RU2618279C1 - Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке - Google Patents

Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке Download PDF

Info

Publication number
RU2618279C1
RU2618279C1 RU2016125043A RU2016125043A RU2618279C1 RU 2618279 C1 RU2618279 C1 RU 2618279C1 RU 2016125043 A RU2016125043 A RU 2016125043A RU 2016125043 A RU2016125043 A RU 2016125043A RU 2618279 C1 RU2618279 C1 RU 2618279C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
layer
substrate
reaction gas
stream
Prior art date
Application number
RU2016125043A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Макарович Соколов
Сергей Дмитриевич Федотов
Владимир Николаевич Стаценко
Сергей Петрович Тимошенков
Original Assignee
Акционерное общество "Эпиэл"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Эпиэл" filed Critical Акционерное общество "Эпиэл"
Priority to RU2016125043A priority Critical patent/RU2618279C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2618279C1 publication Critical patent/RU2618279C1/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24—Deposition of silicon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/16—Controlling or regulating
    • C30B25/165—Controlling or regulating the flow of the reactive gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/183—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H01L21/2053—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/782—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, each consisting of a single circuit element
    • H01L21/786—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, each consisting of a single circuit element the substrate being other than a semiconductor body, e.g. insulating body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
    • H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
    • H01L21/84—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being other than a semiconductor body, e.g. being an insulating body
    • H01L21/86—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being other than a semiconductor body, e.g. being an insulating body the insulating body being sapphire, e.g. silicon on sapphire structure, i.e. SOS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/12—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body
    • H01L27/1203—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being other than a semiconductor body, e.g. an insulating body the substrate comprising an insulating body on a semiconductor body, e.g. SOI

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области формирования эпитаксиальных слоев кремния на изоляторе. Способ предназначен для изготовления эпитаксиальных слоев монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости на диэлектрических подложках из материала с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам кремния с помощью химической газофазной эпитаксии. В качестве материала подложки могут использоваться, в частности, лейкосапфир (корунд), шпинель, алмаз, кварц. Способ заключается в расположении подложки в реакторе, нагреве рабочей поверхности подложки до 900-1000°C, подаче потока реакционного газа, содержащего инертный газ-носитель и моносилан, наращивании кремния до образования начального сплошного слоя на рабочей поверхности подложки, добавлении к потоку реакционного газа потока галогенсодержащего реагента и формировании эпитаксиального слоя кремния требуемой толщины. Начальный сплошной слой кремния наращивают со скоростью от 3000
Figure 00000004
/мин до 6000
Figure 00000004
/мин. После формирования данного слоя на рабочей поверхности подложки расход потока реакционного газа уменьшают, снижая скорость роста на 500-2000
Figure 00000004
/мин. К потоку реакционного газа добавляют поток насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана, значение расхода которого задают таким образом, чтобы скорость роста кремниевого слоя вернулась к значениям 3000-6000

Description

Изобретение относится к области формирования эпитаксиальных слоев кремния на изоляторе, более конкретно, к созданию эпитаксиальных слоев монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости на диэлектрических подложках из материала с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам кремния с помощью химической газофазной эпитаксии. В качестве материала подложки могут быть использованы: лейкосапфир (корунд), шпинель, алмаз, кварц и т.п. Слои кремния на данных подложках могут быть использованы для изготовления радиационно-стойких интегральных схем, СВЧ приборов, а также различных тензометрических и фоточувствительных датчиков. Помимо этого, данные структуры могут быть использованы в качестве заготовок при изготовлении ультратонких структур кремния на изоляторе, получаемых с помощью аморфизации и рекристаллизации слоя полупроводника, а также с применением других операций.
Среди современных требований к эпитаксиальным слоям кремния на диэлектрике, определяющих их качество, можно выделить: высокое качество кристаллической структуры и однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя.
Высокое качество кристаллической структуры эпитаксиального слоя (ЭС) кремния на диэлектрике подразумевает относительно низкую плотность структурных дефектов (дислокаций несоответствия, дефектов упаковки и т.п.) в основном объеме кремниевого слоя и в приграничной области кремний-диэлектрик. В случае высокой плотности структурных дефектов в основном объеме ЭС резко снижается подвижность и время жизни носителей заряда в кремнии, что приводит к увеличению потерь мощности, уменьшению собственной частоты и быстродействия дискретных приборов. Низкое структурное совершенство приграничной области приводит к сбоям в работе интегральных схем, уменьшению времени жизни и подвижности носителей заряда в каналах транзисторов, увеличению токов утечки и сдвигу порогового напряжения дискретных приборов.
