Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов

Харламов, Роман Валентинович

Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов

кандидата технических наук: Харламов, Роман Валентинович
город: Москва
год: 2000
специальность ВАК РФ: 05.27.06

Диссертация по электронике на тему «Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов»

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов"

На правах рукописи

ГГ5 О*

2 2 и Щ ^ , //

Харламов роман Валентинович ■'/[.А у '

Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов

Специальность 05.27.06 - технология полупроводников и материалов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2000 г.

Работа выполнена на кафедре Материалов и процессов твердотельной электроники в Московском Государственном институте электронной техники (Техническом университете).

Научный руководитель

кандидат технических наук, с.н.с. Петров Сергей Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, член корреспондент АН Грибов Борис Георгиевич

-кандидат технических наук, доцент Тимошенков Сергей Петрович

Ведущая организация

- ОАО "Группа-кремний", г. Брянск

Защита диссертации состоится "_"_2000 г.

в_часов на заседании диссертационного совета_в

Московском Государственном институте электронной техники (Техническом университете) Москва 103498, МИЭТ-ТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ.

Автореферат разослан *'_"_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор г , / . '¿Ъ.Г. Будагян

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Во всем мире crom актуальная проблема преобразования электрической энергии и ее экономии. Огромную роль в экономике стран с мощной индустрией стали играть энергосберегающие технологии, которые в свою очередь невозможны без создания мощных высоковольтных управляющих н преобразовательных приборов.

Монокристаллический кремний является основным материалом для изготовления приборов сильноточной (силовой) электроники. Номенклатура сильноточных приборов расширяется с каждым годом: к мощным диодам и тиристорам добавилась широкая гамма мощных транзисторов, а так же разнообразных силовых интегральных схем. Последние особенно существенно расширяют возможности мощных полупроводниковых приборов. Сегодня мощные сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и энергопитания. Самые сдержанные оценки показывают, что оптимальное насыщение энергетики средствами современной кремниевой сильноточной электроники позволит сэкономить не менее 10 % производимой в настоящее время в мире электроэнергии.

В связи с устойчивой в России и в мире тенденцией роста кремниевого производства, а так же использования кремниевых эпитаксиальных структур для силовой электроники, ошутается дефицит толстослойных, высокоомных (с толщиной слоя от 30 до 300 мкм, и удельным сопротивлением от 29 до 150 Ом.см) кремниевых эпитаксиальных структур.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения отечественных производителей таких приборов специальными эпитаксиальиыми структурами, отвечающих современным техническим требованиям. В рамках традиционных технологических подходов производство эпитаксиальных структур доя силовых приборов оказалось невозможным.

Цель работы. Производство силовых транзисторов сдерживается резким возрастанием требований к эпитаксиальным структурам по основным техническим и экономическим параметрам (градиенты концентрации, дефектность, равномерность характеристик по площади структуры и в партии обрабатываемых пластин, себестоимость и т.д.).

Цель работы заключалась в разработке технологии получения эпитаксиальных структур, удовлетворяющих современным техническим требованиям (SEMI M2-87-II) для мощных приборов и модернизации оборудования.

Научная повита работы состоит в следующем.

Предложена новая модель количественного описания динамики автолегирования. В результате стали возможным оптимизация технологических маршрутов подготовки оборудования эпитаксиалыгого наращивания и осуществление переменного во времени легирования при создании сложных структур.

Требуемый результат по созданию n"-n+ , п"-п+-р+ - эпитаксиальных структур с резкими концентрационными профилями и разницей уровня легирования до 6 порядков обеспечен разработанными и научно обосмопаннымн режимами формирования защитного "сэндвич-слоя'" и

алгоритмом переменного легирования на основе найденных аналитических зависимостей динамики автолегирования.

Разработана модель вычисления электрофизических параметров двухслойных п'-п+ -р* эпитаксиальных структур, полученных в едином технологическом цикле, с комплексным привлечением неразрушающих методов контроля толщины и удельного сопротивления слоев (4-х зондового, вольт-фарадного, СВЧ, Фурье).

Изучение газодинамических особенностей массопереноса в реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси ("Эпиквар-121МТ") позволило установить связь между конструктивными параметрами реактора и однородностью скорости роста эпитаксиальных слоев по сечениям, перпендикулярным газовому потоку. В результате проведена модернизация оборудования.

