СПОСОБ НАПЫЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ СТРУКТУР ДЛЯ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ, СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ТАКИХ СТРУКТУР И РЕЗИСТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ПАРОВ НАПЫЛЯЕМОГО МАТЕРИАЛА И ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УКАЗАННОГО СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ, А ТАКЖЕ ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭТОГО ИСТОЧНИКА ПАРОВ СПОСОБ НАПЫЛЕНИЯ В ВАКУУМЕ КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫХ СТРУКТУР
METHOD FOR VACUUM SPUTTERING OF STRUCTURES FOR ELECTRONIC DEVICES, METHOD OF CONTROLLING DOPANT CONCENTRATION WHEN GROWING SAID STRUCTURES AND RESISTIVE SOURCE OF VAPOUR OF SPUTTERING MATERIAL AND DOPANT FOR REALISING SAID CONTROL METHOD, AND METHOD FOR VACUUM SPUTTERING OF SILICON-GERMANIUM STRUCTURES BASED ON USE OF SAID VAPOUR SOURCE

Область техники, к которой относится группа изобретений
Группа изобретений, связанных единым конструкторско-технологическим замыслом на основе предлагаемой конструкции резистивного источника паров напыляемого материала, относится к технологии получения слоев в вакууме и может быть использована для изготовления эпитаксиальных полупроводниковых структур, полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности, на основе кремния, который в текущем столетии остается основным полупроводниковым материалом электронной техники.
Уровень техники
1-x
x
Для выращивания наноразмерных структур Si, SiGe перспективными считаются методы термического испарения материала с последующей конденсацией его паров в вакууме. Наиболее распространенными из них (см., например, статью Кузнецова В.П. и Рубцовой Р.А. Особенности метода сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии Si и его возможности при получении структур Si: Er/Si. - Физика и техника полупроводников. 2000, т.34, в.5, с.519-525) являются молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия (МЛЭ) и сублимационная молекулярно-лучевая эпитаксия (СМЛЭ). В этих методах в отличие от газофазной эпитаксии пучки атомов распространяются прямолинейно. Их можно резко открывать и закрывать заслонкой. Полученные слои Si имеют невысокую плотность дефектов кристаллической структуры. Уже этим методы МЛЭ и СМЛЭ выгодно отличаются от ионной имплантации. В отличие от методов имплантации и газофазной эпитаксии методы МЛЭ и СМЛЭ позволяют получать эпитаксиальные слои Si при низких температурах (400-600°С), при которых малы скорости десорбции легирующих примесей с поверхности роста и диффузии в объеме структур.
Вместе с тем анализ состояния современной вакуумной техники и технологии испарения и конденсации материалов на основе кремния свидетельствует о резерве их развития (в частности, метода СМЛЭ) при решении проблемы сочетания высокого качества получаемых структур и расширения возможностей варьирования в них концентрации легирующих примесей.
Возможности и стоимость методов МЛЭ и СМЛЭ определяются методикой нагрева, конструкцией устройств источников паров Si и легирующих примесей.
-7
-8
В методе МЛЭ кремний и германий испаряются из расплавов, которые создаются электронной бомбардировкой. Легирующие примеси испаряются из эффузионных ячеек или тиглей. При указанном методе испарения слои с низкой плотностью дефектов кристаллической структуры можно получать лишь в сверхвысоком вакууме (10-10 Па), в многокамерной установке при использовании дорогого оборудования. В этом существенный первый недостаток МЛЭ.
16
17
-3
Второй недостаток МЛЭ. Отсутствие возможности резко, за секунды, менять поток примеси вследствие тепловой инерции эффузионной ячейки или тигля. С другой стороны скорости испарения многих примесей, находящихся в тигле в элементарном состоянии, резко зависят от температуры. Поэтому, интервал, в котором целесообразно менять температуру тигля, узок. Все это затрудняет контроль потока примесей. В методе МЛЭ существует опасность возгорания или отравления примесью, загрязнение слоев примесями-лигатурой от предыдущих испарений и материалом эффузионной ячейки или тигля. Фон загрязнений достигает 10-10 см.