Однородность распределения удельного сопротивления по толщине кремниевого слоя подразумевает равномерное распределение заданного значения удельного сопротивления вдоль формальной линии измерения, проведенной от поверхности слоя кремния до границы раздела кремний-подложка. Трудность достижения данной однородности заключается в проникновении атомов материала подложки в эпитаксиальный слой и его автолегировании во время наращивания слоя, которое проводится при высокой температуре. Низкая однородность удельного сопротивления по толщине эпитаксиального слоя может привести к сбоям в работе, сдвигу вольт-амперных характеристик и выходу из строя сформированных дискретных приборов и микросхем. Однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя и по площади эпитаксиальной структуры позволяет достичь высокой однородности электрофизических параметров всего объема кремниевого слоя, что обеспечит высокий выход годных и надежность приборов на кремнии.
Известен способ изготовления структуры кремний-на-сапфире, который включает введение в кремниевую подложку ионов путем имплантации, формирование слоя, предназначенного для переноса и осуществление активирующей обработки поверхности, по которой проводят сращивание [1]. После этого подложки кремния и сапфира нагревают, соединяют в пары поверхностями, предназначенными для сращивания, выполняют сращивание поверхностей кремния и сапфира, расслоение и получают структуру. Эпитаксиальные слои, изготовленные подобным образом, могут быть ультратонкими (≤1000
Figure 00000001
), обладают малой дефектностью и высокой однородностью электрофизических параметров, за счет низкого автолегирования металлами подложки, т.к. температуры спекания не превышают ~400°C.
Однако такие структуры обладают низкой устойчивостью к механическому разрушению при резких перепадах температур, вследствие низкой прочности связи слоя кремния и подложки сапфира, а также механических напряжений в слое, вызванных разницей коэффициентов термического расширения кремния и сапфира. Помимо этого, подобные способы обладают малой производительностью, сложностью реализации, высокими продолжительностью и себестоимостью процесса изготовления, т.к. в ходе формирования структуры используют операции ионной имплантации, ряд химических и термических обработок.
Поэтому при изготовлении эпитаксиальных структур кремния на диэлектрике, предназначенных для изготовления радиационно-стойких и СВЧ приборов, а также использующихся как заготовки при создании ультратонких структур, чаще всего используют газофазную эпитаксию.
Известен также способ выращивания монокристаллических слоев кремния с помощью химического газофазного осаждения (или газофазной эпитаксии) на подложках из материала с параметрами решетки, схожими с параметрами кремния, такого как монокристаллические кремний, сапфир, шпинель и др. [2]. На протяжении всего процесса роста слоя общее давление в реакторе поддерживают в диапазоне от 1,33*10-3 Па до 4 Па, чем достигается снижение концентрации кислорода в эпитаксиальном слое кремния до значений не выше 3*1018 атомов/см3, по крайней мере при толщине слоя более 100
Figure 00000001
, а также уменьшается автолегирование растущего слоя. Таким образом, обеспечивается рост монокристаллического слоя кремния высокого качества при более низкой температуре, чем у существующих методов газофазной эпитаксии.
Недостатками данного способа являются высокая продолжительность процесса изготовления и сложность реализации. Откачка камеры реактора до значений высокого вакуума занимает достаточно продолжительный период времени даже при использовании самых современных приспособлений. Проведения процесса эпитаксии при значениях общего давления от 1,33*10-3 Па до 4 Па усложняет конструкцию эпитаксиального оборудования, вследствие необходимости использования специальных приспособлений для создания и поддержания высокого вакуума.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому техническому решению является способ формирования эпитаксиальных полупроводниковых слоев кремния или германия на подложках сапфира или алюмомагниевой шпинели с помощью газофазной эпитаксии [3]. В данном способе формирование полупроводниковых слоев производят по следующей последовательности шагов:
шаг 1: подложку подготавливают к эпитаксии, располагают в реакторе на подложкодержателе, нагреваемом индуктивно, заполняют реактор инертным газом и нагревают данную подложку до температуры достаточной для разложения кремний- или германийсодержащих газовых реагентов, выбранных из группы SiH4 и GeH4;
шаг 2: в реактор вводят поток газовой смеси, содержащей разлагаемый газовый реагент и инертный газ (водород или гелий), поддерживают температуру подложки определенный период времени, достаточный для относительно быстрого осаждения полупроводника, до образования начального сплошного слоя полупроводника на поверхности подложки;
шаг 3: поддерживают заданные температуру подложки и расход потока газовой смеси, содержащей газовый реагент (SiH4 или GeH4) и инертный газ, и вводят в реактор поток газообразного гидрида галогена (HCl или HBr) на определенный период времени, достаточный для относительно медленного наращивания слоя полупроводника необходимой толщины.
