автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии получения эпитаксиальных слоев кремния Р-типа проводимости для базовых областей мощных высоковольтных транзисторов методом жидкофазной эпитаксии

На правах рукописи

.ПО

2 9 ЛП.

МОРГУНОВ Игорь Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ КРЕМНИЯ Р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ ДЛЯ ВАЗОВЫХ ОБЛАСТЕЙ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность: 05.27.06 Технология полупроводников и материалов электронной

техники

Автоферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре технологии материалов электронвой техники Московского института стали и сплавов (технологический университет) государственного комитета РФ по высшему образованию.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор КОЖИТОВ Л.В.

Официальные оппоненты: Профессор, доктор физико-математических иаук Хухрянский Ю.П. Кандидат технических наук Шленский А.А.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт материалов электронной техники.

Защита состоится .......1996 г. в ^ час. на заседании

специализированного совета Д-0.53.08.06 по присуждению ученых степеней при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г.Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "¿Л" ....'..'ТГГГ/гй^..1996 г. Справки по телефону 23Ь-8! " >

Ученый секретарь совета, кандидат физико-математических наур, доцент

Гераськин В.В.

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. Мощные высоковольтные транзисторы (МВТ) составляют отдельный класс полупроводниковых приборов и предназначены для работы в устройствах преобразования электрической энергий 6 качестве элементов управления, регулирования и стабилизации.

Основным материалом, на котором конструируются практически все мощные полупроводниковые приборы, является монокристаллический кремний. В настоящее время кристаллы для МВТ изготавливают по пленарной технологии на п-п+ структурах диаметром 76 мм, п+ слой которых получают диффузией или газовой эпитаксией. Недостатки Планерной технологии связаны с необходимостью проведения длительных высокотемпературных отжигов, ухудшающих структурное совершенство и электрофизические характеристики кремния, высокой материало- и энергоемкостью.

Решение многих технологических проблем, возникающих при совершенствовании существующих и разработке более совершенных типов приборов, требует усовершенствования применяемых технологических процессов, исследования и разработки новых технологий. Актуальной задачей является использование методов эпитаксиального наращивания .при создании различных элементов транзисторной структуры.

На данный момент, среди других методов эпитаксиального наращивания кремния наиболее полно изучен метод газофазной эпитаксии. Этот метод широко используется в производстве слаботочных полупроводниковых структур и интегральных схем. . Имеющиеся в литературе сведения о применении газофазной эпитаксии для создания активных элементов структуры мощных транзисторов относятся к опытным разработкам и не получили дальнейшего развития из-за технологических сложностей, сопутствующих птому методу. Высокий расход материалов, использование сложного оборудования снижают экономическую

эффективность процесса, а применение взрывоопасных и токсичных реагентов входит в противоречие . с возрастающими требованиями к экологической, чистоте производств.

Метод ясидкофазвой эпитакеии лишен недостатков, присущих диффузии и газовой эпитакеии. Этот метод позволяет получать эпитаксиальные слои кремния п и р-типа проводимости с заданным распределением легирующей примеси при сохранении электрофизических характеристик высокоомной части структуры. На основе метода жидкофазной эпитакеии была разработана, технология ' производства обращенных п-п+ структур для МЙТ. Приборы, полученные с использованием этой технологии, имели лучшие характеристики и более низкую себестоимость, чем их диффузионные аналоги .

Таким образом, использование метода жидкофазной эпитакеии в. производстве кристаллов для МВТ дает положительный эффект, в связи с чем целесообразно применить его для создания других элементов транзисторной структуры, в частности базовой области. Известный технологический процесс, разработанный для получения толстых (80 - 100 мкм) низкоомных ( р — 0,005 Ом.см) эпитаксиальных слоев л+-типа проводимости не может быть применен для решения этой задачи, так как для использования в качестве базовых областей МВТ требуются тонкие (10-30 мкм) высокоомные ( р — 0,5 - 1 Ом.см) эпитаксиальные слои кремния р-типа проводимости с высоким структурным совершенством и однородностью топологических и электрофизических параметров.

В связи с этим, пель настоящей_диссертационной_рабрты.

заключающаяся в разработке технологического процесса создания базовых областей транзисторных структур методом жидкофазной эпитакеии является актуальной.

