PL120490B3 - Method of operation of the process of epitaxy of silicon from gaseous phase,especially on silicon substrate gazy,osobenno na kremnievojj podlozhke - Google Patents

Description

Opis patentowy opublikowano: 31.01.1984 120490 Int. Cl.3 HOIL 21/205 C30B 25/02 CZYTtLNlAl iirtcón Potentowecio 1 Twórcy wynalazku: Jerzy Borkowicz, Jerzy Koree, Elzbieta Nossarzewska-Orlowska Uprawniony z patentu: Instytut Technologii Materialów Elektronicznych Warszawa (Polska) Sposób prowadzenia procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej, zwlaszcza na podlozu krzemowym Wynalazek dotyczy sposobu okreslania" parame¬ trów technologicznych procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej gwarantujacych monokrystaliczna strukture nanoszonej warstwy i optymalnych pod katem uzyskania skokowego zlacza epitaksjalnego typu p—n lub 1—h.W dotychczasowym stanie techniki wiadomo, ze wykonanie skokowego zlacza epitaksjalnego wy¬ maga minimalizacji czasu trwania procesu oraz temperatury podloza epitaksjalnego, przy czym czas trwania procesu okreslony jest wymagana gruboscia warstwy epitaksjalnej oraz szybkoscia jej wzrostu zalezna od stosowanych stezen rea¬ gentów i temperatury podloza epitaksjalnego, jak zostalo to przedstawione w polskim opisie patento¬ wym nr 116691, w którym opisano sposób pro¬ wadzenia procesu epitaksji polegajacy na przeply¬ wowym przeprowadzeniu gazu nosnego zawiera¬ jacego zwiazek krzemu, korzystnie wodoru zawie¬ rajacego SiCl4 przez chlodzona komore reakcyjna, w której znajduje sie plytka podlozowa zwlaszcza krzemowa podgrzewana do wysokiej temperatury a gaz nosny zawierajacy zwiazek krzemu jest wpro¬ wadzony do komory reakcyjnej w temperaturze niskiej, korzystnie pokojowej i w komorze reakcyj¬ nej podgrzewa sie zasadniczo od plytki podlozowej do temperatury o okolo kilkaset stopni Kelwina nizszej od temperatury podloza, po czym redukuje sie zwiazek krzemu zawarty w gazie nosnym i osadza sie monokrystaliczna warstwe krzemu na 10 19 20 23 Z plytce podlozowej, oraz na tym, ze plytka podlo¬ zowa znajduje sie w temperaturze 1223—1393 K, korzystnie 1323—1373 K, temperatura gazu nosnego i zav irtego w nim zwiazku krzemu jest od okolo 573 K do 873 K nizsza od temperatury podloza, a stezenie zwiazku krzemu w gazie nosnym wynosi od 0,0005 do 0,0125 ulamka molowego, predkosc prze¬ plywu gazu przeplywajacego przez komore wynosi od okolo 50 do okolo 220 litrowi/minute, a wolny przekrój poprzeczny komory wynosi od okolo 20 do okolo 100 cm2, co okresla predkosc wzrostu warstwy epitaksjalnej na 0,1—0,7 [im/minute, przy czym korzystnie jest jesli parametry prowadzenia procesu sa zwiazane zaleznoscia v-i= [A0+A1 exp (K/T)] C-H-A, exp (K/T) okreslajaca zasadniczo temperature podloza i szyb¬ kosc wzrostu epitaksjalnego, a takze sa zwiazane zaleznoscia: C< 1 \ exp (K/T) J A2 exp (K2/T) [ Ax exp (K/T) okreslajaca zasadniczo temperature podloza i ste¬ zenie zwiazku krzemu w gazie, w których to za¬ leznosciach v oznacza szybkosc wzrostu epitaksjal-, nego w |im na minute, T oznacza temperature podloza w stopniach Kelwina, C wyrazone w °/o oznacza ulamek molowy zwiazku krzemu w gazie, A0 jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od wymiarów i ksztaltu komory reakcyjnej wynosza- 120 490120 490 Cym od 0,1 do 0,6, Ax jest wspólczynnikiem em¬ pirycznym zaleznym od rodzaju redukowanego zwiazku krzemu, rodzaju podloza i sredniej tem¬ peratury gazu nosnego nad powierzchnia plytki podlozowej i wynosi od 5*1012 do 1 • 10—8, Kx jest 3 wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od ro¬ dzaju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wynosi od 20* 103 do 32* 103, K^ jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodza¬ ju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju 10 podloza i wynosi od 17-103 do 25*103, A^ jest wspól¬ czynnikiem empirycznym zaleznym od rodzaju po¬ dloza i wynosi od 10~M do 10-7 a skrót exp jest oznaczeniem funkcji eksponencjalnej.W niniejszym zgloszeniu podano sposób okresle- 25 niV maksymalnej zwartosci szybkosci wzrostu war- - stwy, dla danej femperatury podloza, która gwa¬ rantuje jesz/cze jiionokrystaliczna strukture nano¬ szonej warstwy- epitaksjalnej i z tego wzgledu *nie rfitffe fcyc przekraczana: 20 (1) V 1 2;A2;exp(K2/T) f A^eKpCK/T) I V_= /A0 Kd-K2 ^ [Aj-exp(K/T 1 \ w 2-A2-exp(K2/Top) COp=2'A0-Vop 25 We wzorze V oznacza szybkosc wzrostu epitak- w sjalnego w yan na minute, Vkr oznacza krytyczna szybkosc wzrostu, T oznacza temperature podloza w stopniach Kelwina, a A0, Av Kv A2 K2 ozna¬ czaja wspólczynniki empiryczne dobierane dla da- 2o nego urzadzenia do epitaksji wedlug patentu nr 116691.Ze wegledu na koniecznosc minimalizacji czasu -trwania procesu i temperatury podloza oczywistym jest, ze optymalna szybkosc wzrostu warstwy znaj- 35 duje sie na rysunku przedstawiajacym zaleznosc szybkosci wzrostu warstwy V od temperatury pod¬ loza T na linii krytycznej szybkosci wzrostu Vkr.Jednakze, nie znany jest prosty sposób ustalenia temperatury podloza Top okreslajacej optymalna 4Q szybkosc wzrostu warstwy epitaksjalnej Vop. W tym celu nalezy przeprowadzic skomplikowana optyma¬ lizacje numeryczna, która powinna podlegac pra¬ cochlonnej weryfikacji doswiadczalnej.Istota wynalazku polega na sposobie ustalenia 4g temperatury podloza Top, okreslajacej optymalna szybkosc wzrostu warstwy Vop, poprzez wykresle¬ nie na rysunku przedstawiajacym zaleznosc loga- rytrriu krytycznej szybkosci wzrostu Vkr od odwrot¬ nosci temperatury podloza T-1 stycznej o nachy- 5Q leniu równym Kd odpowiadajacym energii akty¬ wacji dyfuzji w krzemie domieszki tworzacej zla¬ cze epitaksjalne. Optymalne parametry procesu epitaksji, dla danego urzadzenia, podlegaja wiec nastepujacym zaleznosciom: ^p"" y 55 (2) (3) 00 (4) (5) gdzie: Top oznacza optymalna temperature podloza wyrazona w stopniach Kelwina, V oznacza opty¬ malna szybkosc wzrostu warstwy w jjim na minute, Cop oznacza optymalny ulamek molowy zwiazku krzemu w gazie", top oznacza optymalny czas wzro¬ stu warstwy, d oznacza wymagana grubosc war¬ stwy epitaksjalnej, Kd oznacza energie aktywacji dyfuzji domieszki tworzacej zlacze epitaksjalne podzielona przez stala Boltzmana, a A0, Av Kv A2 i K2 oznaczaja wspólczynniki empiryczne do¬ brane dla danego urzadzenia do epitaksji wedlug patentu nr 116691.Przykladem zastosowania wynalazku jest usta¬ lenie optymalnych parametrów procesu epitaksji krzemu, w którym ma byc otrzymane zlacze epi¬ taksjalne n—n+ utworzone przez antymon bedacy domieszka w podlozu epitaksjalnym. Sposób po¬ stepowania przedstawiony zostal na rysunku. Po dobraniu wspólczynników zastepczych dla danego urzadzenia do epitaksji: A0, Alf Kr Aj i K2, wedlug patentu nr 116691 i okresleniu w ten spo¬ sób zaleznosci szybkosci wzrostu. V od parametrów technologicznych procesu orax krytycznej szybko¬ sci wzrostu Vkr od temperatury podloza T zostala wykreslona prosta, o nachyleniu Kd odpowiada¬ jacym energii aktywacji dyfuzji antymonu w krze¬ mie, styczna do linii Vkr.Punkt stycznosci okresla optymalne parametry procesu epitaksji poprzez zaleznosci (2, 3, 4, 5).Dopuszczalne jest stosowanie temperatur podlozy z zakresu od TQp —20° do temperatury TQp +30° przy uwzglednieniu warunku, aby szybkosc wzro¬ stu warstwy byla mniejsza od krytycznej szyb¬ kosci wzrostu Vkr, czyli znajdowala sie na rysun¬ ku wewnatrz obszaru zakreskowanego. Stosowanie szybkosci wzrostu