Использование одного газообразного вещества в качестве источника полупроводникового материала на протяжении шага 2, где производится необратимый процесс осаждения материала полупроводника, и на шаге 3, где реакция термического разложения газового реагента находится в определенном химическом равновесии с реакцией взаимодействия атомарных полупроводника и галогена, позволяет получить более плавный переход от начального сплошного слоя полупроводника к основному и сформировать более гомогенную кристаллическую структуру слоя.
Формирование начального сплошного слоя полупроводника на поверхности подложки (шаг 2) позволяет исключить взаимодействие активных атомов галогена и материала поверхности подложки, продуктами которого являются летучие соединения металлов и галогена, загрязняющие растущий слой.
Добавление потока гидрида галогена в реактор на шаге 3 сдвигает химическое равновесие реакции термического разложения газового реагента, содержащего полупроводник, что снижает скорость роста слоя за счет подавления активными атомами галогена распада молекул моносилана до атомарного кремния, а также позволяет наращивать новый полупроводниковый материал и удалять ранее нарощенный. Управление величиной скорости роста слоя происходит путем изменения расхода газообразного гидрида галогена. Присутствие атомов галогена в атмосфере газофазной реакции разложения гидрида полупроводника, помимо подавления основной реакции разложения, также подавляет побочные реакции разложения, продуктами которых являются полисиланы, загрязняющие растущий слой.
Однако известный способ обладает рядом недостатков:
- быстрое наращивание материала полупроводника на подложку характеризуется высокой скоростью роста (около 10000
Figure 00000001
/мин) эпитаксиального слоя, которая, помимо расхода кремний- или германийсодержащих газовых реагентов, определяется также и высокой температурой осаждения, что увеличивает автолегирование растущего слоя металлами из подложки и ухудшает его электрофизические характеристики;
- использование газообразных гидридов галогена в качестве реагентов, обеспечивающих параллельную реакцию удаления полупроводникового материала с поверхности растущего слоя, приводит к увеличению минимально возможной толщины первичного сплошного слоя полупроводника (до 3000
Figure 00000001
), выполняющего роль защиты рабочей поверхности подложки от воздействия галогена, вследствие возникновения локальных мест активного селективного травления кремниевого слоя, что в свою очередь увеличивает концентрацию продуктов побочных реакций разложения SiH4 и GeH4, загрязняющих растущий слой;
- подавление скорости роста эпитаксиального слоя с помощью подачи потока HCl или HBr совместно с постоянным потоком SiH4 или GeH4 приводит к увеличению себестоимости процесса изготовления, за счет нерационально высокого расхода дорогостоящего гидрида полупроводника, распад которого до атомарного полупроводника подавляется в газовой фазе через образование летучих галогенидов и галогенгидридов полупроводника;
- по предоставленным авторами данным видно, что подавление скорости роста при переходе от шага 2 к шагу 3 требует довольно высокого расхода газообразного гидрида галогена, вследствие чего возрастает концентрация атомов галогена в атмосфере реактора, которые начинают активно взаимодействовать с поверхностями фаски и обратной стороны подложки, незащищенными кремнием, образуя летучие соединения металлов и галогена, загрязняющие растущий слой и ухудшающие его кристаллическую структуру.
Задачей предлагаемого изобретения является получение слоя кремния высокого качества и снижение себестоимости процесса изготовления.