Для достижения поставленной цели разработаны основы технологии изготовления эритаксиальных слоев с требуемыми параметрами, исследованы . их электрофизические и .структурные характеристики, изучена эффективность ' предлагаемого способа создания базовых областей транзисторных структур.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны научные .основы нового технологического процесса изготовления методом жидкофазной эпитаксии мощных высоковольтных кремниевых транзисторов, имеющих по сравнению с диффузионными аналогами большую воспроизводимость значений коэффициента усиления по току, большие значения предельных напряжений коллектор-эмиттер, повышенную стойкость ко вторичному пробою и расширенную область максимальных режимов;

- предложена модель'эпитаксиального наращивания ив раствора-расплава, находящегося в зазоре между горизонтально расположенными подложками, учитывающая * образование комплексов атомов

кристаллизуемого вещества и зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава, позволяющая по экспериментально определенным величинам критических переохлаждений моделировать процесс эпитаксиального наращивания в различных технологических режимах;

- предложена методика определения величин критических переохлаждений в жидкой фазе в процессе эпитаксиального наращивания;

- для идентификации модели изучены физико-химические свойства расплавов кремния в олове (положение поверхности ликвидус в системе Бп-Са-В!, кинетические коэффициенты переноса массы, импульса и тепла,' парциальный молярный объем кремния), дав анализ характера химической связи, особенностей структуры ближнего порядка и взаимодействия компонентов в жидкой фазе;

- найдены закономерности влияния компонентов раствора-расплава и легирующих примесей на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев кремния, определены значения коэффициента диффузии галлия и получены выражения, описывающие диффузию галлия из эпитаксиального слоя в подложку;

- установлены и оптимизировании технологические факторы (температура процесса, глубина, травления), влияющие на структурное совершенство и морфологию поверхности эпитаксиальных слоев.

Практическая аначимость и реализация результатов работы:

- разработаны основы технологии изготовления базовых областей структур МВТ методом жидкофазной апитаксии. Эпитаксиальные слои кремния р-трпа проводимости толщиной 10-15 мкм. и содержанием легирующей примеси (галлия) 4.10 см"3, концентрацией дислокаций менее 2-10 см'2 выращивали в температурном интервале 1285 - 1235 К на структурах 100 КЭФ 45/КЭФ 0,01 (111) диаметром 60 мм.

- разработаны высокопроизводительные кассеты для проведения процесса ЖФЭ (а.с.СССР N 1658048).

• проведен сравнительный анализ характеристик приборов серии КТ 848 и их аналогов, изготовленных . с использованием предлагаемой технологии, показавший перспективность использования метода ЖФЭ в производстве МВТ. Транзисторы, полученные по новой технологии, имеют следующие преимущества: большую воспроизводимость значений

коэффициента усиления по току ¡1213 (30-60 против 20-80 у диффузионных приборов), большие значения предельных напряжения коллектор-эмиттер (800 - 900 В против 500-700 В у диффузионных приборов). У приборов с эпитаксиальпой базой на выходных характеристиках, в отличие от диффузионных, не обнаружено области вторичного пробоя вплоть до значений энергии, ограниченных тепловым сопротивлением транзистора.

Ни защиту выносятся следующие положения:

- результаты исследования физико-химических свойств расплавов системы Sn-Ga-Si: температурная зависимость растворимости кремния, тепло- и массообменные характеристики , расплавов, анализ характера химической связи и взаимодействия компонентов в жидкой фазе;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований ыассопереиоса 8( растворе-расплаве, заключенном в зазоре между горизонтально . расположенными подложками в процессе жидкофазной апитаксии, включающие:

- модель эпитаксиального наращивания из раствора-расплава, находящегося в зазоре между горизонтально расположенными подложками, учитывающую образование Комплексов атомов кристаллизуемого вещества и

зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава, позволяющую моделировать процесс эпитаксиальвого наращивания в различных технологических режимах;

- методику определения величин критических переохлаждений в растворе-расплаве в процессе эпитаксиальвого роста;

- рёзультаты исследования влияния параметров процесса эпитаксии на структуру и свойства эпитаксиальных слоев кремния;

- основы технологии изготовления кремниевых р-п-п структур для" МВТ с использованием метода жндкофазяой эпитаксии;

Аппробапия результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на. Третьей Всесоюзной Конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников" (Москва, 1986), Третьей Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1990), 111 Европейской конференции до росту кристаллов (Будапешт,1991), 10 Международной конференции по росту кристаллов (Сан-Диего, 1992). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, спиока использованной литературы. Работа изложена на 111 страницах Машинописного текста , содержит 51 рисунок и 27 таблиц. Список литературы включает 89'наименований. Общий объем диссертации 197 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В главе 1 дан анализ современных представлений о принципах конструирования МВТ. Показано,, что для создания приборов, ■ • удовлетворяющих современным требованиям, необходимо использование принципиально новых технологических процессов, позволяющих получать приборные композиции с заданным распределением легирующей примеси а различных областях транзисторной структуры, с высокой точностью выдерживая топологические и электрофизические параметры. Для решения поставленной задачи - получения базовых областей транзисторных структур -