В результате изучения причин возникновения паразитных слоев р-типа в п"-п+ - эпитаксиальных структурах, а так же эволюции их параметров в течении последующих высокотемпературных операций установлено, что источником акцепторной примеси являются высоколегированные подложки, и их поверхность, где аккумулируются примеси бора и алюминия (~1,8*10'° см'2) после операций химической и гидромеханической очистки. Это позволило сформулировать требования по содержанию акцепторной примеси в исходном монокристаллическом кремнии, и разработать условия на ведение процессов эпитаксии.

Разработан алгоритм адаптивного управления эпнтаксиальным наращиванием при выходе на заданные уровни удельного сопротивления, что позволило повысить эффективность производства, за счет снижения числа опытных процессов.

Практическая значимость.

1. Разработана и используется в ЗАО "НИИМВ" технология выращивания высокоомных (30-150 Ом.см) эпитаксиальных слоев различного типа проводимости на высоколегированных подложках КЭС-0,01, КЭМ-0,005, КДБ-0,005 с подавлением автолегирования от обратной стороны подложек за счет "сэндвич-процесса". Отработаны технологические режимы при которых закрытие обратной стороны слоем высокоомного кремния заканчивается до начала эшггаксиального роста.

2. Разработана технология получения двухслойных эпитаксиальных структур для силовых транзисторов ЮВТ, рассчитанных на напряжение пробоя 1100 В, и ток коллектора 100 А. На базе модели количественного описания процесса автолегирования от нескольких источников разработаны и используются алгоритмы переменного во времени легирования при создании многослойных структур. Разработаны методики оценки электрофизических параметров двухслойных структур, полученных в едином технологическом цикле, основанные на комплексном использовании неразрушающих методов контроля.

3. Оптимизирован массоперенос кремния в реакторе установки "Эпиквар-1?1М", а результате чего стало возможным в ЗАО "НИИМВ" получение эпитаксиальных структур для силовых приборов как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм с однородностью толщины слоя по всей партии не хуже 6-8 %.

4. Разработаны и используются новые методы и пути модернизации подложкодержателей, в результате чего освоен выпуск структур диаметром 100 мм свободных от линий скольжения (Кмс <0,1).

5. Разработан алгоритм адаптивного управления процессом эпит аксиального наращивания от ЭВМ и повышена экономическая

эффективность промышленного производства эпитахсиальных структур для мощных приборов.

Таким образом, отработан целый комплекс мер по созданию технологии, модернизации оборудования, повышению качества эпитаксиальных структур для силовых приборов, в результате чего достигнуты требования международного стандарта SEMI M2-87-II, и снижена себестоимость их изготовления на 20 %.

Не защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

-эффективность методов подавления авталегирования от подножек, легированных мышьяком и бором до концетрации 2*1020 см"3 при выращивании высокоомных (2*1014 см"1) эпитаксиальных слоев в установках с индукционным нагревом;

• модель количественного описания динамики автолегирования и применение алгоритма переменного во времени легирования при создании в едином технологическом цикле двухслойных п"-п+-р* эпитаксиальных структур;

- методика оценки электрофизических параметров двухслойных эпитаксиальных структур;

- модель массопереиоса кремния в реакторе вертикального типа с распределенным вводом ПГС;

- методы модернизации подложкодерясателя для получения толстых (до 300 мкм) эпитаксиальных слоев, свободных от линий скольжения;

- методы снижения себестоимосги производства эпитаксиальных структур для силовой электроники, за счет оптимизации техпроцесса.

Внедрение н использование результатов. Основные результаты диссертационной работы были использованы в НИОКР "Мотор" по освоению газофазной этштакоии на пластинах диаметром 150 мм, НИР "Согласие-МВ" по созданию специальных эпитаксиальных структур диаметром 150 мм с повышенными требованиями к переходным областям, проведенных в ЗАО "НИИМВ" в 1998,1999 годах.