Это достигается тем, что в способе изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке, включающем расположение подложки в эпитаксиальном реакторе, нагрев рабочей поверхности подложки до температуры 900-1000°C, подачу потока реакционного газа, состоящего из инертного газа-носителя и моносилана, наращивание кремния из реакционного газа до образования начального сплошного слоя на рабочей поверхности подложки, добавление к потоку реакционного газа потока галогенсодержащего реагента и формирование эпитаксиального слоя кремния требуемой толщины, начальный сплошной слой кремния наращивают при значениях скорости роста от 3000
Figure 00000001
/мин до 6000
Figure 00000001
/мин, после чего расход потока реакционного газа уменьшают, снижая скорость роста на 500-2000
Figure 00000001
/мин, к потоку реакционного газа добавляют поток насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана, значение расхода которого задают таким образом, чтобы достигнуть значений скорости роста начального слоя, и формируют эпитаксиальный слой кремния требуемой толщины.
Наращивание начального сплошного слоя кремния при значениях скорости роста 3000-6000
Figure 00000001
/мин позволяет достаточно быстро зарастить поверхность подложки, предотвратив загрязнение слоя, вследствие взаимодействия активных атомов галогена и материала поверхности подложки, при этом данный диапазон скорости не требует повышенной температуры, при которой идет повышенное автолегирование растущего слоя, что улучшает однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя и повышает качество слоя.
Уменьшение расхода потока реакционного газа и добавление к нему потока насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана позволяет компенсировать подавление активными атомами галогена распада молекул моносилана до атомарного кремния в газовой фазе путем распада собственных молекул галогенида до атомарного кремния, что дает возможность уменьшить необходимый расход моносилана и снижает себестоимость процесса изготовления.
Также добавление к потоку реакционного газа потока насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана делает возможным реструктурирование осажденного слоя в ходе эпитаксиального роста кремния за счет взаимодействия активных атомов галогена и кремния преимущественно в местах поверхности, обладающих избыточной удельной поверхностной энергией, то есть в местах, где нарушена структура поверхности, присутствуют дефекты упаковки и дислокации, что позволяет улучшить кристаллическую структуру и сгладить микрорельеф кремниевого слоя, тем самым повышая качество слоя.
Решению поставленной задачи также способствует то, что использование галогенида кремния или галогенсилана в качестве реагента, содержащего галоген, допускает уменьшение минимально возможной толщины начального сплошного слоя кремния, осаждаемого из смеси инертного газа и моносилана, что уменьшает концентрацию загрязняющих слой низших гидридов в атмосфере реактора и позволяет создать слой кремния на диэлектрике более высокого структурного качества толщиной от 3000
Figure 00000001
и более, а также получить высокую однородность распределения удельного сопротивления по толщине слоя.
Восстановление значений скорости роста начального сплошного слоя (3000-6000
Figure 00000001
/мин), которое осуществляется путем добавления потока насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана с определенным значением расхода к потоку реакционного газа, расход которого уменьшен (скорость роста снижена на 500-2000
Figure 00000001
/мин), позволяет сократить продолжительность роста слоя кремния и установить равновесие между процессами наращивания и удаления кремния, обеспечивающими реструктуризацию слоя, что снижает себестоимость процесса изготовления и повышает качество слоя.
На фиг. 1 показан график зависимости изменения скорости роста слоя кремния, полученного по предлагаемому способу, от изменения расхода потока галогенида кремния, в данном примере - четыреххлористого кремния (SiCl4), при постоянном расходе реакционного газа. Расход реакционного газа, содержащий моносилан и инертный газ, был изменен с изначального значения, обеспечивающего скорость роста ~4500
Figure 00000001
/мин, до пониженного значения, обеспечивающего скорость роста ~3600
Figure 00000001
/мин. Далее к потоку реакционного газа добавили поток насыщенного пара тетрахлорида кремния (SiCl4) с расходом 2,25 л/мин, что восстановило скорость роста до значения ~4050
Figure 00000001
/мин. Затем расход потока тетрахлорида кремния увеличивали, повышая скорость роста, до значений 4,75 л/мин, что соответствует значению скорости роста ~4500
Figure 00000001
/мин. Из приведенных данных видно, что использование предлагаемого способа позволяет снизить необходимый расход потока реакционного газа за счет возможности компенсации потери скорости роста добавкой потока SiCl4, что снижает себестоимость процесса изготовления.