17
-3
Третий недостаток МЛЭ. Несмотря на высокую температуру зоны расплава кремния (1600°С), метод МЛЭ Si имеет небольшую скорость эпитаксии (0.1-0.2 мкм/ч). Небольшая скорость эпитаксии затрудняет получение слоев толщиной более нескольких десятых микрона и соответственно полноценное использование в p-n-переходах слоев с концентрацией носителей тока меньше 10см, а главное является одной из причин накопления (сегрегации) примесей на поверхности роста (см. статью Кузнецова В.П., Андреева А.Ю. и Алябиной Н.А. Получение высоколегированных эпитаксиальных слоев кремния при низких температурах. - Электронная промышленность. 1990, №9, с.57). Следствием накопления являются трудности при выращивании слоев с нужными профилями легирования, в частности резких концентрационных переходов, сильно- и 6-легированных слоев, появление дефектов кристаллической структуры.
16
17
-3
Практически единственной донорной примесью, используемой в МЛЭ Si в ее традиционном варианте, является сурьма (см статью Nutzel J.F., Abstreiter G.. Comparison of P and Sb as n-dopants for Si molecular beam epitaxy. - J.Appl. Phys., 1995, v.78, p.937). Однако сурьма остается на поверхности слоя при низких температурах эпитаксии (сегрегация) и десорбирует при высоких. В области средних температур 500-700°С слои Si:Sb удается пролегировать только в узком диапазоне концентраций 10-10см.
При попытке увеличить скорость эпитаксии в МЛЭ путем еще большего увеличения температуры зоны расплава - источника паров Si в слое появляются спецдефекты - капли.
Существование указанных недостатков является причиной того, что метод МЛЭ до сих пор не имеет широкого применения в технике.
В основном вышеприведенные недостатки отсутствуют в методе СМЛЭ вследствие того, что в качестве источников паров используются резистивно нагреваемые пластины или бруски кремния, легированные примесями до необходимых концентраций; пластины или бруски являются источниками паров как основного материала, так и легирующих примесей.
Первое преимущество СМЛЭ. Резистивный способ нагрева источников позволяет снизить энергозатраты, стоимость оборудования, в частности выращивать структуры Si в более низком вакууме, в однокамерной установке, снизить уровень загрязнения слоев.
Второе преимущество СМЛЭ. В методе СМЛЭ в потоке паров от источника на один атом примеси приходится 100 и более атомов Si. Адсорбируясь вместе на поверхностях деталей и стенках камеры, атомы примесей в методе СМЛЭ надежно закрываются атомами Si. Это сводит к минимуму опасность отравления, возгорания примесей, десорбции с греющихся деталей рабочего объема, загрязнения слоев примесями от предыдущих испарений.
Третье преимущество СМЛЭ. Конструкции источников напыляемого вещества и легирующих примесей в методе СМЛЭ менее громоздки, чем в методе МЛЭ. С целью увеличения скорости эпитаксии их можно ближе располагать к подложке. Для повышения скорости эпитаксии источник паров может быть выполнен, например в виде широкой пластины, разделенной ультразвуковой резкой или химическим травлением щелями на полосы (см. патент US №4550047, С30В 23/02, 1985). В методе СМЛЭ скорость эпитаксии может достигать 10-15 мкм/ч, что на порядки превышает скорость эпитаксии в методе МЛЭ.
Однако большая скорость - первое необходимое условие, позволяющее избежать сегрегации примесей. Заявителем был поставлен эксперимент, в котором нужная скорость эпитаксии обеспечивалась, а примесь Р, испаряемая из тигля, в слой не входила. Причина в том, что большинство примесей, находясь в тигле в элементарном состоянии, испаряется в виде многоатомных молекул. Испарение примесей именно из пластины напыляемого материала, в нашем случае из кремния, создает нужный состав ее потока. Это является вторым необходимым условием встраивания примесей в растущий слой без сегрегации. Известно рекомендованное температурное условие эпитаксии (см. статью Кузнецова В.П., Толомасова В.А. и Тумановой А.Н. Легирование тонких эпитаксиальных слоев кремния, выращенных в вакууме при низких температурах. - Кристаллография, 1979, т.24, №5, с.1028), являющееся третьим условием отсутствия сегрегации - возможность получать структуры хорошего качества при достаточно низкой температуре эпитаксии. Оно также выполняется в методе СМЛЭ.
Таким образом, при эпитаксии Si методом СМЛЭ все условия, при которых сегрегация примесей отсутствует, выполняются и выполняются только в методе СМЛЭ.
