СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИЕЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ СУБЛИМАЦИОННОЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
METHOD OF MAKING SEMICONDUCTOR STRUCTURE BY MOLECULAR BEAM EPITAXY AND APPARATUS FOR SUBLIMATION MOLECULAR BEAM EPITAXY

Изобретение относится к технике получения пленок в вакууме и может быть использовано для изготовления молекулярно-лучевым осаждением многослойных структур со слоями разного типа проводимости при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности, на основе кремния.
Настоящее изобретение направлено на создание способа и установки вакуумного напыления полупроводниковых структур с применением в ростовой камере нескольких источников напыляемых материалов, один из которых предназначен для формирования матричного слоя полупроводниковой структуры, а другие - для легирования слоев конкретными примесями.
В настоящее время для изготовления полупроводниковых структур с наноразмерами, особенно на основе кремния, уделяется большое внимание совершенствованию способов, основанных на молекулярно-лучевой эпитаксии, в которых потоки напыляемых материалов формируют путем термического испарения. Известные способы молекулярно-лучевой эпитаксии отличаются устройствами, используемыми для формирования потока испаряемого материала.
Известны установки для изготовления многослойных полупроводниковых структур, содержащие расположенные в ростовой камере тигли с напыляемыми материалами, испаряемыми электронно-лучевой пушкой.
В установке для напыления кремний-германиевых гетероструктур, известной по RU 2407103 С1, 20.12.2010, испарение кремния ведут в автотигельном режиме из кремниевого расплава в твердой кремниевой оболочке, а испарение германия - из германиевого расплава в кремниевом вкладыше, представляющем собой выработанный ранее полый остаток, образовавшийся в результате испарения кремния в автотигельном режиме.
Известны установки, в которых сочетаются испарение напыляемых материалов электронно-лучевой пушкой и испарение резистивным нагревом. Так, известна установка, в которой для напыления матричного слоя используется электронно-лучевая пушка, а для формирования легированных слоев - источники в виде эффузионных ячеек с резистивно нагреваемыми тиглями, в каждый из которых помещен материал, являющийся легирующей примесью (J. Cryst. Growth, 1998, v.183, p.99). Контроль концентрации легирующей примеси в слоях осуществляется варьированием температуры эффузионной ячейки и положением заслонки, расположенной над ее выходным отверстием. Для управления потоком легирующей примеси используется квадрупольный масс-спектрометр. Особенностью эффузионных ячеек при использовании их для напыления полупроводниковых структур на основе кремния является то, что испарение примесного материала из нее происходит в виде потока молекул, а поскольку электрически активные состояния в решетке кремния могут занимать только одиночные атомы примесных элементов, то эффективность легирования определяется только долей одноатомных частиц в потоке примеси. Вероятность диссоциации многоатомных молекул примеси за время пребывания их в состоянии адсорбции или за время роста монослоя невелика, а встраивание их в кристалл кремния неизбежно приведет к генерации дефектов.
Известна установка для изготовления многослойной полупроводниковой структуры, содержащая расположенные в ростовой камере тигли с материалом, испаряемым электронно-лучевым испарителем, и сублимирующий резистивный источник для формирования легированных слоев, выполненный в виде арки (J. Appl. Phys., 1995, v.78, р. 937). Концентрация легирующей примеси в формируемом слое варьируется путем изменения тока, пропускаемого через сублимирующий источник.
Установки, использующие электронно-лучевые испарители, имеют ряд недостатков. Нагрев испаряемого материала настолько интенсивен (1500-1600°С), что в этих установках возникает интенсивный нагрев стенок камеры роста и всей внутренней арматуры камеры. Это затрудняет получение достаточно чистых слоев из-за испарения газов из материала конструктивных элементов. Кроме того, малые изменения в характеристиках электронно-лучевого испарителя могут вызвать существенные изменения (вариации) скорости испарения, что требует дополнительного контроля. В процессе испарения напыляемого материала генерируются высокоэнергетичные частицы и рентгеновские лучи, отрицательно влияющие на качество напыляемых слоев, а при повышенной скорости испарения на поверхности растущего слоя образуются дефекты в виде капель.
