он изготовлен на основе высокотемпературного вещества двуокиси кремния 5102, которое ненаходится в жидком состоянии и не испаряется при температурах диффузии, а также неявляется металлической примесью и щелочью, которое оказывает негативное влияние на качество р-и переходов и ухудшаетстабильность полупроводниковых приборов при внедрении этой примеси в диэлектрик,Порошок пирофосфата кремния ЯР 207обладает исключительными свойствами длядиффузии в замкнутом объеме;1. Содержит фо сфор н ы й а н гидрид Р 205до 70.2. начинает разлагаться при низкой температуре 800 С, что способствует обеспечению достижения низкого удельногоповерхностного сопротивления до 0,5 - 0,6Омlо, так как в момент нагрева при отключении потока инертного газа выделяющиесямолекулы Р 205 быстро заполняют объем реакционной камеры и образуют слой ФСС свысокой концентрацией фосфора.3, Обеспечивает воспроизводимый истабильный уровень легирования диффузионных слоев (интенсивность разложенияБР 207 зависит от величины температуры идлительности процесса) для выбранных режимов технологических процессов в диапазоне 1100 С, поскольку расплавлениеЯРг 07 происходит при температурах1350 С.Способ предназначен для создания высоколегированных диффузионных и-областей на высоких температурах 1100 С, накоторых, как правило, твердые планарныеисточники диффузии фосфора не используются из-за термомеханического их разрушения либо из-эа быстрого истощения. Крометого заявляемый способ имеет преимущество перед способом диффузии из жидких источников РОСз и РС 1 з, которыесопровождаются внедрением в формируе 1829758мый диффузионный слой высокой концентрации электрически неактивной примеси, что приводит к возрастанию механических напряжений в диффузионном слое и образованию высокой плотности дислокаций, что приводит к ухудшению электрических параметров диффузионных структур.Способ осуществляется следующим образом.П р и м е р 1, В кварцевую кассету устанавливают 10 контрольных кремниевых пластин диаметром 76 мм с эпитаксиальным слоем 250 кэф 0,01, толщина эпитаксиального слоя х 1=250 мкм, п-тип легированный фосфором, удельное сопротивление эпитаксиального слоя 0,01 (Ом/см), в который произведена диффузия галлия и создан диффузионный слой р-типа, удельное поверхностное сопротивление рваа = 80 Ом/и; хасэ са = 40 мкм. В испарители, расположенные в начале и в конце кварцевой кассеты, устанавливают кварцевые стаканчики диаметром 1,5 см с насыпанным твердым источником диффузии фосфора порошком пирофосфата кремния (ЯР 20 т) в количестве 0,7 г с определенным размером порошинок. Кварцевый носитель загружают в реакционную зону кварцевой трубы диффузионной печи с температурой 850 С в потоке азота с расходом Иг = 250 л/ч, где создается замкнутый объем. После загрузки поступление газа отключают и производят нагрев кассеты со скоростью 8 С/мин до рабочей температуры, Производят выдержку на этой температуре необходимое время, а затем включают продувку трубы с азотом с расходом 250 л/ч и охлаждают реакционную зону до температуры 850 С. Затем выгружают кварцевую кассету. После охлаждения удаляются из кассеты кварцевые пластины. На них производится измерение толщины фосфоросиликатного стекла (Ьфос), а после стравливания ФСС р в 5 точках на каждой пластине и толщина слоя (Х 1 р) в 2 точках.Твердый источник фосфора - пирофосфат кремния удаляется из испарителя в отходы, Перечень выполняемых процессов на различных температурах с использованием диффузанта с различными размерами порошинок, а также результаты измерения среднего значения удельного поверхностного сопротивления в партии пластин - р Ом/и, разброса среднего значения удельного поверхностного сопротивления в партии пластин Лр , и средних значений в партии глубины диффузионного слоя хр и толщины фосфорносиликатного стекла Ьфсс 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 представлены в табл.1 (пример 1, процессы НЦ.