целесообразно использовать метод жидкофазной эпитаксии кремния, позволяющий получать эпитаксиальные слои кремния с заданным

распределением легирующей примеси . и__высоким структурным

совершенством, причем, для получения эпитаксиальных слоев р-типа проводимости следует использовать растворы-расплавы на основе олова с применением элементов 111 группы периодической системы элементов в качестве легирующей примеси.Аяализ математических моделей работы биполярного транзистора показал,что для повышения стабильности важнейшей характеристики транзистора - коэффициента усиления по току и увеличения энергии вторичного пробоя необходимо создание резкого р-п перехода На границе база- эмиттер при постоянном содержании легирующей примеси в эпитаксиальном слое. Отмечено, что ряд принципиальных проблем, решение которых необходимо для разработки технологического процесса получения эпитаксиальных слоев с заданными характеристиками, в дитературе освещен недостаточно полно или вообще не затронут. Прежде всего сюда следует отнести вопросы,касающиеся поведения легирующих примесей в кремнии, их влияния на электрофизические характеристики и структурное совершенство эпитаксиальных слоев и, что не менее важно, исследования механизмов массопереноса в жидкой фазе и данных о кинетических коэффициентах переноса, изучение которых необходимо для проведения расчетов кинетики эпитаксиальвого наращивания.. На основании проведенного анализа литературных источников,конкретизировании задачи, Которые ставятся и решаются в настоящей работе.

Глава 2 посвящена выбору состава раствора-расплава для получения эпитаксиальных слоев с требуемыми свойствами и расчету параметров, характеризующих физико-химические свойства жидкой фазы (температурной зависимости равновесной концентрации кремния в жидкой фазе, кинетических коэффициентов массо- и теплопереноса), необходимых для исследования кинетики эпнтаксиального роста.

Для получения эпитаксиальных слоев кремния толщиной 10 - 30 мкм выбраны растворы-расплавы на основе олова, так как при применении других металлов-растворителей - галлия, алюминия, индия, атомы которых

являются акцепторными примесями в кремнии - концентрация дырок в эпитаксиальных слоях имеет величину порядка 1010см"8. Сравнительный анализ свойств элементов 111 группы периодической системы (предельной растворимости в кремнии, величины ковалентного радиуса, возможности взаимодействия с материалом технологической оснастки - графитом) показал, что в качестве Легирующей добавки целесообразно использовать галлий.

С помощью модели квазирегулярных • растворов получены аналитические выражения для расчета равновесной концентрации кремния на политермйческих разрезах диаграммы состояния олово-кремний-галлий:

С = C0exp(-Ec/RT) (1),

где С - равновесная концентрация кремния в жидкой фазе, Со, Ее - постоянные, Т - абсолютная температура.

Сопоставление рассчитанных нами величин с экспериментальными данными о растворимости кремния, приведенными й литературе, показало высокую степень совпадения (± 1,6%).

Значения параметров С0 и Ее для расплавов с различным содержанием ' олова и галлия Приведены в таблице 1.

Расчет кинетических коэффициентов . тепло- и массопереноса (коэффициентов диффузии, тепло- и температуропроводности) проводили по уравнениям Стокса-Энштейна и Видемана-Франца с использованием данных о плотности, вязкости и электропроводности расплавов системы олово-галлий-кремпий, опубликованных в литературе. Результаты расчетов показали, что величина коэффициента температуропроводности существенно превышает величину коэффициента диффузии компонентов расплава. Данный факт характерен для металлических жидкостей и свидетельствует о том, что лимитирующей стадией процесса роста ( в рамках диффузионного приближения) является перенос осаждаемого компонента к фронту кристаллизации.

.Таблица 1.

Значения параметров Си и Ес для политермических разрезов диаграммы состояния олово-кремний-галлий.