Эпитаксиальные структуры акционерного общества "НИИМВ", удовлетворяющие требованиям стандарта SEMI М2-87 для мощных высоковольтных транзисторов используют в своем производстве ОАО "Кремний" (г. Брянск), ОАО "Ангстрем" (г. Зеленоград), и другие предприятия.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 2-ой Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния -"Кремний -2000" (Москва, МИСиС, 2000 г.); на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электроника и информатика" (Москва, МГИЭТ, 97,98,99,2000 гг.; а так же на научных семинарах ЗАО "НИИМВ"(98,99 гг.) и кафедры "полупроводниковых материалов и приборов" (Москва, МИСиС, 1999г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 тезисов докладов. Результаты исследований использовались в научно технических отчетах ЗАО "НИИМВ" по НИР и ОКР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, выводов по работе. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, 71 рисунок, б таблиц. Список литературы включает 92 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы. Отмечены основные проблемы, сдерживающие производство эпитакснальных структур для мощных приборов. Отмечена новизна работы, практическая ценность, и апробация.

В литературном обзоре описаны современные знания о эпитакснальных процессах на кремнии. Изложены основные тенденции в разработке реакторов для эпитаксиального наращивания из газовой фазы, отмечены современные мировые разработки в области кремниевой эпитаксиальной технологии. Рассмотрены перспективы развития отечественной силовой электроники, определены требования к эпитаксиальным структурам для мощных приборов. Описаны зависимости электрических характеристик биполярного транзистора с изолированным затвором (ЮВТ) от параметров эпитаксиальной структуры. Рассмотрена основная проблема автолегирования, сдерживающая производство таких структур; известные приемы снижения этого эффекта.

Описаны известные приемы снижения себестоимости получения высокоомных эпитакснальных структур за счет оптимизации техпроцесса.

Описано применение автоматизированных систем управления процессом эпитаксии средствами ЭВМ с целью учета динамики параметров эпитаксигльных слое« со времени. Рассказано о работах, где ставилось целью создать мнформационпо-лрогшзирующую систему на ведение процессов, а так же реализовать алгоритм переменного газоразрядного легирования во е-ремени, с целью создания структур с более сложными примесными профилями.

Шрзаа глава посвящена получению кремниевых эпиггаксиальных высокоомных слоев на высоколегированных подложках и изучению автолегирования при их создании.

Рассмотрено автолегирование мышьяком при эпитаксии на подложках КЭМ -0,005, показано, что автолегирование от незащищенной обратной стороны пластины КЭМ -0,005 приводит к получению эпитаксиалышх слоев п-типа с удельным сопротивлением не превышающим 3 Ом.см. В реакторе установки "Эпиквар-121М" атомы примеси от источника, находящегося на верхнем ярусе пьедестала, распределяются равномерно по всей его грани, на которой находится источник, в то же время на удельное сопротивление эпитаксиального слоя структуры, находящейся на противоположной грани, этот источник значимого влияния не оказывает.

Защита обратной стороны с помощью нанесения слоя окиси кремния с точки зрения обеспечения высокого уровня удельного сопротивления и обеспечения минимальной ширины переходного слоя не имеет преимуществ перед защитой с использованием "сэндвич-процесса". Установлено, что защитное окисное покрытие, особенно в местах касания подложкодержателя, в данных условиях частично разрушается, и перестает быть надежным средством для подавления автолегирования от обратной стороны подложек.

Надежное подавление автолегирозания на установках с индукционным нагревом посредством "сэндзич-процесса", в сочетании с экономической эффективностью процесса, впервые было достигнуто посредством комплекса мероприятий по модернизации пьедестала и выбору технологических режимов предэнитаксналького травления пластин газообразным KCl и газо-фазного осаждения.

Устанозлено, что для обеспечения эффективности маскирования обратной стороны подложек КЭМ-0,005 "сэндвич"-слоем необходимо, чтобы его толщина составляла на периферии 2,5 мкм. Это обеспечивается за счет проведения длительного пргдэгоггакснального HCl-травление (810 минут, 0,5 л/мнн при удельном сопротивлении слоя 50-100 Ом.см и толщине слоя до 70 мкм). Разработаны технологические маршруты получения структур хлоридным методом с полной блокировкой азтолегирования (толщина переходных областей определяется только твердотельной диффузией).

Проведена отработка технологии получения двухслойных эпитаксиальных структур (п" - п+ - р*) для биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). Типичная эшггаксиальная структура для транзистора IGBT, рассчитанного на ток 90 -100 А с напряжением пробоя 1100 В, представлена ниже.