Одним из способов, применяемым для выращивания эпитаксиальных слоев совершенной структуры, является способ, основанный только на сублимации напыляемого материала путем резистивного нагрева источника испаряемого материала. Достоинством этого способа является то, что при резистивном нагреве источников напыляемого материала можно резко изменять их температуры и, тем самым, изменять концентрации примесей в структуре путем варьирования скорости эпитаксии. Возможность резко изменять температуру источников позволяет также изменять скорость захвата примеси растущим слоем. Этот способ характеризуется возможностью получения более совершенных полупроводниковых структур за счет возможности генерации источником напыляемого материала осаждаемых частиц, в основном атомарных, а также за счет уменьшения вероятности загрязнения выращиваемых слоев примесями, образующимися вследствие повышения давления остаточных газов при испарении материала. Кроме того, установки вакуумного напыления, реализующие сублимационную молекулярно-лучевую эпитаксию, более просты конструктивно, более удобны в эксплуатации и достаточно дешевы.
п
и
Широко известен способ изготовления полупроводниковой структуры молекулярно-лучевой эпитаксией, основанный на испарении напыляемых материалов из твердого состояния, включающий нагрев подложки, на которой формируют полупроводниковую структуру, формирование слоев, в том числе легированных, путем резистивного нагрева электрическим током источников напыляемых материалов (например, Приборы и техника эксперимента, 2001, с.137). В соответствии с этим способом сначала формируют один слой полупроводниковый структуры путем резистивного нагрева электрическим током источника одного материала, например нелегированного, а затем формируют другой слой путем резистивного нагрева источника другого материала, например, из материала, легированного примесью. Для изменения концентрации донорной или акцепторной примесей в легированных слоях в процессе выращивания полупроводниковой структуры изменяют температуру подложки от низкой до высокой. Это связано с тем, что эффективность легирования определяется коэффициентом К переноса или коэффициентом К использования потока примеси, равными соответственно:
,
-3
где N - концентрация примеси в эпитаксиальном слое, см;
u
-3
N - концентрация примеси в источнике Si, см;
2
W - плотность потока примеси, ат/см·с;
p
V - скорость роста слоя, см/сек,
p
а скорость V роста определяется температурой источника напыляемого материала. Поэтому управление уровнем легирования слоев в установке можно достичь только путем варьирования температуры подложки. Так, получение слоев n-типа проводимости с разной концентрацией примеси с использованием источников кремния, легированных фосфором, мышьяком, сурьмой, или р-типа проводимости из источников кремния, легированных галлием или алюминием, возможно лишь путем вариации температуры подложки от 500 до ~1000°С.
Установка для реализации этого способа содержит расположенные в камере роста подключенные к соответствующим блокам питания два резистивных источника напыляемых материалов, по меньшей мере, один из которых легирован примесью, а между подложкой и источниками расположен подвижный экран, установленный с возможностью перемещения от одного источника к другому при выращивании многослойных эпитаксиальных структур. Резистивные источники подключены к соответствующим блокам питания, выполненным неуправляемыми. Для получения легированных слоев с требуемой степенью легирования нагреватель подложки подключен к управляемому блоку питания.
Недостаток известного способа и установки для его реализации связан с тем, что при используемом в ней управлении эффективностью легирования, требующей для определенных примесей повышения температуры подложки, происходит увеличение или снижение десорбции части примесных атомов, падающих на поверхность растущего слоя, и, как следствие, усиление диффузии примеси при высоких температурах подложки и размытие профиля распределения концентрации легирующей примеси на границе слоев. Это снижает качество формируемой полупроводниковой структуры. Кроме того, в известной установке для получения полупроводниковой структуры на основе кремния резистивный источник содержит одну, вполне определенную, электрически активную в кремнии примесь III (P, As, Sb) или V (В, Al, Ga) групп Периодической системы, и в ней нельзя получить многослойные структуры на основе кремния, которые содержали бы слои р-типа проводимости с разной концентрацией примеси из источника кремния, легированного бором.
Техническим результатом, достигнутым при использовании настоящего изобретения, является повышение качества изготовляемых полупроводниковых структур и расширение функциональных возможностей способа и установки за счет реализации возможности получения многослойных структур с широким диапазоном концентраций легирующих примесей при относительно низких температурах роста.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления полупроводниковой структуры молекулярно-лучевой эпитаксией, основанном на испарении напыляемых материалов из твердого состояния, включающем формирование легированного слоя путем резистивного нагрева электрическим током источника материала, легированного примесью, формирование легированного слоя полупроводниковой структуры осуществляют одновременным испарением основного нелегированного материала и основного материала, легированного примесью.