Однако известные способы реализации метода СМЛЭ и техническая база указанной реализации имеют ряд существенных недостатков.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) способа напыления по п.1 формулы заявляемой группы изобретений выбран известный способ напыления в вакууме кремниевых структур для приборов электронной техники (см., например, статью Павлова Д.А. и др. Получение методом сублимации легированных пленок поликристаллического кремния. - Физика и техника полупроводников. 1995, т.29, в.2, с.286-290) путем испарения (сублимации) резистивно нагреваемых пластин, выполненных из кремниевого материала с легирующей примесью (мышьяком, сурьмой, бором, алюминием или галлием), и конденсации получаемого потока на кремниевую подложку. В этом способе с целью изменения концентрации или типа легирующей примеси предусмотрена возможность перемещения подложки с растущим слоем от одного источника паров к другому, отличающемуся концентрацией или типом примеси. Это известный метод карусели, он широко используется в технологии осаждения многослойных материалов в вакууме и в частности для осаждения металлов.
Указанный способ в СМЛЭ (данный прототип) имеет следующие недостатки.
Первый недостаток указанного прототипа. В любой конкретный момент в слой входит только одна примесь.
Второй недостаток указанного прототипа. От одного источника паров в слой можно ввести примесь только с определенной концентрацией. При необходимости пролегировать слой одним типом примеси так, чтобы ее концентрация в слое менялась, поочередно используется несколько источников, легированных этой примесью до разных концентраций. Источников требуется много, а легирование получается скачкообразным. Для каждой примеси желательно иметь только один источник и способ, позволяющие прецизионно и по любой программе менять ее концентрацию в растущем слое, что также сократило бы и потребность в большом количестве источников. Меньшее количество источников примеси легче сгруппировать около подложки и тем самым осуществить легирование одновременно несколькими примесями, для кремния например, примесями В, Er, Ge, каждая из которых имеет свое назначение.
16
-3
18
-3
19
-3
Третий недостаток указанного прототипа. Это - узкий интервал концентраций легирующих примесей. Он обусловлен тем, что кремниевые источники паров вырезаются из слитков, выращенных из расплава. Концентрация легирующей примеси в слитках Si ограничена пределом равновесной растворимости при температуре их выращивания ≈1420°С значениями от 10см до 10см, для немногих примесей до 10см. Соответственно теми же значениями ограничены и концентрации примесей в выращенных слоях Si.
Предлагаемый заявителем (излагаемый ниже) новый способ регулирования концентрации примесей в структурах потребовал изменить конструкцию источников паров. Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого в п.6 формулы заявляемой группы изобретений источника паров в методе СМЛЭ является известная и распространенная удлиненная пластина прямоугольного сечения. Электрический ток к концам такой пластины подводится с помощью пластин металла. Такая конструкция источников паров в методе СМЛЭ используется многими исследователями (см., например, статью Павлова Д.А. и др. Получение методом сублимации легированных пленок поликристаллического кремния. - Физика и техника полупроводников. 1995, т.29, в.2, с.286-290). С целью уменьшения загрязнения напыляемых структур пластину - источник паров можно закреплять на токоподводах, выполненных в виде двух пар металлических пластин с контактными брусками, изготовленными из полупроводникового материала (см. авторское свидетельство СССР №343324, выданное на изобретение Кузнецова, H01L 21/20, 1989).
Недостатки источника паров - прототипа.
Первый недостаток данного прототипа. Источник паров может обеспечить легирование лишь в узком диапазоне концентраций. Об этом говорилось выше.
Второй недостаток данного прототипа. Короткий срок эксплутации.
Скорость испарения кремния резко убывает с понижением температуры пластины - источника паров. Поэтому, стремясь получить максимальную скорость эпитаксии, на пластине - источнике паров в рабочем режиме выставляется температура, близкая к точке плавления (1380-1400°С). Срок эксплуатации такой пластины заканчивается, когда ее целостность нарушается вследствие расплавления. Расплав может появиться и у контактов и на одной из боковых граней, на рабочей или обратной к ней поверхности этой пластины. Если даже область расплава появляется в центре указанной пластины, она, как показал эксперимент, быстро дрейфует к краю, сечение твердой пластины уменьшается и целостность пластины нарушается в течение ~1 минуты. Если учесть, что при промышленном использовании пластины - источники паров могут иметь длину несколько дециметров, ясно, что следить за температурой всех участков затруднительно.