П р и м е р 2 (по прототипу), Производят процессы диффузии 12, 13, 14 в контрольные кремниевые пластины и дальнейшие измерения проводят как в примере 1, только в каждый испаритель на кварцевой кассете насыпают 0,9 твердого источника диффузии фосфора - порошок прозрачного стекла, состоящего из смеси РОь и СаО, который получен путем перемешивания Р 20 б в соотношении т.ч. 1:1, спекания при температуре 900 С в течение 1,5 ч в атмосфере сухого Нр и последующего помола, Результаты измерения параметров представлены в табл.1,П р и м е р 3 (по аналогу), В кварцевые кассеты устанавливают кремниевые пластины, как в примере 1 через один паз, а между ними 9 твердых планарных источников фосфора. Источники изготавливают путем вытравливания ячеек к кремниевой пластине, термическом окислении для создания двуокиси кремния толщиной 0,92 мкм, нанесении порошка пятиокиси фосфора на поверхность, отжиге при 900 С в аргоне, нанесении на поверхность легирующей примеси плазмохимического окисла толщиной 0,6 мкм и проведении отжига при оптимальных различных температурах Т) и времени отжига т, которые соответственно используются для различных термических процессов, Для процесса 14 Т = 1100 С, 1 = =6 мин; 15 и 16 - Т =1150 С, 1=4 мин; 17 - Т = 1200 С, 1 = 3 мин. Далее проводят процессы 15, 16, 17, 18, как в примере 1, с использованием раздельных партий кремниевых пластин и различных отдельных партий твердых планарных источников фосфора.Результаты измерений приведены в табл.1,П р и м е р 4. В две кварцевые кассеты с испарителями в начале и в конце кассеты устанавливают 100 рабочих кремниевых пластин диаметром 76 мм (в каждую по 50 шт. пластин) с формируемым силовым модулем, представляющим собой тройной транзистор Дарлингтона. В этих кремниевых пластинах имеется эпитаксиальный слой птипа и созданы базовые области р-типа биполярных транзисторов с параметрами базы как в примере 1 (после диффузии галлия), в которых вскрыты эмиттерные области для диффузии фосфора. В испарители на кварцевых кассетах насыпают порошок пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5- 100 мкм,Далее процесс производят как в примере 1, с выдержкой на рабочей температуре55 1150 С в течение 3 ч, а затем после выгрузки кремниевых пластин дальнейшие технологические операции для создания силовых модулей; вскрытию контактных окон под алюминий, нанесение алюминия и фотолитографии по алюминию, защита поверхности модулей; резка пластин на кристаллы, контроль и сборка. После сборки производится проиэвоЯьная выборка контрольной партии силовых модулей в количестве 50 шт. из партии, измерение в выборке параметров граничного напряжения коллекторэмиттер Окэ,гр, и определение средней величины этого параметра Окэ.гр., проведение измерений Окэ.гр, по всей партии и определение распределения силовых модулей по 3 группам:- Окэ.гр.4508 П Окэ,гр. = =450-700 В;- Ккэ.гр.700 В, определение процента выхода годных по этому параметру в партии К 1 Окэ.гр,, при норме годных Окэ.гр. 450 В, определение процента выхода годных в паРтии Кэл.п .эпРи измеРении остальных электрических параметров; максимально допустимого постоянного напряжения коллектор-эмиттер при Оэб = 39 при разомкнутой цепи базы, максимально допустимого постоянного тока коллектора, максимально допустимого импульсного тока коллектора, статистического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером напряжение. насыщения коллектор-эмиттер и др. и общего процента, Процент выхода годных силовых модулей Кгбщ, после измерения приведен в табл,2 (процесс 19),П р и м е р 5 (по прототипу). Производят процесс эмиттерной диффузии в 100 рабочих кремниевых пластин диаметром 76 мм с формируемым силовым модулем и дальнейшие технологические операции и измерения как в примере 4, только в каждый испаритель на кварцевой кассете насыпают 2,0 г порошка прозрачного стекла, состоящего