Для повышения качества изготовляемой структуры при формировании легированного слоя полупроводниковой структуры поддерживают постоянной плотность потока основного материала путем подбора электрического тока пропускаемого через источник основного нелегированного материала, и электрического тока, пропускаемого через источник основного материала, легированного примесью.
При этом целесообразно при уменьшении или увеличении тока через источник основного нелегированного материала соответственно увеличивать или уменьшать электрический ток через источник материала, легированного примесью.
Технический результат достигается тем, что в установке молекулярно-лучевой эпитаксии для изготовления полупроводниковой структуры, содержащей расположенные в камере роста два резистивных источника напыляемого материала, подключенных к соответствующим блокам питания, а также установленный между подложкой и источниками перемещаемый экран, блоки питания резистивных источников выполнены управляемыми и соединены с программным устройством, при этом один источник выполнен из основного нелегированного материала, а другой - из основного материала, легированного примесью.
Целесообразно в качестве программного устройства использовать компьютер, соединить его вход через многоканальный аналого-цифровой преобразователь с каждым блоком питания и подключить один его выход через многоканальный цифроаналоговый преобразователь к управляемому входу каждого из блоков питания.
Источники напыляемых материалов желательно расположить вдоль одной линии и отделить друг от друга неподвижно установленными экранами.
В другом варианте установки для многих практических применений в нее введен дополнительный источник основного материала, легированный примесью, и дополнительный управляемый блок питания, который подключен к программному устройству.
В этой установке также в качестве программного устройства может быть использован компьютер, вход которого через многоканальный аналого-цифровой преобразователь соединен с каждым блоком питания, а выход через многоканальный цифроаналоговый преобразователь подключен к управляемому входу каждого из блоков питания.
В этом варианте источники напыляемых материалов тоже целесообразно расположить вдоль одной линии и отделить друг от друга неподвижно установленными экранами.
В основе изобретения лежит предложение использовать для формирования легированного слоя полупроводниковой структуры одновременно два резистивных источника - и источник из нелегированного основного материала и источник из основного материала, легированного примесью. Этот прием позволяет изменять плотность потока легирующей примеси на поверхности растущего слоя при поддержании постоянной температуры подложки, обеспечивая постоянство потока основного материала на подложку и, в то же время, изменяя количественное содержание примеси, падающей на поверхность растущего слоя, при этом в процессе формирования полупроводниковой структуры резистивный источник основного нелегированного материала находится в рабочем режиме постоянно.
Поддержание постоянной и достаточно низкой температуры подложки исключает диффузию примеси в формируемом слое и способствует повышению качества изготовляемой полупроводниковой структуры. Постоянство плотности потока основного материала осуществляют варьированием тока, пропускаемого через резистивные источники, для чего последние подключают к управляемым блокам питания. Ток изменяют таким образом, что при уменьшении тока через источник основного нелегированного материала увеличивается ток через источник легированного материала и наоборот. При выращивании многослойной структуры с разной концентрацией легирующей примеси в слоях изменяют температуру источника основного материала, легированного примесью, а для сохранения постоянства скорости роста при переходе от роста одного слоя к другому одновременно изменяют и температуру источника основного нелегированного материала.
Алгоритм изготовления полупроводниковой структуры, включая изменения токов, пропускаемых через каждый источник, и время напыления при выращивании каждого слоя закладывается в программное устройство, в частности в компьютер, что позволяет автоматизировать процесс изготовления полупроводниковой структуры. Алгоритм разрабатывается на основе экспериментальных данных, полученных при разработке конкретной полупроводниковой структуры для конкретного прибора.
Изобретение поясняется фиг.1, на которой схематично изображена камера роста установки с тремя резистивными источниками, фиг.2 и фиг.3, на которых представлены установки с двумя и тремя резистивными источниками напыляемых материалов, а также фиг.4, на которой приведено распределение бора в тестовой многослойной структуре на основе кремния, легированного бором до различных концентраций.
Изображенная на фиг.1 установка включает камеру 1 роста, подложку 2 и три резистивных источника 3, 4 и 5, они расположены вдоль одной линии для упрощения расчета технологических режимов при изготовлении полупроводниковой структуры. При этом источник 4 выполнен из основного нелегированного материала, а источники 3 и 5 - из основного материала, легированного разными примесями. В частном случае источник 4 может быть выполнен из кремния, источник 3 - из кремния, легированного донорной примесью (Р, As, Sb), а источник 5 - из кремния, легированного акцепторной примесью (В, Al, Ga).
