RU2275711C2

RU2275711C2 - Method for gas-phase growth of epitaxial silicon layer

Info

Publication number: RU2275711C2
Application number: RU2004119544/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валерьевич Зиновьев (RU); Дмитрий Валерьевич Зиновьев; Константин Анатольевич Тузовский (RU); Константин Анатольевич Тузовский
Original assignee: ГОУ Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-04-27
Also published as: RU2004119544A

Abstract

FIELD: silicon technology for producing semiconductor device structure.

SUBSTANCE: proposed method for gas-phase growth of epitaxial silicon layers involves set-up of temperature gradient in each range of substrates affording temperature of top parts of substrates lower by 10 K than that of bottom parts; growth is conducted at temperature lower by 10 - 20 K than pre-etching and annealing temperature, temperature drop-and-rise cycle by 50 - 100 K being conducted in beginning of epitaxial silicon layer growth process.

EFFECT: reduced self-doping level in growing epitaxial layers, enhanced uniformity of layer surface area and thickness, enhanced yield from each wafer, reduced computer time requirement.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике, более конкретно - технологии полупроводникового кремния, и может быть использовано при получении структур для биполярных интегральных схем, силовых транзисторов и диодов Шоттки. Одним из главных требований к этим структурам является однородность концентрации носителей по площади и толщине слоев, которую особенно трудно обеспечить при наращивании слоев на подложках, сильно легированных примесями, образующими легколетучие соединения, в первую очередь - мышьяка и бора.The invention relates to semiconductor technology, and more specifically to semiconductor silicon technology, and can be used to obtain structures for bipolar integrated circuits, power transistors, and Schottky diodes. One of the main requirements for these structures is the uniformity of the carrier concentration over the area and thickness of the layers, which is especially difficult to achieve when layers are grown on substrates heavily doped with impurities that form volatile compounds, primarily arsenic and boron.

При наращивание эпитаксиальных слоев кремния наиболее распространенным промышленным методом является газофазный, осуществляемый в вертикальном реакторе с вращающимся пьедесталом типа бочка и индукционным нагревом.When building epitaxial silicon layers, the most common industrial method is gas phase, carried out in a vertical reactor with a rotating pedestal like a barrel and induction heating.

В этом процессе автолегирование слоев за счет переноса примеси их подложки приводит к размытию границы слой-подложка, что вызывает снижение пробивного напряжения изготавливаемых на таких структурах силовых приборов. Кроме того, автолегирование в силу его неуправляемого характера происходит неравномерно по площади растущего слоя, что отражается как снижение выхода годных структур при эпитаксии.In this process, auto-alloying of layers due to the transfer of impurities of their substrate leads to a blurring of the layer-substrate boundary, which causes a decrease in the breakdown voltage of power devices manufactured on such structures. In addition, due to its uncontrolled nature, auto-alloying occurs unevenly over the area of the growing layer, which is reflected as a decrease in the yield of suitable structures during epitaxy.

Важным конструктивным фактором, влияющим на величину автолегирования, является наличие в пьедестале сферической выемки для каждой подложки в виде сферы, так что между подложкой и пьедесталом создается зазор в 100-200 мкм. Его назначение - обеспечить равномерную температуру по площади пластины.An important constructive factor affecting the amount of self-doping is the presence in the pedestal of a spherical recess for each substrate in the form of a sphere, so that a gap of 100-200 μm is created between the substrate and the pedestal. Its purpose is to ensure uniform temperature across the plate area.

Известен способ снижения уровня автолегирования за счет покрытия обратной стороны подложек пленкой оксида, нитрида кремния или его оксинитрида /1/.A known method of reducing the level of self-doping by coating the back of the substrates with a film of oxide, silicon nitride or its oxynitride / 1 /.

