СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВОЙ ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
SILICON EPITAXIAL STRUCTURE PRODUCING METHOD

Изобретение относится к полупроводниковой технике, преимущественно к технологии полупроводникового кремния, и может быть использовано при изготовлении кремниевых эпитаксиальных структур для биполярных интегральных схем, силовых приборов и других устройств.
Одним из основных требований к таким структурам является однородность электрофизических параметров - толщины, удельного сопротивления - по площади структуры. Значительное влияние на распределение указанных параметров во время получения структуры играет явление автолегирования, то есть перенос примеси из сильнолегированной подложки в растущий эпитаксиальный слой через газовую фазу. Перенос примеси происходит за счет ее испарения с поверхности сильнолегированной кремниевой подложки во время роста слоя и приводит к тому, что ухудшается не только однородность удельного сопротивления слоя по площади подложки. Из-за неконтролируемого внедрения примеси в растущий слой уменьшается удельное сопротивление слоя в периферических областях структуры, что приводит к снижению выхода годных приборов в этих областях, а также искажаются результаты контроля толщины полученного слоя. Кроме того, изменение профиля распределения примеси по толщине эпитаксиального слоя из-за явлений автолегирования может приводить к снижению пробивных напряжений приборов, изготовленных на основе таких эпитаксиальных структур.
Известен способ изготовления эпитаксиальных структур, включающий предварительное окисление сильнолегированной кремниевой пластины при температуре до 1100°C для образования слоя термического окисла на поверхности и удаление полученного слоя в плавиковой кислоте, отжиг полученной кремниевой пластины при температуре до 1200°C в водороде до начала наращивания эпитаксиального слоя и собственно процесс эпитаксиального осаждения /1/. Данные операции проводятся для уменьшения концентрации легирующей примеси на поверхности пластины как источнике испарения примеси и, следовательно, уменьшения эффекта автолегирования при последующем наращивании эпитаксиального слоя.
Недостатками данного способа являются сложность его реализации, поскольку изготовление эпитаксиальной структуры по предлагаемому способу включает использование оборудования различного типа - для окисления кремниевой пластины, для удаления слоя полученного окисла, для эпитаксиального наращивания; изменение поверхностной концентрации легирующей примеси в подложке за счет высокотемпературного отжига в водороде перед процессом эпитаксиального наращивания приводит к перераспределению примеси внутри реактора (из подложки на подложкодержатель или на оснастку), которая будет реиспаряться во время эпитаксиального наращивания и попадать в растущий эпитаксиальный слой, что также не приводит к устранению эффекта автолегирования.
Известен также способ изготовления эпитаксиальных структур, принятый нами за прототип, включающий формирование многослойной защиты на нерабочей стороне подложки, причем эта защита включает диэлектрические и поликристаллические слои на основе кремния /2/.
Первый недостаток этого способа заключается в том, что эти защитные слои формируются на стадии изготовления самой кремниевой подложки путем осаждения многослойного покрытия на обе стороны шлифованной подложки с последующим удалением покрытия с рабочей стороны и полированием рабочей стороны подложки. Выполнение указанных дополнительных операций приводит к усложнению процесса изготовления и удорожанию конечного продукта.
Второй недостаток данного способа связан с термической нестойкостью данного покрытия, что приводит к невозможности использования данного вида защиты нерабочей стороны подложки при изготовлении кремниевых эпитаксиальных структур с толщиной эпитаксиального слоя более 30 мкм, а именно такие структуры находят свое применение при изготовлении силовых приборов. Разрушение защиты нерабочей стороны подложки во время наращивания эпитаксиальных слоев кремния толщиной более 30 мкм приводит к испарению примеси с нерабочей стороны и проявлению эффекта автолегирования со всеми последствиями, описанными выше.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении однородности электрофизических параметров эпитаксиальной структуры за счет подавления эффекта автолегирования при эпитаксиальном наращивании. Это достигается тем, что в способе изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры, включающем нагрев кремниевой подложки в реакторе эпитаксиальной установки, формирование защитного слоя на нерабочей поверхности сильнолегированной подложки n- или p-типа проводимости, газофазное осаждение эпитаксиального слоя кремния на рабочую поверхность, последовательно проводят формирование части защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до достижения половины значения требуемой толщины, осаждение эпитаксиального слоя на рабочей поверхности подложки толщиной 3-4 мкм, формирование защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до требуемого значения толщины, осаждение эпитаксиального слоя на рабочей поверхности подложки до требуемой толщины эпитаксиального слоя.