Эпитазссиальный слой

п-типа d=J0-120 мкм, р=50-100 Омхсм

п*-типа d= 5-20 мкм, р= 0,1-0,3 Омхсм

Подложка

р"-тила

0,01-0,005 Омхсм

Исследовалось автолегирование от высоколегированной подложки, в частности, образование высокоомных областей между ней и первым слоем, а так же автолегирование второго слоя примесью, оставшейся в реакторе после наращивания первого низкоомного слоя. Опробовано несколько вариантов маскирования обратной стороны пластины. Показано, что использование «сэндвич »-процесса перед эпитаксиальным ростом позволяет обеспечить надежное маскирование обратной стороны пластаны являющейся основным источником легирующей газовую фазу примеси р -типа. Основным источником легирующей примеси п - типа является слой поликремния, выросший на подложкодержателе при наращивании п+- слоя. Эффект автолегирования высокоомного слоя примесями п-типа наглядно представлен на профиле распределения удельного сопротивления по толщине эпигаксиальной структуры (рис. 1).

Изучено влияние параметров предэпитаксиального травления и затравочного низкоомного слоя при выращивании второго слоя на устранение образования прослойки р - типа между п+ и п" слоями.

Использование особенностей «сэндвич» - процесса показало его высокую эффективность подавления автолегирования от обратной стороны высоколегированных подложек. Для быстрого формирования «сэндьич»-слоя требуемой толщины и однородности необходимо перед каждым процессом наращивания (т.е. перед п+-слоем и и-слоем в разрывном процессе) наносить на подложкодержатель высокоомный слой

поликристалла, а перед началом роста зпетаксиальпого слоя проводить

длительное НСЬтравление, обеспечивающее выращивание «сэндвич»-слоя достаточной толщины (8 -12 мкм).

1МрШШ1ШШ1Ж1113Ш1Ш!Ш11Е1ШШ

, тза------**- "¡вищ^^""Т ~.........~Т---------

1001

а1:

аом

|1||11||вк|П}ша1|Н||^Л|

0.0

ШШШ^ШШШ!] -------^------------------^сд-о'ипГ---------

яшштшвЕ^ииншнияв^инвяша п* шмшоав^иваааяшм

гао

—I------

40.0 еао еао

Г/*й6«НЗ. ыкм

юао 120.0

1<*Х0

Рис. 1. Профиль удельного сопротивления в эпитаксиальной структуре, полученной в непрерывном процессе, с защитой обратной стороны "сэндвич"-слоем.

При эпитаксиальном наращивании в едином цикле двухслойных структур с низкоомным первым слоем (р| - 0,1 Омхсм) с целью снижения автолегирования необходимо перед началом роста высокоомного слоя (рз -100 Омхсм) проводить длительный (час) отжиг в водороде.

Возможно использовать переменное во времени легирование второго слоя, с целью адекватного реагирования на динамику автолегирования примесью, попадающей в объем реактора при марашивании первого слоя, с целью поддержания постоянства концентрации в парогазовой смеси примеси п - типа.

Результаты экспериментов по изучению динамики автолегирования представлялись в виде профилей распределения удельного сопротивления по толщине зпитаксиальных слоев, измеренного методом сопротивления растекания на сферическом шлифе. Полученные экспериментальные

данные преобразовывались в зависимость концентрации примеси от времени наращивания эпитаксиального слоя кремния

Обработка кривых логарифмическим методом позволяла аппроксимировать их в аналитической форме с хорошей точностью в виде суммы экспонент:

N(t) = N1 е'"Т| +N 2е"1/17 +...+N ¡е - "п.

В результирующий профиль удельного сопротивления вносят свой вклад несколько источников автолегирования, которые истощаются с разными скоростями. Величина постоянной времени Tj характеризует инерционность истощения соответствующего источника легирующей примеси, причем Tj >Тг >Ti . В таком представлении результатов, с разделением источников автолегирования по скоростям истощения, и заключается новая предложенная модель количественного описания динамики автолегирования.

Экспериментально изучены профили удельного сопротивления по глубине эпитаксиальных структур со скрытыми слоями мышьяка, а так же этпаксиальмых слоев выращенных на подложках КЭМ-0.005, обусловленные автолегированием при различных режимах эпитаксии и способах подавления аетолегирования. Получены уравнения, характеризующие скорости истощения различных источников автолегирования. На основании полученных результатов проведена оптимизация технологии получения некоторых сложных эпитаксиальных структур.