На фиг. 2 показаны кривые качания кремниевых слоев различной толщины, измеренные на эпитаксиальных структурах «кремний на сапфире» (КНС), полученных по предлагаемому способу. Ориентация сапфировой подложки -
Figure 00000002
, слоя кремния - (100). Измерение кривых качания проводилось для симметричного дифракционного отражения Si (400). Кривая 1 - кривая качания слоя кремния толщиной 6000
Figure 00000001
, максимальная интенсивность (I) составила 4100 имп/с, значение полной ширины на полувысоте (FWHM) составило 0,31°. Кривая 2 - кривая качания слоя кремния толщиной 3000
Figure 00000001
, максимальная I составила 1450 имп/с, значение FWHM составило 0,45°. Кривая 3 - кривая качания слоя кремния толщиной 1000
Figure 00000001
, максимальная I составила 350 имп/с, значение FWHM составило 0,7°. Представленные данные наглядно показывают распределение дефектности по толщине в слое кремния. Видно, что предлагаемый способ позволяет формировать слои высокого структурного качества, пригодные для производства СВЧ и радиационно-стойких приборов, начиная от толщины 3000
Figure 00000001
. Это заключение подтверждают данные работы [4], в которой производились измерения кривых качания слоев кремния на сапфире, полученных методом газофазной эпитаксии из моносилана. По представленным авторами публикации результатам значение FWHM для слоя кремния на сапфире толщиной 3000
Figure 00000001
составило 0,98°, а для слоя толщиной 7800-8000
Figure 00000001
значение FWHM составило порядка 0,5-0,4°.
На фиг. 3 представлены профили распределения удельного сопротивления по толщине слаболегированного фосфором (n-тип) эпитаксиального слоя структур КНС, полученных по предлагаемому способу, где
Figure 00000001
- профиль слоя кремния толщиной 6000
Figure 00000001
, Б - профиль слоя кремния толщиной 3000
Figure 00000001
. Из приведенных данных видно, что полученные эпитаксиальные слои кремния, обладают высокой однородностью удельного сопротивления по толщине слоя, которая обеспечит высокие надежность и выход годных приборов на данных структурах.
Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке реализуется следующим образом.
Диэлектрическую подложку помещают на подложкодержатель эпитаксиального реактора, внутренний объем которого заполняют инертным газом. Производят нагрев рабочей поверхности подложки до температуры 900-1000°C. В реактор подают поток реакционного газа, состоящий из инертного газа-носителя и моносилана. Нагрев ниже 900°C приведет к неполному термическому распаду моносилана, из которого осаждается кремний, и повышению себестоимости процесса изготовления. При температуре выше 1000°C наблюдается активное взаимодействие кремния и материала подложки, что ведет к ухудшению структурного качества и электрофизических параметров кремниевого слоя, вследствие проникновения материала подложки в растущий слой и его автолегировании.
Расход потока реакционного газа задают таким образом, чтобы достигнуть значений скорости роста начального сплошного слоя от 3000 до 6000
Figure 00000001
/мин. На рабочей поверхности подложки производят наращивание начального сплошного слоя кремния толщиной 300-1000
Figure 00000001
. Наращивание начального слоя кремния при скорости роста менее 3000
Figure 00000001
/мин приводит к увеличению автолегирования растущего слоя от поверхности подложки, вследствие медленных коалесценции зародышевых островков и образования сплошного слоя, блокирующего авто легирование. Скорость роста более 6000
Figure 00000001
/мин можно достигнуть только повышением температуры поверхности подложки выше 1000°C и осаждения при данной температуре, что приведет к описанным выше негативным эффектам. Слой толщиной менее 300
Figure 00000001
не полностью защищает рабочую поверхность подложки от воздействия атомов галогена, вследствие недостаточной сплошности. Наращивание начального сплошного слоя толщиной более 1000
Figure 00000001
приводит к увеличению концентрации продуктов побочных реакций разложения моносилана в реакторе, загрязняющих растущий слой, а также является экономически нецелесообразным.
После этого расход потока реакционного газа уменьшают так, чтобы снизить скорость роста слоя на 500-2000
Figure 00000001
/мин. Снижение скорости менее чем на 500
Figure 00000001
/мин приведет к упразднению снижения себестоимости процесса изготовления за счет снижения объема используемого моносилана. Снижение скорости роста более чем на 2000
Figure 00000001
/мин возможно осуществить только путем значительного уменьшения расхода реакционного газа, что приведет, согласно формуле, к использованию большего расхода галогенсодержащего реагента и, соответственно, превышению допустимой концентрации атомов галогена в атмосфере реактора, выше которой атомы галогена активно взаимодействуют с поверхностью обратной стороны подложки, образуя летучие соединения, загрязняющие растущий слой и ухудшающие его структурные и электрофизические качества. Также, снижение скорости роста более чем на 2000
Figure 00000001
/мин возможно с помощью нагрева подложки до температуры ниже 900°C и осаждения при данной температуре, что приведет к негативным эффектам, описанным выше.