Источники 3 и 4 отделены друг от друга неподвижно установленным экраном 6, а источники 4 и 5 отделены друг от друга неподвижно установленным экраном 7.
Перемещаемый экран 8 расположен между подложкой 2 и резистивными источниками 3, 4 и 5.
В изображенном на фиг.2 варианте установка имеет источник 9 основного нелегированного материала и источник 10 основного материала, легированного примесью. Источники 9 и 10 подключены к регулируемым блокам 11 и 12 соответственно, а подложка 2 - к источнику питания 13.
Выходы и управляемые входы регулируемых блоков 11 и 12 соединены с программным устройством 14, в которое заложен алгоритм проведения технологических операций изготовления конкретной полупроводниковой структуры.
В приведенной на фиг.2 установке в качестве программного устройства 14 использован компьютер 15, выход которого через многоканальный цифроаналоговый преобразователь 16 подключен к управляемым входам блоков 11 и 12 питания для подачи сигналов на входы блоков 11 и 12 для регулирования и установки тока, пропускаемого через источники 9 и 10, в соответствии с требуемыми температурными режимами их испарения. Сигнал на вход компьютера 15 с блоков 11 и 12 поступает через многоканальный аналого-цифровой преобразователь 17.
Изображенный на фиг.3 вариант установки отличается от варианта, изображенного на фиг.2, наличием третьего источника 18 напыляемого материала, выполненного из основного материала, легированного другой примесью, нежели материал источника 10, и наличием третьего регулируемого блока 19 питания, подключенною к источнику 18. Блок 19 соединен с компьютером посредством цифроаналогового преобразователя 16 и аналого-цифрового преобразователя 17 аналогично блокам 11 и 12.
Источники 9, 10 и 18 расположены в камере 1 роста на токовводах следующим образом: в центре расположен источник 10, а по бокам - источники 9 и 18. Источник 9 подключен к блоку 11 питания, источник 10 - к блоку 12 питания, а источник 18 - к блоку 19 питания.
Реализация способа поясняется на установке, изображенной па фиг.3, при использовании источника 9 основного нелегированного материала, выполненного в виде бруска, вырезанного из слитка нелегированного кремния, источника 10 - в виде бруска из кремния, легированного донорной (Р), а источник 18 - в виде бруска из кремния, легированного акцепторной примесью (В). В качестве подложки 2 использован кремний с ориентацией Si(100).
-7
Камеру 1 роста откачивают до давления <1·10 Торр, включают блок 13 питания подложки 2 и нагревают ее пропусканием тока до температуры 1250°С и выдерживают при этой температуре в течение 10 минут. Одновременно включают блоки 11, 12, 19 питания источников 9, 10, 18. В соответствие с используемым технологическим режимом, заложенным в программу компьютера 15, с помощью блоков 11, 12, 19 питания повышают ток, пропускаемый через источники 9, 10 и 18 до величины тока, соответствующему температуре отжига (как правило ~1350°С), и выдерживают при этой температуре в течение 10 минут. После этого снижают температуру подложки 2 до ~500°С и начинают рост слоя n-типа. Для этого через компьютер 15, аналого-цифровой преобразователь 17 и цифроаналоговый преобразователь 16 с помощью блока 11 питания повышают ток, проходящий через источник 9 чистого кремния, до рабочей температуры (~1380°С). Одновременно с этим также через компьютер 15, аналого-цифровой преобразователь 17 и цифроаналоговый преобразователь 16 с помощью блока 12 питания понижают ток, проходящий через источник 10 кремния с донорной примесью (фосфором), до температуры ~1200°С. По достижении источниками 9 и 10 заданных температур открывают экран 8, отделяющий подложку 2 от источников 9, 10, и проводят рост слоя кремния n-типа проводимости толщиной 0,5 мкм. Источник 18 кремния с акцепторной примесью во время роста слоя n-типа выключен.
+
В процессе осаждения слоя токи, пропускаемые через источники 9 и 10, поддерживаются постоянными с помощью блоков 11, 12 питания, чтобы обеспечить постоянство суммарного потока атомов кремния из обоих источников с целью сохранения постоянства скорости роста слоя n-типа. После выращивания слоя n-типа выключают блок 12 питания источника 10. Снижают температуру источника 9 (чистого кремния) до ~1300°С и одновременно поднимают температуру источника 18 (бор) до ~1380°С и проводят осаждение слоя р-типа проводимости толщиной 0,5 мкм. При этом с помощью компьютера 15 через цифроаналоговый преобразователь 16 и аналого-цифровой преобразователь 17 регулируют токи, пропускаемые через источники 9 и 18 с помощью блоков питания 11 и 19, и достигают постоянства общего потока атомов кремния из этих источников с целью обеспечения постоянства скорости роста слоя р-типа.