Разработана технология получения двухслойных эпитаксиальных структур для транзисторов 1GBT с применением переменного во времени легирования второго слоя.

Данное легирование, лридя на замену длительному отжигу после наращивания первого слоя, позволяет экономить до 30 % рабочего времени

н электроэнергии. Однако отмечено, что воспроизводимость параметров эитаксиальных структур не высокая. При получении высокоомных эпитаксиальных слоев, переменное легирование требует исключительной прецизионности, что предъявляет очень высокие требования к дозирующей системе технологического оборудования. Типичный профиль распределения удельного сопротивления по толщине двухслойной п" - п* -р* - эпигаксиальиой структуры, полученной в едином технологическом цикле с применением переменного во времени легирования представлен на рис. 2.

В работе предложена методика оценки параметров двухслойных эпитаксиальных структур, основанная на комплексном использовании неразрушающнх методов контроля (измерение коэффициента отражения и фазы отраженной СВЧ-волкы, Фурье -спектроскопия, вольт-фарадный метод). В результате измерений и известных уравнений, связывающих толщины и удельные сопротивления двух слоев, составляется система уравнений, которая расзреш£ется относительно этих неизвестных.

Во второй гляае описана модернизация подложкодержателя, с целью снижения уровня генерации дефектов в виде полос и линий скольжения при эпигаксии кремния.

Выращивание толстых эпитаксиальных слоев (до 300 мкм) сопряжено с прирастанием пластин диаметром 100 мм к лодложкодержателю в периферийной области, и последующим растрескиванием при разгрузке после проведения процесса. Поэтому была проведена опытно-конструкторская работа по выбору формы гнезда подпожкодержателя, обеспечивающая такой градиент температуры между ней и подложкой, при котором перенос кремния с поверхности пьедестала к лластинев области периферии носил умеренный характер (отсутствие прирастания), но в то

же время не отсутствовал полностью. Последнее необходимо для того, что бы области сильнолегированной подложки соприкасающиеся с пирамидой не становились источником автолегирования растущего эпитаксиального слоя. В результате была выбрана форма гнезда в виде сферы с высотой опорного бортика 0,2 мм.

(ООО*

100.

*А------—

0.1

спи

г ^ з ^ ^^ ж ^ Г * *^ ^ ^ | £ ^^ ? ^^ Ё ^ ^ ^^ ^ *: Ё: ^ ^ с £ ж ^з ^^^ с ж: А ^ -к п ? £ *: * ** ^^ ^^ —

------1------------+--------*'т---------1-----------------

чо во ао юо Глубине, мкм

к::::;:

ше:

120

■мо

Рис. 2. Профиль распределения удельного сопротивления в эпитаксиальной структуре для транзистора ЮВТ, полученной в едином технологическом цикле с применением переменного во времени легирования.

Так же была проведена работа по локальному уменьшению толщины

стенок гседложкедержателз с целью перераспределения мощности тепловыделения. Наименьшая неоднородность температурного поля была достигнута на среднем ярусе пьедестала и составила А Т = 8 "С. В среднем эга величина составила 10 "С. Коэффициент заполнения структур линиями скольжения составил: 0,1-Ю,15 против 0,2-0,8 для стандартного пьедестала.

Данные параметры удовлетворяют современным техническим условиям на кремниевые эпитаксиальные структуры (SEMI M2-87-II),

В третьей главе исследован массоперенос кремния при эпитаксии в реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси. Выявлено влияние характера и направления потоков ПГС на однородность распределения толщины элитаксиальных слоев в установках "Зпиквар-121М". Зависимости скорости роста от фпукгуаций температуры в пределах 10-30 % не наблюдалось.

Теоретически была сделана оценка степени обеднения ПГС кремнийсодержащим компонентом по ходу своего движения, обусловленного только его диффузией перпендикулярно движению основного потока, без учета возможной конвекции. Полученное распределение не соотносилось с реальной картиной распределения толщины по вертикали первого яруса по дложко держателя, это обстоятельство указывало на наличие конвективного контура. Проведена теоретическая оценка величины конвекции.