Далее к потоку реакционного газа добавляют поток насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана, значения расхода которого задают таким образом, чтобы достигнуть значений скорости роста начального слоя, и формируют эпитаксиальный слой кремния требуемой толщины. Использование галогенида кремния или галогенсилана в качестве галогенсодержащего реагента, в присутствии которого формируется основной объем эпитаксиального слоя, позволяет использовать выделяющиеся при распаде молекулы активные атомы галогена в процессах подавления образования полисиланов и реструктуризации растущего слоя, в то время как выделяющиеся при распаде атомы кремния встраиваются в растущий слой, наряду с кремнием, образованным разложением моносилана. Задание значений расхода потока галогенида кремния или галогенсилана, не позволяющее достигнуть скорости роста начального сплошного слоя, находящейся в диапазоне 3000-6000
Figure 00000001
/мин, приводит к увеличению продолжительности роста слоя, что увеличивает себестоимость процесса изготовления. Поддержание значений расхода потока галогенида кремния или галогенсилана, позволяющее превысить скорость роста начального сплошного слоя, находящуюся в диапазоне 3000-6000
Figure 00000001
/мин, ведет к превышению допустимой концентрации атомов галогена в атмосфере реактора, выше которой атомы галогена активно взаимодействуют с поверхностями обратной стороны подложки и фаски, ухудшая качество эпитаксиального слоя кремния.
Пример конкретного выполнения
Диэлектрическую подложку из монокристаллического лейкосапфира (α-Al2O3) с ориентацией рабочей поверхности
Figure 00000002
помещают в вертикальный эпитаксиальный реактор с площадью поперечного сечения 0,4 м2 на подложкодержатель. Реактор герметизируют, продувают и наполняют осушенным водородом (Н2). Производят нагрев рабочей поверхности подложки до температуры 960°C. Затем в реактор подают поток реакционного газа, состоящий из 25 об.% моносилана (SiH4) и водорода с заданным расходом 18 л/мин (скорость роста ~3500
Figure 00000001
/мин), а также легирующую добавку в необходимом количестве, например 3*1015 атомов/см фосфора (Р). Наращивают начальный сплошной слой кремния толщиной 450
Figure 00000001
на рабочей поверхности сапфировой подложки. Задают расход потока реакционного газа равный 12 л/мин (скорость роста - 2500
Figure 00000001
/мин). Одновременно с потоком реакционного газа в реактор подают поток насыщенного пара тетрахлорида кремния (SiCl4) с заданным расходом 6 л/мин (восстановление значения скорости роста до ~3500
Figure 00000001
/мин). Продолжают осаждение кремния до достижения требуемой толщины слоя, например до 3000
Figure 00000001
.
Предлагаемый способ в сравнении с прототипом обеспечивает следующие преимущества:
- достаточно быстрое заращивание рабочей поверхности диэлектрической подложки, исключающее загрязнение растущего слоя и его автолегирование от подложки;
- снижение минимально возможной толщины начального сплошного слоя кремния и загрязнения растущего слоя летучими соединениями металлов с галогеном позволяют повысить структурное качество и однородность распределения удельного сопротивления по толщине кремниевого слоя;
- уменьшение необходимого для эпитаксии объема моносилана и, следовательно, уменьшение себестоимости процесса изготовления;
- реструктурирование осажденного слоя в ходе эпитаксиального роста кремния, вследствие чего улучшается кристаллическая структура слоя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ 2538352, опубл. 10.01.2015 г.
2. Патент США 6500256, опубл. 31.12.2002 г.
3. Патент США 3941647 опубл. 02.03.1976 г. – прототип.
4. Moyzykh М., Samoilenkov S., Amelichev V., Vasiliev A., Kaul A. Large thickness-dependent improvement of crystallographic texture of CVD silicon films on r-sapphire // Journal of Crystal Growth. - 2013. - Vol. 383. - P. 145-150.