Повышение качества изготовляемых полупроводниковых структур и расширение функциональных возможностей установки за счет реализации возможности получения многослойных структур с широким диапазоном концентраций легирующих примесей при относительно низких температурах роста иллюстрируется нижеприведенными экспериментальными данными, полученными на установке, изображенной на фиг.2.
14
-3
19
-3
14
-3
В качестве источника 9 использован нелегированный кремний с концентрацией бора ~10 см, а в качестве источника 10 - кремний, легированный бором с концентрацией бора ~5·10 см. В качестве подложки использована пластина, вырезанная из кремния с концентрацией бора ~4·10 см.
18
-3
16
-3
19
-3
18
-3
После термического отжига источников 9 и 10, проводимого для их обезгаживания, температура источника 9 повышалась до 1350°С, а температура источника 10 - до 1330°С, и растили первый слой 1 с концентрацией бора 4·10 см на подложке 2 кремния Si(100). Затем снижали температуру источника 10 до ~1000°С, а температуру источника 9 повышали до 1380°С и растили второй слой II, в котором концентрация бора составила ≤1·10 см. После этого повышали температуру источника 10 до 1370°С, а температуру источника 9 снижали до 1300°С и растили третий слой III, получая в нем концентрацию бора ~1·10 см. После этого растили четвертый слой IV, аналогичный слою II, при тех же температурных режимах источников 9 и 10. После чего повышали температуру источника 9 до 1350°С, а температуру источника 10 снижали до температуры 1350°С и растили пятый слой V, в котором кремний легирован бором до концентрации 6·10 см.
16
-3
16
-3
19
-3
Скорость роста слоев составляла ~1 мкм/час. Температуру подложки 2 в процессе роста этой многослойной структуры поддерживали постоянной, равной 500°С. На фиг.4 приведен профиль распределения концентрации бора в полученной структуре по ее глубине. Профиль измерен методом масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) с пределом разрешения по бору до ~5·10 см. Как видно из фиг.4, концентрация бора в слоях изменяется в зависимости от температуры источников 9 и 10. Резкая граница между слоями указывает на отсутствие диффузии примеси (бора). Вариация концентрации бора в слоях широкая: от ~5·10 см (нижний предел разрешения SIMS по бору) до ~1·10 см (максимальная концентрация при переносе из такого источника).
+
+
13
-3
19
-3
На установке, изображенной на фиг.2, была выращена тестовая многослойная структура n-n-р(подложка), содержащая слои кремния, легированного донорной примесью (фосфором), до разного уровня. В качестве источника 9 нелегированного материала был использован кремний с концентрацией фосфора ~1·10 см, а в качестве источника 10 - кремний, легированный фосфором с концентрацией фосфора 1,5·10 см. Структуру выращивали при постоянной температуре подложки 2, равной 500°С.
+
При выращивании первого слоя (n-типа) источник 9 нелегированного кремния нагревали до 1360°С, а источник 10 легированного кремния - до 1320°С. После роста слоя n-типа толщиной 0,55 мкм проводили изменение температур источников: температуру источника 9 снижали до 1200°С, а температуру источника 10 повышали до 1370°С и растили слой n-типа толщиной 0,3 мкм.
На выращенных структурах методом фотолитографии формировали диодные матрицы и проводили измерение их электрических параметров.
Вольт-амперная характеристика полученного диода практически не имела разброса по параметрам в отличие от диодов, полученных по известной технологии, а напряжение пробоя лежит в пределах 25-30 В, т.е. пробой резкий, в отличие от диодов, полученных по известной технологии. Достижение таких параметров диодов возможно за счет обеспечения резкого профиля концентрации примесей в слоях изготавливаемой структуры.
Таким образом, при использовании настоящего изобретения возможно расширение диапазона концентраций легирующих примесей в слоях многослойной кремниевой эпитаксиальной структуры, увеличение резкости профиля концентрации примеси на границе слоев и улучшение электрофизических и оптических характеристик выращенных полупроводниковых структур.