% ат. 8п/%"ат.Оа Температурный интервал, °С Коэффициенты уравнения С=С0ехр(-Ес/КТ)

Со . Ю-7, моль/м8 Ее, кДж/моль

1/0 786-1182 1,43 95,7

5/1 749-1146 1,39 92,3

3/2 690-1231 0,89 83,1

1/1 677-1067. 1,09 83,1

2/3 655-1044 1,1 80,8

1/6 604-989 0,75 72,2

Для проведения расчетов по кинетике зпитаксиального наращивания результаты расчетов коэффициента диффузии кремния в расплаве были аппроксимированы уравнениями вида:

О-ПоехрС-Ец/НТ,,) ( 2 ),

где : 0о, Ер - постоянные,

Ть - температура ликвидус. • Значения коэффициентов Ц, и Ер приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Коэффицинт диффузии кремния в расплавах системы олово-кремний-галлий.

% ат.Бп/% ат/ва Коэффициенты уравнения П=О0ехр (-Еп/ЛТь)

Оо, см2/ с 'Ер, Дж/моль К

1/0 103 20775

6/1 6,75.'Ю-4 14918

■ 8/2 7,98 . 10"« 18282

1 / 1 3,4 . 10« 36007

2/3 4,2 . 10 5 29085

" На основании данных о плотности расплавов системы олово-кремний-галлий рассчитаны величины парциальных молярных объемов компонентов. Анализ • полученных зависимостей • свидетельствует об .отсутствии расслаивания в исследованной части диаграммы состояния данной системы, что снимает ограничения на. использование расплавов с необходимым соотношепием 'компонентов для проведения процессов эпитаксиального наращивания, _ •

Глава 3 посвящена разработке модели эпитаксиального. наращивания полупроводников из раствора-расплава, находящегося в зазора между горизонтально расположенными подложками, учитывающей влияние конвективного массопереноса и кристаллизации полупроводников вне подложек па кинетику эпитаксиального роста. В основе модели лежит • гипотеза о существовании в растворе-расплаве при температурах , близких к температуре кристаллизации полупроводника, упорядоченных группировок атомов кристаллизующегося вещества, координированных в соответствии с его структурой. При определенных условиях такие комплексы (названные предкрнсталлизацноппыми) могут перемещаться к фронту кристаллизации, внося дополнительный вклад в массопереное, в результата чего толщины слоев па верхней и нижней подложках становятся различными, или образовывать з&родыпш твердой фазы в объеме раствора-расплава, что приводит к снижению толщины эпитаксиального слоя по сравнению с теоретически возможной. Характер процессов, протекающих в растворе-расплаве, определяется величиной переохлаждения:

дТ =«±1 (3),

" а-ц 1 ''

где : о - скорость охлаждения раствора-расплава, Ь - высота слоя раствора над подложкой, Б - коэффициент диффузии кристаллизуемого компонента.

В зависимости от достижения величиной ДТМ критических значений (ДТпк- переохлаждения образования предкристаллизацковных комплексов, ДТца * переохлаждения начального зародышесбразования, АТИК

переохлаждения максимальной кристаллизации ) выделены четыре возможных варианта кристаллизации полупроводника.

1 вариант: ДТМ< ДТ цк- Все кристаллизуемое.вещество осаждается на подложки, толщина слоя на верхней и нижней подложках одинакова.

2 вариант: ДТпи < ДТИ < ЛТц3. Все кристаллизуемое вещество. ' осаждается па подложки, но процесс кристаллизации на одной из подложек идет более интенсивно.

3 вариант: ДТ Нз £ ДТ м< ДТ мк. В объеме раствора-расплава возникают зародыши твердой фазы, начинается конкурирующий процесс кристаллизации. Происходит перераспределение осаждаемого вещества между подложками и возникшими кристаллами.

4 вариант: ДТМ > ДТик. Концентрация зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава достигает такой величины,что кристаллиаация полупроводника на этих зародышах идет с той же интенсивностью,что и на подложках. На подложках осаждается менее половины материала от теоретически возможного.

Для случая, когда плотность кристаллизуемого вещества меньше плотности металла-растворителя, получены расчетные выражения, позволяющие расчитать эффективность кристаллизации на подложках по известным значениям критических переохлаждений:

ЬМк-0.6-Ь0 | Ь.. Г 2 ЬПК| Г 2-Ьпк| ' (4)

^мк-^из Ь0 V Ь0 ) V. ь0 )

Е ат ь0 ьмк-ьвз Ьд ч ь0 ) ч ь0

{ ¿„ 2 Ьва| ЬМК-Ц5Ь0 ь„, ( 2-ЬпЛ*Г1| 2-ЬдЛ (5)

■ " ь0 ьмк-ьва ь0 V ь0 ^ V ь0 ;

где: с!в, ёц. - толщины слоев на верхней, нижней подложках и теоретически возможная соответственно,

Ьцк. Ьна, Ьык - связаны с соответствующими величинами критических переохлаждений выражением ( 3 ).