Claims (1)

  1. Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке, включающий расположение подложки в эпитаксиальном реакторе, нагрев рабочей поверхности подложки до температуры 900-1000°C, подачу потока реакционного газа, состоящего из инертного газа-носителя и моносилана, наращивание кремния из реакционного газа до образования начального сплошного слоя на рабочей поверхности подложки, добавление к потоку реакционного газа потока галогенсодержащего реагента и формирование эпитаксиального слоя кремния требуемой толщины, отличающийся тем, что начальный сплошной слой кремния наращивают при значениях скорости роста от 3000
    Figure 00000003
    /мин до 6000
    Figure 00000003
    /мин, после чего расход потока реакционного газа уменьшают, снижая скорость роста на 500-2000
    Figure 00000003
    /мин, к потоку реакционного газа добавляют поток насыщенного пара галогенида кремния или газообразного галогенсилана, значение расхода которого задают таким образом, чтобы достигнуть значений скорости роста начального слоя, и формируют эпитаксиальный слой кремния требуемой толщины.
RU2016125043A 2016-06-23 2016-06-23 Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке RU2618279C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125043A RU2618279C1 (ru) 2016-06-23 2016-06-23 Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016125043A RU2618279C1 (ru) 2016-06-23 2016-06-23 Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2618279C1 true RU2618279C1 (ru) 2017-05-03

Family

ID=58697547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016125043A RU2618279C1 (ru) 2016-06-23 2016-06-23 Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2618279C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3941647A (en) * 1973-03-08 1976-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Method of producing epitaxially semiconductor layers
SU612610A3 (ru) * 1973-08-17 1978-06-25 Рка Корпорейшен (Фирма) Способ получени эпитаксиальных слоев кремни
WO2008073926A2 (en) * 2006-12-12 2008-06-19 Applied Materials, Inc. Formation of epitaxial layers containing silicon

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3941647A (en) * 1973-03-08 1976-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Method of producing epitaxially semiconductor layers
SU612610A3 (ru) * 1973-08-17 1978-06-25 Рка Корпорейшен (Фирма) Способ получени эпитаксиальных слоев кремни
WO2008073926A2 (en) * 2006-12-12 2008-06-19 Applied Materials, Inc. Formation of epitaxial layers containing silicon

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7329593B2 (en) Germanium deposition
EP2642001B1 (en) Production process of epitaxial silicon carbide single crystal substrate
KR100450316B1 (ko) 탄화 규소 및 이의 제조 방법
KR101544931B1 (ko) 반도체 박막의 선택적 에피택셜 형성
US20130320429A1 (en) Processes and structures for dopant profile control in epitaxial trench fill
Teraji Chemical vapor deposition of homoepitaxial diamond films
JP2017526191A (ja) 低温で結晶層特にｉｖ族半導体層を堆積する方法及び光電子部品
KR20080016988A (ko) Ｃｖｄ를 이용한 치환형 탄소가 높게 도핑된 결정질 실리콘층의 제조 방법
CN103981568A (zh) 形成含碳外延硅层的方法
TWI530990B (zh) 用於拉張應變應用上的高拉張矽摻合物的磊晶法
JP6304699B2 (ja) エピタキシャル炭化珪素ウエハの製造方法
JP2007201336A (ja) 半導体積層体の形成方法
EP2024531A2 (en) A method of ultra-shallow junction formation using si film alloyed with carbon
US5355831A (en) Epitaxially coated semiconductor wafers having low-oxygen zone of adjustable extent and process for producing same
WO2013025968A1 (en) Low temperature migration enhanced si-ge epitaxy with plasma assisted surface activation
CN113964016A (zh) 碳化硅外延晶片的制造方法
RU2618279C1 (ru) Способ изготовления эпитаксиального слоя кремния на диэлектрической подложке
JP2004343133A (ja) 炭化珪素製造方法、炭化珪素及び半導体装置
RU2646070C1 (ru) Способ изготовления гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике
JPH04298023A (ja) 単結晶シリコン薄膜の製造方法
Bauer et al. Throughput considerations for in-situ doped embedded Silicon Carbon Stressor selectively grown into Recessed Source Drain areas of NMOS devices
TW201135810A (en) Epitaxial wafer
KR102128495B1 (ko) 에피택셜 웨이퍼
KR20210080719A (ko) 탄화규소 에피 웨이퍼 및 그 제조방법
Lipski Semi-insulating GaN by Fe-doping in hydride vapor phase epitaxy using a solid iron source