mniejszych od Vkr zmniejsza skokowosc zlacza lecz zmniejsza równiez czulosc szybkosci wzrostu warstwy na róznice temperatury podloza, a wiec poprawia rozklad grubosci warstw nanoszonych na podloza, a wiec w róznych miej¬ scach grzejnika. PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób prowadzenia procesu epitaksji krze¬ mu z fazy gazowej, zwlaszcza na podlozu krzemo¬ wym przez redukcje zwiazku krzemu wprowadzo¬ nego do komory reakcyjnej wraz ze strumieniem wodoru, polegajacy na przeplywowym przeprowa¬ dzaniu gazu nosnego zawierajacego zwiazek krze¬ mu, korzystnie wodoru zawierajacego SiCl4 przez chlodzona „ komore reakcyjna, w której znajduje sie plytka podlozowa zwlaszcza krzemowa podgrze¬ wana do wysokiej temperatury a gaz nosny zawie¬ rajacy zwiazek krzemu jest wprowadzany do ko¬ mory reakcyjnej w temperaturze niskiej, korzyst¬ nie pokojowej i w komorze reakcyjnej podgrze¬ wa sie zasadniczo od plytki podlozowej do tempe¬ ratury o okolo kilkaset stopni Kelwina nizszej od temperatury podloza, po czym redukuje sie zwia¬ zek krzemu zawarty w gazie nosnym i 'osadza sie monokrystaliczna warstwe krzemu na plytce pod¬ lozowej, oraz na tym, ze plytka podlozowa znaj¬ duje sie w temperaturze 1223—1393 K, korzystnie 09 *9 1323—1373 K} temperatura gazu nosnego i rzystnie atwar-120 490 ft tego w nim zwiazku krzemu jest od okolo 573 K do 873 K nizsza od temperatury podloza, a stezenie zwiazku krzemu w gazie nosnym wynosi od 0,005 do 0,0125 ulamka molowego, predkosc przeplywu gazu przeplywajacego przez komore wynosi od 5 okolo 50 do okolo 200 litrów/minute, a wolny prze¬ krój poprzeczny komory wynosi od okolo 20 do okolo 100 cm2, co okresla predkosc wzrostu war¬ stwy epitaksjalnej na 0,1—0,7 ^m/minute, przy czym korzystnie jest jesli parametry prowadzenia 10 procesu sa zwiazane zaleznoscia: v-i= [A0+Ai exp (K/T)] C-i+A2 exp (K2/T) okreslajaca zasadnicza temperature podloza i szyb¬ kosc wzrostu epitaksjalnego, a takze sa zwiazane 15 zaleznoscia: An C< [¦—-—l 20 A2 exp (K2/T) okreslajaca zasadniczo temperature podloza i ste zenie zwiazku krzemu w gazie, w których to za¬ leznosciach v oznacza szybkosc wzrostu epitaksjal¬ nego w \im na minute, T oznacza temperature podloza w stopniach Kelwina, C wyrazona w •/• oznacza ulamek molowy zwiazku krzemu w gazie, ** A0 jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od wymiarów i ksztaltu komory reakcyjnej wyno¬ szacym od 0,1 do 0,6, Ax jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodzaju redukowanego zwiazku krzemu, rodzaju podloza i sredniej tempe¬ ratury gazu nosnego nad powierzchnia plytki pod¬ lozowej i wynosi od 5«10-12 do ll10_B, Kx jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodza¬ ju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wynosi od 20- IG8 do 32-103, K2 jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodza¬ ju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju pod¬ loza i wynosi od 17* 103 do 25*103, A2 jest wspólczyn¬ nikiem empirycznym zaleznym od rodzaju podlo¬ za i wynosi od 10-10 do 10~7 a skrót exp jest oznaczeniem funkcji eksponencjalnej, wedlug pa¬ tentu nr 116691 znamienny tym, ze temperatura (Top) powierzchni podloza epitaksjalnego dobierana jest w zaleznosci od rodzaju domieszki tworzacej zlacze epitaksjalne na podstawie zaleznosci: J_ = J_ .ln (h*_ Kd~K2 \ Top Kx 'n \AX 'k^-Kz+kJ w której Kd oznacza energie aktywnosci dyfuzji domieszki podzielona przez stala Boltzmana, A0, Aj, Kr K2 oznaczaja wspólczynniki empiryczne dobrane dla danego urzadzenia do epitaksji.
2. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze stosowana temperatura podloza miesci sie w za¬ kresie temperatur od TQp —20° do temperatury op T_ +30°, PL