При исследовании кинетики эпитаксиального наращивания было обнаружено, что величина критических переохлаждений зависит от скорости охлаждения раствора-расплава по линейному закону:

ЛТ£ =ДТ£+<хтф (в),

где: АТ° - значение критического переохлаждения при а->0,

тф - время формирования, необходимое для осуществления процессов эародышеобразования, роста зародышей и образования нового профиля концентрации растворенного компонента. Величина времени формирования рассчитывается из значений соответствующего критического переохлаждения, определенных при двух различных значениях скорости охлаждения.-

Разработана методика определения параметров модели эпитаксивльного наращивания из экспериментальных зависимостей толщины зпитаксиальпых слоез от величины зазора между подложками. Найденные значения , &Т„ , ЛТ® и соответствующие значения времени формирования позволяют моделировать кинетику зпитяксиальзого роста при любом значении скорости охлаждения раствора-расплаза.

Сопоставление расчетов по данной модели с опубликованными в литература результатами экспериментальных исследований апитаксиального роста полупроводников из раствора-расплава дало совпадение в пределах ± 5 %. • ' '

На основе'экспериментальных зависимостей толщины эпитаксиальных слоев кремния, полученных из раствора-расплава в олове к в олове с добавками галлия, определены параметры модели в температурных интервалах 1223 - 1173 К и 1323 - 1273 К. Показано, что снижение, температуры процесса эпитаксии приводит к увеличению критических переохлаждений и соответствующих значений времени формирования. Добавки галлия до 1% ат. практически на влияют на аародышеобрааование.

В главе 4 экспериментально исследуются различные аспекты ■

технологии изготовления базовых областей транзисторных структур методом жидкофазной эпитаксии.

Анализ электрофизических характеристик апитаксиального кремния показал, что слои, получеяиые из раствора-распова в олове без введения легирующих добавок имеют п-тип проводимости с концентрацией носителей

от б, 1017 до 1.101в в зависимости от температуры процесса зпитаксии. Для определения энергии ионизации донорных центров были проведены измерения ЭДС Холла . В интервале температур 60 - 126 К искомая величина, определенная из зависимости (1п п) от (Т-1), составила 0,2 эВ, что предположительно свидетельствует о заполнении вескомпенсированного дояорного уровня (Ес-0,04) аВ. Показано,что возникновение такого уровня может быть вызвано легированием эпитаксиальных слоев кремния элементами V группы периодической системы, присутствующими в олове.

Экспериментально исследовав процесс легирования эпитаксиальных слов кремния галлием. Наращивание проводили па пластины кремния марки КЭФ-45 в графитовом контейнере в температурном интервале 1273-1173 К. Использовала олово марки ОВЧ-ООО и галлий марки 99,9997. Толщину эпитаксиальных слоев измеряли методом шарового шлифа. Разброс толщины слоя по пластине не превышал 5%.. Величину удельного сопротивления эпитаксиальных слоев (р) определяли четырехзоодовым методом, контролируя однородность распределения примеси по поверхности пластины. При концентрации галлия в расплаве менее 0,6 % ат. слои имели п-тип проводимости.При увеличении содержания галлия с 0,6 до 6 % ат. величина удельного сопротивления снижалась с 0,8 Ом.см до 0,06 Ом.см. При дальнейшем увеличении содержания галлия заметного изменения р не происходило. Электрофизические свойства эпитаксиальных слоев, имеющих величину удельного сопротивления в интересующем нас интервале, были исследованы путем измерения ЭДС Холла. Из полученных эпитаксиальных структур вырезали квадратные образцы, на которые затем наносили контактные площадки вжигавием алюминия электроискровым методом. Все контакты дополнительно проверяли на оммичность. Погрешность измерений определялась погрешностью измерения толщины эпитаксиального слоя и не превышала 10 %. Рассчитанные по результатам измерений значения подвижности (ц) , концетрации носителей (р) и удельного сопротивления аоитаксналышх слоев в зависимости от концентрации галлия в расплаве приведены в таблице 8.

/

Таблица 3.

Электрофизические свойства эпитаксиальвых слоев кремния, полученных из раствора- расплава в олове с добавками галлия в интервале температур 1273-1173 К.