С другой стороны, появление расплава на поверхности легированной пластины полезно, т.к. он является источником повышенного потока ряда примесей и может быть использован для получения сильнолегированной области в структуре. Пластину -источник паров желательно сконструировать так, чтобы она имела только ограниченный в размерах участок поверхности с повышенной температурой. Следя за температурой этого участка, можно контролировать нагрев всей пластины, а самое важное - при необходимости получать на участке с повышенной температурой стабильную во времени и пространстве область расплава для увеличения потока примеси.
1-x
x
4
В качестве прототипа заявляемого способа напыления по п.8 формулы заявляемой группы изобретений выбран известный гибридный способ напыления в вакууме кремний-германиевых структур - метод СМЛЭ Si в сочетании с методом газофазной эпитаксии Ge при низком давлении (см. статью Светлова СП. и др. Гетероэпитаксиальные структуры SiGe/Si(100), полученные сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксией кремния в среде GeH. - Известия РАН: Серия Физическая. 2001, т.65, №2, с.204-207).
Основным недостатком этого прототипа являются ограниченные количественно-качественные показатели регулирования концентрации примеси в растущей структуре, т.к. для эффективного разложения газа, содержащего германий, требуется высокая температура. При снижении температуры подложки скорость разложения газа уменьшается, возникают трудности с удалением с поверхности роста продуктов разложения. Газ нельзя мгновенно напустить или откачать из рабочей камеры. Все это и сказывается на точности контроля толщины выращенных слоев и концентрации германия в них. Кроме того, процесс взрывоопасен.
Раскрытие группы изобретений
Технический результат заявляемой группы изобретений - расширение технических возможностей легирования слоев при сохранении преимуществ прямого, резистивного нагрева источника напыляемого материала: обеспечение возможности прецизионного легирования какой-либо примесью от одного источника, увеличение пределов легирования, сокращение числа резистивных источников в технологическом цикле, обеспечение возможности одновременного легирования слоя различными примесями, создание технологической базы для разработки новых способов получения наноразмерных материалов.
Для достижения указанных результатов при напылении в вакууме структур для приборов электронной техники путем испарения резистивно нагреваемых пластин, выполненных из напыляемого материала с легирующей примесью, и конденсации получаемого потока паров на подложку в получении потока паров одновременно участвуют пластина, температуру нагрева которой поддерживают на уровне величины, задающей скорость роста напыляемой структуры, требуемую для эффективного встраивания легирующих примесей в растущую структуру, и группа пластин, различающихся легирующими примесями, причем температуры нагрева последних изменяют для регулирования концентрации легирующих примесей в растущей структуре за счет изменения состава потока паров в результате изменения скорости образования паров примесей (п.1 формулы группы изобретений).
-5
13
-3
18
19
-3
В частном случае осуществления предлагаемого способа при поддержании температуры нагрева пластины, выполненной из кремния, на уровне величины, задающей скорость роста напыляемой структуры, требуемую для эффективного встраивания легирующих примесей в растущую Структуру, например, при температуре в интервале 1380-1430°С, и изменении температур нагрева пластин, выполненных из сильнолегированного кремния и различающихся элементами, входящими в III и V группы периодической таблицы Д.И.Менделеева, в интервале от 800°С до верхней температурной границы твердого состояния этих пластин, например до 1400°С, выращивают в вакууме при давлении не более 10Па эпитаксиальную структуру напыляемого кремния с концентрациями указанных элементов, регулируемыми в интервале от 10см до 10-10см в зависимости от температуры нагрева соответствующих пластин (п.2 формулы заявляемой группы изобретений).
Для расширения пределов легирования, достигаемого при реализации заявляемого способа напыления, в способе регулирования концентрации легирующих примесей в структурах при их выращивании в вакууме в соответствии с указанным выше (п.1 формулы заявляемой группы изобретений) способом температуру каждой из входящих в группу пластин, различающихся легирующими примесями, изменяют в интервале температур рабочей поверхности такой пластины от твердого до расплавленного состояний на участке этой рабочей поверхности, выполненном с возможностью создания температурных условий образования на нем локальной зоны расплава рабочей поверхности и конструктивных условий удержания расплава за счет его сцепления с твердым поверхностным слоем указанной пластины (п.3 формулы заявляемой группы изобретений).