Варьирование газовыми потоками сверху и снизу позволяет оптимизировать скорость роста во вертикали подпожкодержателя.

Установлено, что прогиб пластины, а так же возможный зазор между ней и пьедесталом, возникающий при некачественной загрузке, не вносят изменений в однородность толщины слоев.

Все виды биения при вращении пьедестала слабо значимы, за исключением боковых точек на структурах с нижнего яруса подложкодержателя, где наблюдается ухудшение однородности в случае приближения грани к стенке реактора.

Доказано, что большая разница по скорости роста между центром пластины и краем в горизонтальном направлении на нижнем ярусе, нежели

чем на верхних, обусловлена меньшим проходным сечением между пьедесталом и стенкой реактора. На основе знаний о характере газовых потоков найдено конструктивное решение (изменение проходного сечения в нижней части подложкодержателя кварцевым кольцом), позволяющее минимизировать эту разницу на нижнем ярусе подложкодержателей пластин как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм.

Минимизирована неоднородность скорости роста (2 8-10 % по всей партии) на установке "Эпиквар -121МТ", в результате чего стало возможным производство эпитаксиальных структур диаметрами 100 и 150 мм для силовой электроники, в соответствии с требованиями стандарта БЕМ1М2-87-И.

Четвертая глава посвящена рассмотрению аспекта образования паразитных прослоек р-типа, имеющего место при производстве кремниевых эпитаксиальных - п-п* -структур с высоким удельным сопротивлением эпитаксиального слоя.

Дано теоретическое.обоснование процесса образования высокоомных областей р-типа между подложкой и слоем.

Полученные результаты позволяют считать диффузию акцепторной примеси из подложки одной из основных причин образования прослоек с проводимостью дырочного типа в кремниевых эпитаксиальных п-п* -структурах и приборах на их основе.

Критическая концентрация фоновой акцепторной примеси в подложке, при которой образование прослоек становится возможным, определяется главным образом соотношением коэффициентов диффузии содержащихся в подложке доноров и акцепторов, а также уровнем легирования эпитаксиального слоя.

Увеличение продолжительности процесса осаждения эпитаксиальиого слоя, которая определяется скоростью осаждения и толщиной слоя, при прочих равных условиях не приводит к изменению критической концентрации, однако ширина прослойки при этом увеличивается, а сама прослойка смещается с границы раздела эпитаксиальиого слоя и подложки.

Минимальные концентрации акцепторных примесей в подложке, при которых образуются прослойки с проводимостью дырочного типа в кремниевых эпитаксиальных структурах п-п+ - структурах (при Сдоиор» = 4,8*10" см"3; р = 0,010м.см; Т = 1190'С)

Примесь в подложке Фоновая акцепторная примесь, см"1

В А1 1п

БЬ 4*10Н...2*Ю'Т 1*10'\..3»10" 3*10'\..4*10"1

Аз 4*10м...2*1015 ' 1*10"...3*10" 3*.10|5...4,5*1016

Примечание. Концентрации акцепторных примесей в подложке задана диапазоном. Первое значение соответствует концетрации донорнон примеси, вводимой в эгалгакснальный слой Сд = 4* 1013 см"3 (р = 130 Ом.см), второе - Сл = 0,9* 1015 см"3 (р = б Ом.см).

Были подготовлены партии пластин КЭС-0,01 с различным содержанием примесей бора и алюминия. На них проводилось эпитаксиальное наращивание высокоомиых слоев, и определялось наличие прослойки р-типа четырехзондовым и металлографическим методами. Концентрация бора и алюминия определялась ВИМС -методом. Наблюдалась 100 % корреляция расчетных и практических результатов.

Для надежного подавления процесса образования прослоек с проводимостью дырочного типа в кремниевых эпитаксиальных структурах п-п* - типа с удельным сопротивлением до 130 Ом.см концентрация основных фоновых акцепторных примесей бора и алюминия не должна превышать 1*10и см "3, что не всегда выполняется при производстве монокристаллов кремния.