Содержание галлия в ' Р, П. Р,

жидкой фазе, % ат. Ом. см см2/В с см'8

0,5 0,28 130 2,7.10»

0,6 0,23 130 3,2.10»

0,7 0,21 131 3,7.10"

0,8 0,18 132 4,3.10»

0.9 0,16 133 4,8.10»

1,0 0,16 130 5,3.10»

Для установления корреляции между концентрацией дырок и акцепторных центров (атомов галлия) в эпитаксиальном елее определено положение уровня Ферми • в образце кремния, легированного галлием и содержащего донорную примесь с энергией активации 0,04 эВ в концентрации 1.1019 см"3, что соответствует характеристикам слоев, полученных из раствора-расплава кремния в олове. Решение этой задачи позволило определить величину эффективного коэффициента распределения галлия при эпитаксии кремния по данным электрофизических измерений. С этой целью были проведены эксперименты по эпитаксиальному наращиванию кремния из раствора-расплава в олове с добавками галлия ( О, В - 1 % ат.). Для получения значений коэффициента распределения, близких к равновесному наращивание проводили в узких температурных интервалах 1223 - 1218 К и 1273 - 1268 К при скорости охлаждения 0,3 К/мин. Концнтрацию носителей заряда в эпитаксиальных слоях определяли путем измерения ЭДС Холла по приведенной выше методике. На рис.1 приведен график зависимости концетрации атомов галлия в эпитаксиальном слое (X™) от концентрации галлия в растворе-расплаве (X*) • Величина коэффициента распределения галлия, рассчитанная из наклона прямой на

графике, равна 0,95.Ю-8 в температурном интервале 1223-1218 К и 1,05.10'3

I

в температурном интервале 1273-1268 К. Расчет профиля распределения галлия по толщине эпитаксиального слоя с учетом полученных значений коэффициента распределения показал, что содержание гйллия в эпитаксиальном слое не изменяется в процессе роста. Справедливость данного вывода подтверждается приведенным на рис. 2 графиком изменения удельного- сопротивления по глубине кремниевой зпитаксиальной структуры р-11 типа. Экспериментальные точки получены методом измерения сопротивления растекания точечного контакта по косому шлифу структуры. Разрешение методики не менее 1 мкм, точность - 10%. Наличие переходной области между подложкой и слоем толщиной 2 - 4 мкм объясняется диффузией галлия в подложку в процессе эпитаксиального роста.

В процессе создания эмиттера транзистора по Планерной технологии происходит изменение параметров базовой области засчет диффузионного перераспределения примеси. Нами получены зависимости, позволяющие рассчитать изменение профиля распределения примеси и толщины базовой области в процессе изготовления эмиттера, необходимые при выборе технологических режимов изготовления транзисторной структуры. Экспериментально определена величина эффективного коэффициента диффузии галлия из эпитаксиального слоя в подложку при 1423 К. Исследования проводили па эпитаксиальпых структурах р-п типа , изготовленных на пластинах кремния марки КЗФ-45. Толщина эпитаксиальных слоев составляла 10 - 28 мкм. Концентрация легирующей примеси (галлия)' в слоях - 2.1017 и 5.1017 см'8. Структуры подвергали отжигам на операциях окисления и диффузии фосфора технологического цикла создания транзистора КТ848 при температуре 1423 К. Профиль распределения легирующей примеси снимали методом сопротивления * растекания точечного контакта по косому шлифу. Величина коэффициента диффузии, определенная-при совпадении экспериментальных и расчетных зависимостей, равна (1,7±0Д)-1012 см2/с. Получено выражение,

♦ХтоСа*10\ат95 12.00 -

10.00 -

8.00 -

6.00 -

4.00 -

2.00 -

0.00 -.......

0.Ó0 .0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 Х*Са,ат<«

Рис.1. Зависимость концентрации атомов галлия в 8литаксиальных слоях кремния (X™), полученных из раствора-расплава кремния в олове с добавками галлия в температурном интервале 1223 1218 К (1) и 1273-1268 (2) от концентрации галлия в жидкой фаза (X§j,).

описывающее зависимость глубины диффузии атомов галлия из эпитаксиального слоя в подложку от длительности отжига:

Ьд=44-л/ГМ (7)

Изучено влияние состава раствора-расплава и температуры процесса энитаксии ва структурное совершенство эпитаксиальвых слоев. Показано, что атомы галлия не вносят существенных искажений в кристаллическую решетку кремния, а искажения, вносимые атомами олова (металла-, растворителя) и углерода (конструкционного материала контейнера), ковалентные радиусы которых значительно отличаются от ковалентного радиуса кремния, могут быть взаимно компенсировании при соотношении концентраций олова и углерода 1 : 1. Установлено, что изменять соотношение

концентраций олова и углерода в эпитаксиальном слое возможно изменяя температуру процесса эпитаксии.