В частных случаях реализации указанного способа регулирования:
-5
13
-3
20
-3
(п.4 формулы заявляемой группы изобретений) в предлагаемом способе регулирования при поддержании температуры нагрева пластины, выполненной из кремния, на уровне величины, задающей скорость роста напыляемой структуры, требуемую для эффективного встраивания легирующих примесей в растущую структуру, например, при температуре в интервале 1380-1430°С, температуры нагрева пластин, выполненных из сильнолегированного кремния и различающихся элементами, входящими в III и V группы периодической таблицы Д.И.Менделеева, изменяют в интервале от 800°С до температуры расплавления рабочих поверхностей этих пластин на их участках, выполненных в соответствии с вышеизложенным способом регулирования, и выращивают при этом в вакууме при давлении не более 10Па на подложке эпитаксиальную структуру напыляемого кремния с концентрациями указанных элементов, регулируемыми в процессе роста указанной структуры в интервале от 10см до 10см в зависимости от температуры нагрева рабочих поверхностей соответствующих пластин на упомянутых участках;
-5
13
-3
20
-3
(п.5 формулы заявляемой группы изобретений) в предлагаемом способе регулирования при поддержании температуры нагрева первой пластины, выполненной из кремния, на уровне величины, задающей скорость роста напыляемой структуры, требуемую для эффективного встраивания легирующих примесей в растущую структуру, например при температуре в интервале 1380-1430°С, температуру нагрева второй пластины, выполненной из кремния, сильнолегированного редкоземельным элементом, например эрбием, изменяют в интервале от 800°С до температуры расплавления участка рабочей поверхности этой пластины, выполненного в соответствии с вышеизложенным способом регулирования, и выращивают при этом без напуска технологического газа при давлении остаточных газов ~10Па на подложке эпитаксиальную структуру напыляемого кремния с концентрацией эрбия, регулируемой в процессе роста указанной структуры в интервале от 10см до 10см в зависимости от температуры нагрева рабочей поверхности второй пластины на упомянутом участке.
Предлагаемая технология вакуумного напыления основана на использовании заявляемого резистивного источника паров напыляемого материала и легирующей примеси (п.6 формулы заявляемой группы изобретений), представляющего собой пластину, снабженную токоподводамй на ее противоположных концах, в которой ее продольная центральная полоса на участке между токоподводами выполнена с выступом на рабочей поверхности пластины на всем протяжении данного участка, причем указанная центральная полоса имеет за счет выступа толщину, превышающую толщину пластины на остальных ее участках на величину, достаточную для образования и удержания на выступе локальной зоны расплава рабочей поверхности пластины при увеличении температуры ее резистивного нагрева, в частности в резистивном источнике (п.7 формулы заявляемой группы изобретений) в случае выполнения пластины из материала на основе кремния, толщина центральной полосы пластины с выступом превышает толщину последней на остальных ее участках не менее чем в 1,5 раза.
1-x
x
-5
В предлагаемом способе напыления в вакууме кремний-германиевых структур (п.8 формулы заявляемой группы изобретений) путем испарения резистивно нагреваемых пластин, выполненных из кремния, и введения молекул, содержащих германий, в поток паров напыляемого материала, конденсируемых на подложку, в получении потока паров одновременно участвуют первая пластина, выполненная из кремния, температуру нагрева которой поддерживают на уровне величины, задающей высокую скорость роста напыляемой структуры, например при температуре в интервале 1380-1430°С, и вторая пластина, выполненная из сплава кремния с германием с содержанием германия, например в интервале 4-8% (максимальная концентрация германия - в исходных источниках, полученных вытягиванием из расплава), причем температуру нагрева второй пластины поддерживают на уровне температуры расплавления участка рабочей поверхности этой пластины, выполненного в соответствии с вышеизложенным исполнением в п.7 формулы заявляемой группы изобретений пластины резистивного источника (из сплава SiGe), и выращивают при этом при давлении не более 10Па на подложке эпитаксиальную структуру напыляемого кремния, регулируя концентрацию германия в структуре, соответственно от 30 до 70% в зависимости от содержания германия в материале второй пластины.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 показан общий вид в аксонометрии заявляемого резистивного источника паров напыляемого материала и легирующей примеси; на фиг.2 - фото резистивного источника паров после использования для эпитаксии в случае выполнения его пластины из кремниевого материала.