Пленка наносится одним из известных методов в специальном реакторе на стадии обработки подложек, и поскольку избежать ее осаждения также и на рабочую сторону невозможно, операция проводится еще до полировки рабочей стороны.The film is applied by one of the known methods in a special reactor at the stage of processing the substrates, and since it is also impossible to precipitate it on the working side, the operation is carried out before polishing the working side.

Недостатком этого способа является неизбежное нарушение защитного покрытия в краевой зоне, которое усугубляется в результате термоударов в реакторе и проявляется как отслаивание и растрескивание.The disadvantage of this method is the inevitable violation of the protective coating in the edge zone, which is exacerbated by thermal shock in the reactor and manifests itself as peeling and cracking.

Другой способ, принятый нами за прототип, состоит в наращивании поликремния на обратную сторону подложки в ходе процесса непосредственно в эпитаксиальном реакторе по сэндвич-механизму /2/.Another method adopted by us for the prototype is to build polysilicon on the reverse side of the substrate during the process directly in the epitaxial reactor by the sandwich mechanism / 2 /.

Недостатки способа, принятого нами за прототип, состоят в следующем:The disadvantages of the method adopted by us for the prototype are as follows:

1. Поскольку транспортный зазор между источником кремния и торцевой частью пластины значительно больше, чем между ним и плоской частью, толщина покрытия торцов (фаски) оказывается меньшей, т.к. сэндвич-процесс менее эффективен. Кроме того, класс предварительной обработки фаски ниже, чем плоскости. И то, и другое приводит с снижению качества защиты в целом.1. Since the transport gap between the silicon source and the end part of the plate is much larger than between it and the flat part, the thickness of the coating of the ends (chamfers) is less, because the sandwich process is less efficient. In addition, the chamfer preprocessing class is lower than the plane. Both that and another leads to a decrease in the quality of protection in general.

2. Чтобы избежать прирастания пластины в местах, близких к тем, где пластика опирается на пьедестал, создаются условия для сильного замедления роста защитного покрытия вплоть до полного его отсутствия. Эти места неизбежно становятся источниками неконтролируемого легирования растущей эпитаксиальной пленки. Для заращивания мест касания пластин с пьедесталом приходится проводить сэндвич-процесс в два этапа - прерывать процесс и поворачивать пластины.2. In order to avoid the growth of the plate in places close to those where the plastic rests on a pedestal, conditions are created for a strong slowdown in the growth of the protective coating until its complete absence. These places inevitably become sources of uncontrolled doping of the growing epitaxial film. To heal the places where the plates touch the pedestal, it is necessary to carry out the sandwich process in two stages - interrupt the process and rotate the plates.

3. Предварительно необходимо наращивать поликремний - источник для сэндвич-транспорта - на всю поверхность пьедестала, что по затратам машинного времени и электроэнергии, а самое главное - расходу ресурса работоспособности очень дорогого пьедестала (представляющего собой сложное изделие из особо чистого графита) вполне идентично рабочему процессу.3. Preliminarily, it is necessary to increase polysilicon — a source for sandwich transport — to the entire surface of the pedestal, which is completely identical to the work process in terms of the cost of machine time and electricity, and most importantly, the consumption of the working life of a very expensive pedestal (which is a complex product made of very pure graphite) .

В способе-прототипе применяется воздействие только на первичный источник лигатуры, тогда как уровень автолегирования зависит еще и от интенсивности транспорта примеси через газовую фазу.In the prototype method, only the primary source of the ligature is applied, while the level of self-alloying also depends on the intensity of impurity transport through the gas phase.

Целью изобретения является снижение уровня автолегирования при наращивании эпитаксиальных слоев кремния, повышение их однородности как по площади, так и по толщине, повышение выхода годных приборов с каждой пластины, уменьшение затрат машинного времени.The aim of the invention is to reduce the level of self-doping when building epitaxial layers of silicon, increasing their uniformity both in area and in thickness, increasing the yield of devices from each plate, reducing the cost of machine time.