Рис.2. Изменение удельного сопротивления по глубине епгтаксиальной структуры р-п типа, полученной методом жидкофазной эпитаксии.

На рис.3 приведен график зависимости разницы параметров решетки апитаксиального «лоя и подложки (Ла) от температуры начала процесса эпитаксии. Величину Да измеряли на двухкристальном дифрактометре с

использованием СиКа излучения. Точность измерений находилась в пределах

о ■

±10"6А. Как показали результаты измерений, величина Да существенно

зависит от температуры начала процесса, причем, при изменении

температуры начала процесса от 1473 до 1223 К происходит переход от

деформации растяжения (величина параметра решетки слоя меньше

параметра решетки подложки) к деформации сжатия. Установлено, что

причиной этого является изменение' соотношений концентраций олова и

углерода. Взаимная

компенс&ция искажений, вносимых в кристаллическую

решетку кремния атомами олова и углерода, происходит при температуре начала процесса эпитаксии 1285 К. При проведении процесса эпитаксии в других температурных интервалах возникающее несоответствие решеток приводит к значительной деформации эпитаксиальных структур.

,К

-4.00

Рис.3. Зависимость разницы параметров решетки слоя и подложки от температуры процесса эпитаксии.

Изучено влияние качества обработки поверхности подложки на структурное совершенство эпитаксиальных слоев. Слои, толщиной до 15 мкм, выращивали при температуре начала процесса 1285 К на структурах 100 КЭФ 45/ КЭФ 0,01, изготовленных методом вотречной диффузии в . технологическом цикле производства транзистора КТ 848 и подготовленных к операции диффузии базы путем суперфинишной полировки рабочей поверхности. Поверхности и поперечные сколы структур подвергали

селективному травлению в травителе 8иИ и специальном травителе на основе Сг03-НР при нестандартных соотношениях компонентов. Протравленные поверхности пластин и шлифов исследовали под оптическим микроскопом и подсчитывали плотности фигур травления. Для наблюдения морфологии поверхности пленка-подложка использовали метод проекционной топографии с использованием АёКа излучения. Обнаружено, что качество поверхности подложки- после суперфинишной полировки не достаточно высоко для получения совершенных по структуре эпитаксиальных слоев. Показано,что высокая плотность дислокаций на поверхности исходных пластин является следствием механической обработки. Эпитаксиальные слои, выращенные на таких подложках, имеют повышенную дефектность. Предложено удалять нарушенный слой с поверхности подложки травлением раствором-расплавом непосредственно в процессе эпитаксии. Установлено, что травление исходной пластины на глубину 6 мкм приводит к резкому снижению плотности дислокации в выращенном эпитаксиальном слое, полному исчезновению дефектов упаковки, трипирамид и рельефных волн на границе раздела слой-подложка.

Для -определения эффективности разработанной технологии изготовления эпитаксиальных структур и оценки перспективности использования эпитаксиального процесса при получении МВТ созданы макетные образцы приборов, измерены и сопоставлены их характеристики с характеристиками приборов, изготовленных по диффузионной технологии. В качестве образца для сравнения был выбран серийно выпускаемый транзистор КТ 848. Параметры технологического режима процесса получения базовых областей транзистора определяли на основе проведенных исследований. Партию структур п-п+ типа, подготовленных к операции диффузии базы по технологической карте транзистора КТ 848 разбили на две части. На одной из них методом жидкофазной эпитаксии по предлагаемой технологии получали эпитаксиальные слои с требуемыми параметрами. На остальных пластинах базовый слой формировали диффузией галлия. Далее полученные структуры объединяли в одну партию и обрабатывали по стандартной технологии. На полученных приборах провели полный комплекс

электрофизических измерений. Установлено, что транзисторы с эпитаксиальпой базой имеют следующие преимущества: большую воспроизводимость значений коэффициента усиления по току Ьгш (30-60 против 20-80 у диффузионных приборов), большие значения предельных напряжений коллектор-эмиттер (800 - 900 В против 600 -700 В). У приборов с эпитаксиальной базой на выходных характеристиках не обнаружено области вторичного пробоя вплоть до значений энергии, ограниченных тепловым сопротивлением транзистора. Указанные преимущества существенно расширяют область максимальных режимов транзистора по сравнению с диффузионным аналогом.

( \ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана технология получения эпитаксиальпых слоев кремния р-типа проводимости толщиной 10 - 30 мкм и удельным сопротивлением 0,5 -0,05 Ом.см эпитаксией из растворов-расплавов системы Sn - Si - Ga.