ВИМС- методом определена концентрация бора на поверхности кремниевых пластин, прошедших стандартную операцию аммиачно-перекисной и гидромеханической очистки. Она составила 1,84 О10 см'2. В случае проведения наращивания без предэпитаксиального НС 1 травления возможно образование прослоек, в том случае если концентрация акцепторных примесей в объеме была близка к критической. Часть примесей находящейся на поверхности пластины, химически не связанных с кремнием, в процессе наращивания диффундирует в эпкгаксиальный слой, и в сочетании с примесью из объема превышает количество примесей фосфора и сурьмы в непосредственной близости от поверхности раздела слой-подложка. Проведение НС1 -травления (не менее 2 минут, при скорости стравливания не менее 0,3 мкм/мин) и продувки реактора водородом (не менее 3 минут) перед ростом слоя полностью устраняет этот дополнительный вклад в паразитное легирование бором и алюминием.

Пятая глава посвящена вопросам снижения себестоимости изготовления высокосмных толстослойных эпитаксиальных структур в условиях промышленного производства за счет оптимизации техпроцесса.

Рассмотрены особенности газовой схемы эпитаксиальной установки "Эпиквар-121М", а так же способы составления газовой смеси, обеспечивающей получение эпитаксиальных слоев с заданным удельным сопротивлением. Относительно параметра числа легирования рассчитаны

и составлены диаграммы последовательности изменения расходов газа через регуляторы узла разбавления установки, исходя из минимальной погрешности задания числа легирования и исходя из минимального расхода дорогостоящего фосфина. Диаграммы рассчитаны для нескольких вариантов комплектования узла легирования установки регуляторами с различной пропускной способностью.

Получена зависимость удельного сопротивления эпитаксиальных слоев от числа легирования для случая, когда в реакторе отсутствует нежелательный легирующий фон. Логарифм удельного сопротивления линейно убывает с увеличением логарифма числа легирования. Эти прямые на плоскости с указанными координатами для разных эпитаксиальных установок имеют один и тот же угол наклона, но разное положение. Зависимости определяют уровень легирования от состава парогазовой смеси для каждой конкретной эпитаксиальной установки. Таким образом, зависимость удельного сопротивления от числа легирования, в сочетании с диаграммами его оптимального задания, определяют механизм по которому необходимо осуществлять процесс легирования эпитаксиальных слоев в ручном или автоматическом режиме.

При стационарных условиях легирования, когда в реакционной камере отсутствует дополнительный легирующий фон, как отмечалось выше, произведение числа легирования на удельное сопротивление эпитаксиального слоя - величина условно постоянная. Однако эти условия выполняются не на всем интервале технологического цикла (интервал между обработками пьедестала газообразным HCl). В некоторый начальный период технологического цикла в реакторе присутствуют примеси попавшие в него во время подготовительных операций. Реактор освобождается от накопленных примесей в течении некоторого времени, дополнительный легирующий фон снижается. В это время величина

показателя легирования в серии последовательных процессов не является постоянной. В результате проведенных исследований стало ясно, что большинство опытных и часть процессов с полной загрузкой пьедестала проводится в динамической области по условиям легирования, обусловленной тем, что легирующий фон не находится на постоянном уровне, а испытывает временной дрейф в сторону уменьшения. Установлено, что результатом большого количества опытных процессов являются вышеуказанные условия, которые вынуждают операторов эпигаксиального наращивания варьировать расходы легирующих компонентов в соответствии с текущей обстановкой и собственной интуицией. В результате были внесены изменения в регламент подготовки реактора (введены последовательности отжигов, нанесения к стравливания поликристаллического кремния), выбраны и четко регламентированы операции чистки реактора, оснастки, пьедестала. Все технологические операции были приведены к строгому единообразию, в том числе по временному фактору. Составлены и письменно закреплены технологические маршруты, в соответствии с которыми операторы осуществляют обработку пьедестала газообразным HCl, подготовку реакционной системы к дальнейшей работе, выход на заданный номинал удельных сопротивлений эпитаксиальных слоев, посредством опытных процессов.

В результате удалось снизить динамическую область по условиям легирования с 60-70 минут до 10-20. Показатель качества подготовки • пьедестала достиг 70 %.