Осуществление группы изобретений
Для достижения вышеизложенного технического результата заявляемой группы изобретений усовершенствована конструкция резистивных источников паров напыляемого материла и легирующей примеси.
Заявляемый источник паров (см. фиг.1) представляет собой длинную пластину, в которой ее центральная полоса 1 выполнена с выступом толщиной полосы за счет выступа, превышающей толщину пластины на остальных ее участках 2 на величину, достаточную для образования и удержания на выступе между токоподводами 3 локальной зоны расплава рабочей поверхности пластины при увеличении температуры ее резистивного нагрева.
Зона расплава резистивного источника паров, выполненного из кремния, в пределах полосы 1 после использования (см. фиг.2) видна как светлая полоска. Указанный резистивный источник паров представляет собой пластину, в случае ее выполнения из кремниевого материала, с ее продольной (вдоль направления, параллельного направлению электрического тока) центральной полосой 1, на всем протяжении участка между токоподводами 3 имеющей толщину за счет выступа, большую в 1,5 раза толщины участков полосы 2, прилегающих к краям пластины.
Для обеспечения большой скорости эпитаксии, которая экономит время изготовления структуры, а главное необходима для захвата слоем легирующей примеси, пластины - резистивные источники паров желательно брать как можно более широкими. Подвод тока к пластинам - источникам паров может осуществляться разными способами: путем закрепления двух концов пластины двумя парами металлических токоподводящих пластин, подобно а.с. SU №343324 А1, 1989 с выполнением профильного изгиба пластин под центральную полосу 1 (фиг.1) заявляемого резистивного источника паров или путем контакта токоподводящих пластин 3 к поверхностям торцов источника (см. фиг.1). Однако, как показывает эксперимент, независимо от способа крепления, площади и материала токоподводов их электрический контакт с полупроводниковой пластиной (токоввод) стягивается в точку площадью несколько квадратных миллиметров. Поэтому, оберегая пластину - источник паров от расплавления в контакте, равномерно нагреть ее до высоких температур от одного источника тока удается только при ограниченной ширине. Например, до 1380°С пластину кремния шириной 7 мм можно нагреть при толщине 0,5 мм, шириной 10 мм -при толщине 1 мм. Это критическое значение ширины пластины с увеличением ее толщины растет, но растет слабо, а энергозатраты и температура токоподводов растут существенно, вследствие чего понижается вакуум, увеличивается плотность дефектов кристаллической структуры и уровень загрязнения слоев. В этом смысле пластина как источник паров имеет преимущество по сравнению с бруском, имеющим большую площадь сечения и, следовательно, более высокую температуру токоподводов. Другое важное преимущество конструкции пластины заявляемого резистивного источника по сравнению с бруском - возможность осуществить предлагаемое решение - иметь стабильную зону расплава.
-5
Кроме вышеуказанного ограничения на ширину нагреваемой пластины, связанного с физикой прохождения тока, геометрические размеры пластины заявляемого резистивного источника определяются экономической целесообразностью. Для методов вакуумной конденсации экономическая целесообразность заключается в возможности получать структуры с нужными свойствами в более дешевой, однокамерной установке, в более низком (10 Па), дешевом вакууме, в возможности снизить энергозатраты, температуру металлических токоподводов, а следовательно, плотность дефектов кристаллической структуры и уровень загрязнения слоев. Ключ к решению этих задач - прежде всего в разумном уменьшении площади сечения нагреваемых пластин. Пластины - источники паров кремния и его примесей имели в нашем случае размеры: ширину 7 мм, толщину полос 2 по 0.5 мм, ширину полос 1 и 2 по 2,3 мм (см. фиг..1). Пластины меньшей толщины чаще ломаются при резке, травлении или загрузке. Если толщину центральной полосы 1 взять больше толщины полос 2 в 1,5-2 раза, тонкая линия расплава шириной ~1 мм в центре пластины (см. фиг.2) длиной, например 70 мм, будет устойчивой во времени, а температура полос 2 всего лишь на 20-40°С ниже температуры расплава. При расстоянии между пластиной и подложкой, на которую напыляют полупроводниковую структуру, равном 15-50 мм это обеспечивает от одного источника и большой поток примеси из зоны расплава и достаточно высокую скорость эпитаксии, необходимую для захвата многих легирующих примесей растущим слоем.