2. Изучены физико-химические свойства расплавов кремния в олове с добавками галлия (положение поверхности ликвидус в системе Sn-Ga-Si, кинетические коэффициенты переноса массы, импульса и тепла, парциальный молярный объем кремния), дан анализ характера химической связи, особенностей структуры ближнего порядка и взаимодействия компонентов в жидкой фазе.

3. Впервые разработана модель эпитаксиального наращивания из раствора-расплава, находящегося в зазоре между горизонтально расположенными подложками, учитывающая образование комплексов атомов кристаллизуемого вещества и зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава, позволяющая по экспериментально определенным величинам критических переохлаждений моделировать процесс эпитаксиального наращивания в различных технологических режимах;

4.Предложена методика определения . величин критических дереохлпждений в жидкой фазе в процессе эпитаксиального наращивания из экспериментальных зависимостей толщины эпитаксиальных слоев от

величины зазора между подложками. Определены параметры модели эпитаксиального наращивания при эпитаксии кремния из растворов-расплавов в олове и олове с добавками галлия в раличных температурных интервалах.

б.Найдены закономернорти влияния компонентов раствора-расплава и легирующих примесей на электрофизические'свойства эпитаксиальных слоев кремпия, определены значения коэффициента диффузии галлия и получены выражения, описывающие диффузию галлия из эпитаксиального слоя в подложку;

6.Установлены и оптимизированны технологические ( факторы (температура процесса, глубина травления), влияющие на структурное совершенство и морфологию поверхности эпитаксиальных слоев.

7.Разработаны основы технологии изготовления базовых областей структур МВТ методом жидкофазной эпитаксии. Эпитаксиальные слои кремния р-типа проводимости толщиной 10-16 мкм и содержанием локирующей примеси (галлия) 4.10 см"3, концентрацией дислокаций менее 210 см"2 выращивали в температурном интервале 1285 -1235 К на структурах 100 КЭФ 46/КЭФ 0,01 (111) диаметром 60 мм.

8-Разработаны высокопроизводительные кассеты для проведения процесса ЖФЭ (а.с.СССР N 1558048).

В.Проведен сравнительный анализ характеристик транзисторов серии KT 848 и их аналогов, изготовленных с использованием предлагаемой технологии, показавший перспективность использования метода ЖФЭ в производстве МВТ. Приборы, полученные по новой технологии, имеют ряд преимуществ, позволяющих существенно расширить область максимальных режимов транзистора по сравнению с диффузионным аналогом.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Тимошин A.C., Кожитов Л.В., Моргунов И.В. Взаимодействие компонентов в расплавах системы Sn - Ga - Si.// Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы, т.23, 1986, № 12,с.1948-1951.

Тимошин А.С., Кожитов JI.B., Моргунов И.В. Физико-химические свойства расплавов Ga-Sn-Sl Ц Тезисы докладов 111 Всесоюзной Конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников" , Москва, 1986 г.,т.1, с. 239-240.

Кожитов JI.B., Тимошин А.С., Моргунов И.В. Расчет кинетики процесса жидкофазной эпитаксии кремния в системе олово-кремний-галлий на ЭВМ // Электронная техника.Сер. б.Материалы , в.1 (222), 1987, с. 30-34. •

Липатов В.В., Моргунов И.В. "Устройство для эпитаксиального наращивания слоев из жидкой фазы", А.с. СССР № 1558048, 1989 г.

. Кожитов Л.В., Невский О.Б., Моргунов И.В. Матеметическая модель роста полупроводниковых пленок из жидкой фазы // Тезисы доклада Третьей Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок. Ивано-Франковск, 1990 г.

Невский О.Б., Кожитов Л.В., Моргунов И.В. Закономерности стационарного эпитаксиального наращивания из раствора-расплава. // Известия АН СССР сер. Неорганические материалы, т. 27, 1991, № 8, с. 2088-2093.

Nevsky О.В., Morgunov I.V., Kozhitov L.V., Fedorov V.A. The Improved Model of Steady-State LPE Growth from Solution. Crystal Properties and Preparation, vol. 36-38 (1991), pp.667-677. Copyright Trans. Tech. Publications, Switzeland.

Nevsky O.B., Morgunov I.V., Kozhitov L.V., Fedorov V.A. The Improved • Model of Steady-State LPE Growth from Solusion. Poster Presentation abstracts, p.201,ICCG-10, S.Diego California, USA.

Заказ 57»

Объем

Тираж

Московский институт стали и сплавов Типография МИСиС, уя. Орджоникидзе 8/9