из смеси Р 205 СаО, приготовленного как в примере 2. Результаты измерений приведены в таблице 2 (процесс 20). Температура, длительность процессов, размер порошинок диффуэанта, а также проведение процессов в контрольные кремниевые пластины с формируемым диффузи- онныМ слоем по всей поверхности пластин и в рабочие кремниевые пластины с изготавливаемыми силовыми модулями выбраны из условий определения диапазона характеристик процесса для эффективной диффузии фосфора и сравнительного определения влияния процессов на процент выхода годных силовых модулей,10 15 20 25 30 35 40 45 50 Режимы и характеристики процессов по примерам, а также измеряемые параметры на контрольных (примеры 1, 2, 3), и рабочих кремниевых пластинах с силовыми модулями (примеры 4, 5) представлены в табл.1 и 2,При температуре 1100 С и выше (процессы 1, 4, 5, 8, 9, 10, 11) при размерах порошинок диффузанта 0,5 - 100 мкм ооеспечивается однородная диффузия фосфора в кремниевые пластины с разбросом не выше +10 и высокая воспроизводимость диффузии от процесса к процессу(процессы 4, 5), При размере порошинок 0,5 - 100 мкм достигается наиболее высокий уровень легирования (процессы 4, 5), который снижается при уменьшении размеров порошинок 0,5 мкм (процессы 2, 3) и увеличения порошинок до 100 - 200 мкм (процессы 6, 7),Понижение удельного поверхностного сопротивления диффузионного слоя при уменьшении порошинок (0,5 мкм) и увеличении до 100 - 200 мкм происходит в первом случае вследствие спекания порошинок на поверхности и в объеме диффузанта, а во втором случае в результате снижения площади поверхности активного вещества. При этом также наблюдается плохая воспроизводимость диффузионного слоя от процесса к процессу из-за нестабильности разложения этих смесей вследствие укаэанных причин (процессы 2, 3 и процессы 6, 7).Таким образом, оптимальными размерами порошинок пирофосфата кремния являются 0,5-100 мкм, а рекомендуемой температурой для проведения диффузии по заявляемому способу1100 С. Способ в диапазоне температур позволяет получать высоколегированные диффузионные слои птипа с удельным поверхностным сопротивлением 2,7-0,5 Ом/г 1 в диапазоне температур 1100-1250 С. Применяемый порошок пирофосфата кремния не разлагается полностью даже при проведении процессов диффузии по примерам 9 и 11, После этих процессов тот же порошок можно использовать по крайней мере еще для одного процесса. При меньших температурах и длительностях - для 3-4 процессов. Однако из-за малого количества используемого порошка на каждом процессе и низкой стоимости порошка, а также для снижения разброса рэ от процесса к процессу рекомендуется одноразовое использование порошка.При использовании в качестве диффузанта порошинок твердого стекла, состоящего. из смеси СаО и Р 205 (примеры 2, процессы 12 - 14), достигается тот же уро 1829758 10вень легирования, что и при использовании пирофосфата кремния.При создании диффузионного слоя и-типа с использованием твердых планарных источников диффузии фосфора в замкнутом обьеме (пример 3, процессы 15, 16, 17, 18) установлено, что использование способа с их применением позволяет получать диффузионные слои и-типа только со значениями удельного поверхностного сопротивления 2,3 - 4,0 Ом/и при температурах 1100 - 1200 С. Причем применение этих источников возможно только для однократного процесса поскольку при повторных процессах на тех же температурах регистрируется возрастание величин удельного поверхностного сопротивления в 2 - 4 раза, В связи с однократностью применения планарных источников для получения р = =2,3 - 4,0 Ом/ с 1 резко в сотни раз возрастет стоимость процесса диффуузии, поэтому способ неприемлем для производства по сравнению с заявляемым способом.