Толщина полосы 1 может отличаться и более чем в 2 раза от толщины полос 2. В этом случае расплав будет не менее устойчивым во времени и пространстве, а появление расплава также обеспечит увеличение потока легирующей примеси. Однако полосы 2 будут иметь при этом более низкую температуру, что может не обеспечить нужную скорость эпитаксии от одной пластины. При получении необходимой скорости эпитаксии путем введения в рабочий объем еще одной пластины из слаболегированного кремния - резистивного источника паров кремния, значение толщины центральной полосы 1 (см. фиг.1) сильно легированной кремниевой пластины - поставщика примеси можно выбирать в более широком интервале. В этом случае и толщина полосы 1 будет слабее зависеть от толщины боковых полос 2 и общей ширины пластины.
Предлагаемое вакуумное напыление с регулированием концентрации легирующих примесей в структурах осуществляют следующим образом.
13
-3
18
-3
19
-3
Для обеспечения возможностей прецизионного легирования и одновременного легирования несколькими примесями, разные пластины - резистивные источники паров напыляемого материала и легирующих примесей (как обычные, так и заявляемой формы) были наделены разными функциями, размещаемые в одной ростовой вакуумной камере. Одна из пластин, обычно легированная слабо, нагревалась до высокой температуры и обеспечивала достаточно высокую скорость роста, другие, обычно легированные сильно, обеспечивали меняющиеся потоки молекул разных легирующих примесей. В этом случае оказалось возможным в широком диапазоне и быстро (секунды) менять концентрацию легирующей примеси в растущей структуре путем изменения потока примеси при варьировании в интервале 800-1400°С температуры сильно легированных пластин. Например, для легирующих примесей -элементов III, V групп периодической системы, а также для редкоземельного элемента эрбия концентрация в слое кремния может быть проварьирована в интервале от 10см до 10см - 10см.
-5
Поверхность пластины - источника паров при низких температурах могла отравиться вследствие химической реакции атомов Si с элементами газового остатка камеры. Тем более что процесс легирования проводился заявителем в низком (10Па) дешевом вакууме при откачке рабочего объема паромасляным насосом. В этом случае контроль процесса легирования был бы утрачен. Так оно и происходило, если поставщик примеси -легированная пластина Si пребывала при температуре ниже 800°С, а затем ее температура повышалась до температуры выше 1000°С. Возможность варьировать концентрацией примеси в растущем слое путем изменения температуры поставщика примеси - легированной пластины Si, в интервале 800-1400°С получила экспериментальное подтверждение. Зависимость концентрации легирующей примеси в слое от обратной температуры источника примеси - легированной пластины имела повторяемый вид - вид экспоненты, и ее можно программировать.
В предлагаемых способах вакуумного напыления в отличие от метода МЛЭ в случае регулирования концентрации легирующих примесей в растущей структуре с помощью заявляемого резистивного источника паров зона расплава делалась не для увеличения скорости эпитаксии кремния, а с целью увеличения потока примеси. При этом преимущества резистивного нагрева источников сохранялись. Поток примеси из зоны расплава можно контролировать, варьируя в разумных пределах скорости эпитаксии.
Метод МЛЭ Si с изменяющимся потоком легирующей примеси путем изменения температуры эффузионной ячейки не эффективен в связи с трудностью контроля концентрации примесей в растущем слое вследствие их сегрегации.
Температура зоны расплава предлагаемого резистивного источника паров, использовавшегося при регулировании концентрации примесей в растущей структуре, была низка, она практически не отличалась от температуры плавления кремния (1420°С), поэтому дефектов-капель, присущих методу МЛЭ, не возникало. Зона расплава может существовать достаточно долго, например 5 часов, причем ее можно ликвидировать или воссоздавать вновь.