Поставленная цель достигается тем, что начальная стадия газофазного наращивания эпитаксиального слоя кремния происходит при снижении температуры со скоростью около 10 К/мин на 50-100 К, после чего она возвращается к значению, на 10-20 К меньшему, чем исходное; в каждом ряду подложек предварительно создается постоянный температурный градиент, при котором верхняя часть подложек нагрета на 10 К меньше нижней.This goal is achieved in that the initial stage of the gas-phase growth of the epitaxial silicon layer occurs when the temperature decreases at a speed of about 10 K / min by 50-100 K, after which it returns to a value 10-20 K less than the initial one; in each row of substrates, a constant temperature gradient is preliminarily created, in which the upper part of the substrates is heated 10 K less than the lower.

Новизна изобретения состоит в том, что впервые установлено определяющее влияние свободного пространства под пластинами - выемки, служащей для равномерного распределения температуры, - на условия транспорта примеси через газовую фазу. Этот объем имеет форму сферы и сообщается с общим пространством через узкие - микронные зазоры. Поэтому газовая смесь, образовавшаяся при газовом травлении и отжиге и содержащая легирующие примеси, не продувается из него, а постепенно питает растущий слой примесью за счет диффузии.The novelty of the invention lies in the fact that for the first time the determining effect of the free space under the plates — a recess that serves to evenly distribute the temperature — on the conditions of impurity transport through the gas phase, has been established. This volume has the shape of a sphere and communicates with the general space through narrow - micron gaps. Therefore, the gas mixture formed during gas etching and annealing and containing alloying impurities is not blown out of it, but gradually feeds the growing layer with impurity due to diffusion.

Термограмма процесса, полностью охватывающая последовательность операций, представлена на чертеже.A process thermogram that fully covers the sequence of operations is shown in the drawing.

Снижение температуры в начале процесса роста приводит к сжатию газа в реакторе на 5-10%, но это сжатие в пространстве реактора немедленно компенсируется поступлением дополнительной смеси из газовой системы. Совершенно иное происходит в объеме подподложечной выемки, отделенной от общего пространства узкими щелями, т.е., по существу, представляющей собой ячейку Кнудсена. Здесь сжатие приводит к медленному засасыванию свежей смеси, благодаря чему происходит заращивание дефектов защитного покрытия обратной стороны, а противоток оттесняет загрязненную смесь к центру пластины, увеличивая путь диффузии примеси, тем самым препятствуя ее поступлению в зону роста.A decrease in temperature at the beginning of the growth process leads to a compression of gas in the reactor by 5-10%, but this compression in the reactor space is immediately compensated by the addition of an additional mixture from the gas system. A completely different thing happens in the volume of the sub-sublacernal notch, separated from the general space by narrow slits, i.e., essentially, which is a Knudsen cell. Here, compression leads to slow suction of the fresh mixture, due to which defects of the protective coating of the reverse side are overgrown, and the counterflow pushes the contaminated mixture to the center of the plate, increasing the diffusion path of the impurity, thereby preventing it from entering the growth zone.

Диапазон изменения температуры в начале роста обосновывается следующим образом.The range of temperature changes at the beginning of growth is justified as follows.

Меньший, чем 50-100 К, перепад дает сжатие, недостаточное для поступления необходимого количества свежей смеси в объем выемки, тогда как больший указанного значения приводит к снижению скорости роста и ухудшению морфологии.A difference that is less than 50-100 K gives a compression that is insufficient for the necessary amount of fresh mixture to enter the extraction volume, while a larger value indicates a decrease in the growth rate and a worsening of morphology.

Темп изменения температуры диктуется инерционностью теплового узла. Последующее повышение температуры требуется для обеспечения достаточной скорости роста основной части слоя, но для этого температура устанавливается на 10-20 К (в зависимости от концентрации примеси в подложке и ее диаметра) меньшей, чем первоначальная, чтобы создать краевую зону газа, свободную от примеси.The rate of temperature change is dictated by the inertia of the thermal unit. A subsequent increase in temperature is required to ensure a sufficient growth rate of the main part of the layer, but for this the temperature is set at 10-20 K (depending on the concentration of the impurity in the substrate and its diameter) less than the initial one in order to create a gas edge zone free of impurity.