В результате проведения операции формирования защитного слоя на нерабочей стороне подложки до достижения половинного значения требуемой толщины получается кремниевая подложка с закрытой слоем кремния нерабочей стороной, причем защитный слой кремния на нерабочей стороне содержит легирующую примесь в концентрации, гораздо меньшей, чем в исходной подложке.
После наращивания эпитаксиального слоя толщиной 3-4 мкм на рабочей стороне подложки получается кремниевая подложка, у которой автолегирование от нерабочей стороны предотвращается защитным слоем, имеющим гораздо меньшую концентрацию легирующей примеси, чем исходная подложка, а автолегирование с рабочей стороны блокировано эпитаксиальным слоем.
В результате окончательного формирования защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до требуемого значения толщины получается кремниевая подложка, у которой обе стороны закрыты кремниевыми слоями, полностью препятствующими переносу примеси из подложки в атмосферу роста эпитаксиального слоя, что полностью блокирует автолегирование во время последующего роста эпитаксиального слоя на рабочей поверхности подложки.
На фиг. 1 представлены профили распределения удельного сопротивления по толщине эпитаксиального слоя в краевой и центральной областях структуры, полученной по предлагаемому способу. Кривая 1 - профиль распределения удельного сопротивления в центре структуры, кривая 2 получена в 10 мм от края структуры возле базового среза. Из приведенных данных видно, что при использовании предлагаемого способа получения эпитаксиальной структуры профиль распределения сопротивления оказывается резким и однородным по площади структуры, что подтверждает ограничение автолегирования во время осаждения эпитаксиального слоя по предлагаемому способу.
Способ изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры реализуется следующим образом. Исходная высоколегированная кремниевая подложка, предназначенная для изготовления эпитаксиальной структуры, помещается на подложкодержатель установки эпитаксиального наращивания, который предварительно покрыт слоем поликристаллического кремния; таким образом, нерабочая сторона подложки примыкает к поверхности подложкодержателя со слоем поликристаллического кремния с небольшим зазором, что обусловлено конструктивными особенностями подложкодержателя установки эпитаксиального наращивания. Затем следует нагрев подложкодержателя с размещенной на нем подложкой до температуры отжига в среде водорода. Высокотемпературный отжиг в водороде необходим для удаления слоя естественного окисла с рабочей поверхности подложки.
На следующей стадии изготовления структуры для формирования защитного покрытия на нерабочей стороне подложки в реактор наряду с элементарным водородом подается хлористый водород, за счет чего происходит перенос части поликристаллического кремния с подложкодержателя на нерабочую сторону кремниевой подложки за счет так называемого «сэндвич-процесса», а также полирующее травление кремния на рабочей стороне подложки. При полирующем травлении подложки происходит не только очистка и подготовка рабочей поверхности к предстоящему росту эпитаксиального слоя, но и (в качестве побочного процесса) перенос в газовую фазу содержащейся в подложке легирующей примеси. Эта примесь разносится потоком водорода по реактору установки эпитаксиального наращивания, попадая, в том числе и в защитное покрытие на нерабочей стороне подложки, при этом концентрация легирующей примеси в защитном покрытии на тыльной стороне значительно меньше, чем в исходной подложке. Технологические параметры и продолжительность процесса травления выбираются таким образом, чтобы за время проведения данной операции на нерабочую сторону подложки была перенесена только часть слоя поликристаллического кремния, предварительно осажденного на подложкодержатель. В результате проведения данной операции получается кремниевая подложка с чистой, подготовленной к эпитаксиальному росту рабочей стороной и закрытой слоем кремния нерабочей стороной, причем защитный слой кремния на нерабочей стороне содержит легирующую примесь в концентрации, гораздо меньшей, чем в исходной подложке, но в то же время способной служить слабым источником автолегирования во время эпитаксиального роста.