Способ по аналогу не позволяет получать при температурах 1100-1200 С низкие величины удельного поверхностного сопротивления р2 Ом/д . Это обусловлено низким содержанием менее 20% пятиокиси фосфора в несвязанном виде в диффузанте, которым является плазмохимический окисел легированный пятиокисью фосфора (902 х Р 205), быстрого испарения избытка Р 205 в процессе диффузии и низкого давления пятиокиси фосфора, создаваемого в реакционной зоне.Сравнительные результаты определения влияния заявляемого процесса диффузии (пример 4, процесс 19) и по прототипу (пример 5, процесс 20) при изготовлении силовых модулей при Т = 1150 С в течение 3 ч как при процессе 9 указывают на значительное преимущество использования порошка пирофосфата кремния, При этом повышается среднее значение граничного напряжения коллектор-эмиттер Окэ.гр, в 1,35 раза, повышается процент выхода годныхТаблица 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 при измерении остальных электрических параметров Кэ.п и общий процент выхода годных силовых модулей в 1,5 раза.Значительное понижение процента выхода годных при использовании способа по прототипу объясняется тем, что при проведении диффузии из порошка твердого стекла, состоящего из смеси СаО и Р 205, происходит испарение и восстановление СаО и поступление металлического кальция в образуемые пленку фосфорно-силикатного стекла при кремниевых пластинах и в диффузионный слой п-типа, в процессе диффузии фосфора, Диффузия металлического кальция в кремний проявляется в виде повышения плотности структурных дефектов в 1,5 - 2,5 раза на поверхности эмиттерной и базовой областей транзисторов по сравнению с образцами, изготовленными по заявляемому способу, которые выявляются после стравливания фосфорно-силикатного стекла и селективного травления кремния, Высокая концентрация металлической примеси и структурных дефектов в кремнии приводят к возникновению микроплазмы в и-р переходах, снижению граничных напряжений коллектор-эмиттер, повышению утечек и ухудшению других электрических параметров.В заявляемом способе в порошке пирофосфата кремния металлические примеси составляют всего 10 мас. , что отвеча ет материалу особой чистоты, кроме того, порошок пирофосфата кремния при исследованных температурах до 1250 С не расплавляется и не испаряется, а только разлагается с выделением Р 205, о чем свидетельствует наличие остающихся порошинок в кварцевых стаканчиках после проведения процессов. В результате при проведении диффузии загрязнение кремния металлическими примесями не происходит, значительно улучшается качество и процент выхода диффузионных структур силовых модулей, изготовленных с применением заявляемого способа.1829758 12 Продолжение табл. 1 Г 1 ример Процесс Длительностьь процесса, чТемпература процесса, С Размер пороши нок диффузанта, мкмТаблица 2 диффузии в замкнутом обьеме, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных полупроводниковых с высоколегированными диффузионными областями и - типа за счет исключения загрязнения металлическими примесями формируемых структур на кремниевых пластинах, в качестве твердого источника используют порошок пирофосфата кремния с дисперсностью 0,5 - 100 мкм. Формула изобретенияСПОСОБ ДИФФУЗИИ ФОСФОРА ИЗ ТВЕРДОГО ИСТОЧНИКА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, включающий размещение в кварцевой кассете кремниевых пластин и испарителей с твердым источником фосфора, загрузку кассеты в рабочую зону кварцевого реактора и проведение Составитель В,ДенисюкТехред М.Моргентал Корректор Н,Бобкова Редактор О.Стенина Заказ 272 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1150 1150 1150 1150 1200 ф 12501100 1150 1200 1100 1150 1150 1200 1 1 2 3 1 1 1 3 1 1 1 3 1 100-200 100-200 0,5-100 0,5-100 0,5-100 0,5-100 0,5-100 0,5-100 0,5-100 2,5 2,9 1,2 0,8 0,6 0,5 2,6 1,8 0,6 3,9 3,2 2,7 2,3 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 4,6 4,1 7,9 10,1 7,8 12,5 2,9 4,7 11,0 2,7 3,8 7,3 5,6 0,18 0,11 0,30 0,36 0,32 0,37 0,18 0,21 0,31 0,15 0,17 0,23 0,19