Чтобы предотвратить поступление загрязненной газовой смеси через сравнительно большую щель, образуемую базовым срезом, используется термодиффузионный затвор, создаваемый за счет вертикального градиента температуры, величина которого еще не сказывается на разбросе скорости роста по длине пластины, а незамкнутая форма изотерм обеспечивает отсутствие механических напряжений и линий скольжения.To prevent the entry of the contaminated gas mixture through a relatively large gap formed by the base slice, a thermal diffusion shutter is used, which is created due to the vertical temperature gradient, the magnitude of which does not affect the spread of the growth rate along the plate length, and the open form of the isotherms ensures the absence of mechanical stresses and slip lines .

Комплекс этих новых операций не существенно усложняет производственный процесс и обеспечивает полное подавление автолегирования и связанный с этим положительный эффект.The complex of these new operations does not significantly complicate the production process and provides complete suppression of auto-alloying and the associated positive effect.

Пример. Эпитаксиальный слой кремния с концентрацией носителей 5·10¹⁴ см^-3 на подложках, легированных мышьяком до уровня 1·10¹⁷ см^-3, наращивается в вертикальном реакторе с заранее установленным в каждом ряду температурным градиентом в 10 К. После газового травления пластин и продувки, отжига при 1423 К наращивание слоя велось при снижении температуры до 1373 К в течение 5 мин, затем температура была поднята до 1403 К, и дальнейший рост слоя толщиной 45 мкм вели при постоянных условиях. Характер распределения примеси по толщине вполне однороден, что видно при сравнении с результатом, получаемым в стандартном процессе.Example. An epitaxial silicon layer with a carrier concentration of 5 · 10 ¹⁴ cm ^-3 on arsenic-doped substrates to a level of 1 · 10 ¹⁷ cm ^-3 is grown in a vertical reactor with a temperature gradient pre-set in each row of 10 K. After gas etching of the plates and purging , annealing at 1423 K, the layer was grown at a temperature drop to 1373 K for 5 min, then the temperature was raised to 1403 K, and further growth of the layer with a thickness of 45 μm was carried out under constant conditions. The nature of the distribution of the impurity over the thickness is quite uniform, which is seen when comparing with the result obtained in the standard process.

Разброс пробивных напряжений по площади пластин, по данным завода-потребителя, снизился с 19,8 до 11 В, а выход годных приборов вырос на 15%.The spread of breakdown voltages across the plate area, according to the consumer plant, decreased from 19.8 to 11 V, and the yield of suitable devices increased by 15%.

Источники информацииInformation sources

1. W.H.Shepard. Autodoping of epitaxial silicon. Journal of Electrochemical Society, VII, №6 (1968), p.152-156.1. W.H. Shepard. Autodoping of epitaxial silicon. Journal of Electrochemical Society, VII, No. 6 (1968), p. 152-156.

2. D.Crippo, D.Rode, M.Masi (eds.). Silicon Epitaxy. Academic Press. San Diego, San Francisco, New York. 2001, p.282-283 - прототип.2. D. Crippo, D. Rode, M. Masi (eds.). Silicon Epitaxy. Academic Press. San Diego, San Francisco, New York. 2001, p.282-283 - prototype.

Claims

A method of gas-phase growth of epitaxial silicon layers, comprising overgrowing the back of the substrates with a film of silicon oxide or nitride or its polycrystal, characterized in that a temperature gradient is created in each row of substrates, in which the upper part of the substrates of each row is heated by 10 K less than the lower growth is carried out at a temperature 10-20 K lower than the temperature of preliminary etching and annealing, and at the beginning of the process of growing the epitaxial layer of silicon, a cycle of lowering and raising the temperature cheers on 50-100 K.