По окончании операции формирования на нерабочей стороне подложки указанной части защитного слоя проводят операцию наращивания эпитаксиального слоя толщиной 3-4 мкм на рабочей стороне подложки, то есть в реактор эпитаксиальной установки подаются наряду с водородом кремнийсодержащий и легирующий реагенты для наращивания кремниевого эпитаксиального слоя с требуемыми характеристиками. Данная операция проводится для предотвращения испарения примеси с рабочей стороны сильнолегированной подложки при дальнейших операциях. Экспериментально установлено, что для предотвращения испарения примеси достаточно нарастить 3-4 мкм эпитаксиального слоя на рабочей стороне подложки. Наращивание эпитаксиального слоя толщиной менее 3 мкм не приводит к полному подавлению автолегирования от рабочей стороны подложки. Наращивание эпитаксиального слоя толщиной более 4 мкм является экономически нецелесообразным.
По окончании наращивания кремниевого эпитаксиального слоя на рабочей стороне подложки в реактор опять подается наряду с элементарным водородом хлористый водород, и процесс формирования защитного слоя на нерабочей стороне подложки продолжается до полного переноса кремния с подложкодержателя на нерабочую сторону подложки. В результате выполнения этой операции получается исходная подложка, у которой обе стороны закрыты кремниевыми слоями.
При выполнении операции осаждения эпитаксиального слоя на рабочей стороне подложки в реактор опять подается наряду с водородом кремнийсодержащий и легирующий реагенты, и осаждение продолжается до получения эпитаксиального слоя требуемой толщины с требуемыми характеристиками.
Проведение операции формирования защитного слоя на нерабочей поверхности подложки до половинного значения требуемой толщины приводит к тому, что практически полностью ограничивается эффект автолегирования с нерабочей стороны подложки.
Выполнение осаждения эпитаксиального слоя толщиной 3-4 мкм на рабочей поверхности подложки обеспечивает подавление эффекта автолегирования от рабочей поверхности.
Проведение операции формирования остальной части защитного слоя на нерабочей поверхности подложки приводит к полному подавлению эффекта автолегирования за счет заращивания кремнием двух основных источников автолегирования (рабочая и нерабочая поверхности подложки) и исключения влияния этого эффекта при последующем наращивании эпитаксиального слоя, что влечет повышение однородности электрофизических параметров эпитаксиальной структуры (толщины и удельного сопротивления) по площади структуры.
Предлагаемый способ изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры может быть реализован следующим образом.
Пример выполнения
На предварительно покрытый поликристаллическим кремнием подложкодержатель установки эпитаксиального наращивания помещают подложку сильнолегированного монокристаллического кремния. Подложкодержатель с размещенной на ней подложкой нагревают в среде водорода до температуры 1200°C, выдерживают при данной температуре 5 мин для удаления естественного окисла с поверхности подложки. Затем в реактор в течение 10 мин подают хлористый водород с расходом 10 л/мин для формирования защитного слоя на нерабочей поверхности подложки за счет сэндвич-процесса, одновременно проводится травление рабочей поверхности. В течение этого промежутка времени формируется защитный слой примерно половинной толщины с одновременной очисткой рабочей поверхности подложки.
Затем в реактор при той же температуре подложкодержателя вместо хлористого водорода подается газовая смесь четыреххлористого кремния и легирующей добавки, обеспечивающей получение заданного удельного сопротивления эпитаксиального слоя, при этом концентрация кремнийсодержащего реагента в газовой фазе составляет 6 об. %. В течение 8 мин на подложке осаждается эпитаксиальный слой толщиной 3,3 мкм.
На следующем этапе формирования эпитаксиальной структуры подача кремнийсодержащего реагента и легирующей добавки прекращается, а в реактор при той же температуре подложкодержателя вновь подается хлористый водород с расходом 10 л/мин, и в течение 10 мин за счет протекания сэндвич-процесса завершается формирование защитного слоя на нерабочей стороне подложки.
После полного формирования защитного слоя в реактор вместо хлористого водорода вновь подается четыреххлористый кремний и легирующая добавка, причем концентрация четыреххлористого кремния в газовой фазе составляет 6 об. %, и наращивание эпитаксиального слоя продолжается до получения требуемого значения толщины слоя.
Предлагаемый способ в сравнении с прототипом обеспечивает следующие преимущества: подавление эффекта автолегирования от рабочей и нерабочей поверхностей сильнолегированной кремниевой подложки и, следовательно, повышение однородности электрофизических параметров эпитаксиального слоя по площади структуры.
Источники информации
1. Патент США №2010093156.
2. Патент США №2010155728 - прототип.