-5
В методе МЛЭ легирование эрбием для активизации его оптических свойств возможно при солегировании разными элементами, например путем напуска в рабочий объем кислорода или испарения из тигля углерода. В отличие от МЛЭ в заявляемом способе напыления слоев Si:Er (п.5 формулы заявляемой группы изобретений) такого солегирования специально не производилось, так как была возможность получать оптически активные слои хорошего качества в невысоком вакууме 10Па, в присутствии большого количества разнообразных остаточных газов, кислорода и углеродосодержащих газов в их числе (см. статью Кузнецова В.П. и Красильника З.Ф. Метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии структур на основе кремния. - Физика и техника полупроводников, 2010, т.44, в. 3, с.413-417).
Эпитаксиальные слои, легированные примесями (Р, As, Sb, Al, Ga, Er), выращивались при низких температурах 400-600°С и, несмотря на то, что концентрация примесей на много порядков превышала равновесную, примеси были электрически и оптически активными без дополнительного отжига.
1-x
x
Содержание Ge в слоях-сплавах SiGe, полученных из зоны расплава соответствующих резистивно нагреваемых пластин -резистивных источников, выполненных из кремния с содержанием Ge 4-8% (максимальная концентрация Ge в исходных источниках) в присутствии слаболегированной кремниевой пластины - резистивного источника, задающего требуемую скорость роста напыляемой структуры, доходит соответственно до 30-70% (см. статью Кузнецова В.П. и Красильника З.Ф. Метод сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии структур на основе кремния. - Физика и техника полупроводников. 2010, т.44, в.3, с.413).
Увеличение потока примеси при расплавлении кремния будет наблюдаться для многих примесей, так как для многих элементов равновесное давление паров выше, чем у кремния. Исключением являются немногие элементы, например Ta, W, Mo, которые используются для изготовления греющихся конструкций внутри рабочего объема.
В отличие от метода испарения легирующей примеси из эффузионной ячейки температуру источника примеси - легированной пластины Si в интервале oт 800°С до температуры расплава 1420°С можно менять резко (секунды), указанный интервал температур достаточно широк, а точность измерения температуры пирометром достаточно высока 10°С. Указанные возможности и позволяют обеспечить высокую степень контроля процесса легирования.
Примеры управления концентрацией примеси в растущем слое.
13
-3
15
-3
20
-3
13
20
-3
1. При использовании одного источника паров примеси примером может служить способ получения в процессе роста резких концентрационных профилей и наноразмерных селективно легированных слоев. Исходное условие: источник паров Si дает скорость эпитаксии 0,7 мкм/ч (0,2 нм/с), концентрация электрически активных примесей в этом источнике ~ 10см. Изменяя за несколько секунд температуру источника примеси, например фосфора, от 800°С до температуры плавления Si, получают в растущем слое предельно резкий переход от концентрации фосфора 10см до 10см, а если источник фосфора находился за экраном, то от 10 до 10см. Проведя затем легирование из расплава в течение 5 или более секунд, а затем, понизив температуру источника примеси до значения в интервале 800-1400°С (твердое состояние), получают селективно легированный слой толщиной, соответственно, 1 нм или более. В частности, толстая (0,2-0,4 мкм) сильнолегированная область, полученная в конце роста структуры, необходима для создания омического контакта с металлом.
+
+
2. Примером одновременного легирования слоя Si несколькими примесями является выращивание структур типа p-p-n(Si:Er:P:Ge:B)-n для исследования электролюминесценции. Концентрации примесей Er, Р, Ge, В в n-слое менялись по его толщине путем изменения температуры источников, содержащих указанные примеси. Скорость роста обеспечивала пластина - источник паров Si с низким содержанием электрически активных примесей.
Равновесное давление паров ряда элементов, находящихся в твердом состоянии, Er, Ti, Fe, Y, Zn и др. не меньше, чем для кремния. Среди них есть и полупроводники и металлы. Это значит, что достаточно большие скорости испарения и конденсации для таких элементов, их соединении и сплавов можно получить, используя резистивный нагрев пластин, приготовленных из этих материалов. Поэтому, предлагаемые решения могут быть использованы не только для кремния. Кроме назначения - напыления в вакууме, группа изобретений может быть использована в качестве стендовой технологии и в других областях науки и техники, где необходима высокая чистота процесса при исследовании свойств веществ, находящихся одновременно в разных агрегатных состояниях (твердое, жидкость, пар), при исследовании процессов межфазных переходов, при определении ряда физических параметров, например температуры плавления материалов.