Изучено влияние случайных и управляющих факторов на количество опытных процессов эпигаксиального наращивания. Воспроизводимость электофкзических параметров, а так же алгоритм оптимального выхода на заданный номинал определяют эффективность производства кремниевых

эпитаксиальных структур для силовых приборов. Себестоимость зависит, в частности, от числа опытных процессов приходящихся на один технологический цикл (интервал между стравливанием с подложкодержателя поликремния). Количество опытных процессов является функцией большого числа факторов. В работе были рассмотрены следующие факторы:

-использование различных установок эпитаксиального наращивания;

- время проведения процессов (различные месяца);

- номиналы электрофизических параметров эпитаксиальных слоев после обработки пьедестала HCl, в сравнении с номиналами перед обработкой;

- квалификация операторов;

- направление изменения номинала удельного сопротивления эпитаксиального слоя, при получении продукции разной номенклатуры.

Для определения значимости факторов использовался метод многофакторного эксперимента. Получено уравнение регрессии для числа опытных процессов с тремя значащими факторами: у = 2,12 + 0,189xi - 0-,571х2 - 0,144х3.

Факторы: Х| - номинал удельного сопротивления элитаксиалышх слоев, хд - квалификация операторов, хз - установка эпитаксиального наращивания. Наиболее значимым фактором, влияющим на количество опытных процессов, является квалификация операторов. Эффекта взаимодействия факторов не обнаружено, так как остальные коэффициенты в уравнение регрессии оказались не значимыми.

Было дано детальное описание взаимосвязи квалификации операторов с количеством проводимых ими опытных процессов.

Одной из существенных причин технологических потерь по толщине и удельному сопротивлению эпитаксиальных структур являются отклонения центров рассеяния параметров в технологических партиях от номинальных значений. Эти отклонения зависят от воспроизводимости технологического процесса по электрофизическим параметрам эпитаксиальных структур и точности управления им.

Степень совершенства управления рассматриваемыми параметрами в серии процессов можно оценивать количественно - с помощью показателя качества управления: % = (ев / е,() * 100 % , где е„ - отклонение центра рассеяния параметра эпитаксиального слоя в технологической партии от номинального значения, б. - случайная составляющая. При ручном управлении это показатель для наиболее квалифицированных операторов составляет 60 %, и улучшение воспроизводимости технологического процесса за счет повышения точности стабилизации задаваемых параметров технологического режима не может дать заметного эффекта, так как основной вклад в отклонение центров рассеяния толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев от номиналов вносит оператор.

В работе предложен алгоритм краткосрочного прогнозирования удельных сопротивлений в последовательном временном ряду. В основе алгоритма лежит модель экспоненциального сглаживания. Разработанный алгоритм адаптивного управления процессом эпитаксиального наращивания, являясь простым программным средством, показал приемлемость его применения в процессе промышленного производства кремниевых эпитаксиальных структур.

Показатель качества управления процессом эиитаксии, по результатам представительной выборки, составил 70 %, что в 1,3 раза выше чем этот показатель для операторов высшей квалификации. В

алгоритме не используются параметры уравнения регрессии, описывающего взаимосвязь скорости роста, толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя с параметрами технологического процесса, и потому его реализация на базе любого компьютера сравнительно проста.

Основные результаты работы и выводы.

1. В результате исследования азтолегирования высокоомных кремниевых эпитаксиальных слоев (концетрация примеси п -типа - менее 2*1014 см'3) мышьяком (концентрация - 2*1020 см'3) за счет его переноса с обратной стороны подложек установлено, что наиболее эффективным и простым способом подавления автолегирования является использование "сэндвич'-процесса. Сформулированы требования к "сэндвич"-слою, и разработаны технологические режимы его формирования, обеспечивающие получение эпитаксиальных структур с переходными областями, определяющимися только твердотельной диффузией.

2. В результате исследования автолегирования п+ (концентрация - 1017 см"3), п" (концентрация - 2* 10ю см'3) - слоев, последовательно наращиваемых в едином технологическом цикле, бором от обратной стороны подложек КДБ-0,005 (концентрация - 2,5* 10м см"3), а так же автолегирования второго п' - эпитаксиального слоя фосфором, оставшимся в реакционном объеме после наращивания п+ - слоя, установлено, что наиболее эффективным способом подавления автолегирования бором является использование "сэндвич'-процесса, а единственно возможным способом снижения автолегирования второго п' - слоя является использование длительного отжига структур в водороде после наращивания первого слоя. По результатам исследований сформулированы

требования к формированию "сэндвич"-слоя при получении структур п" - п+ • р+ как в едином, так и в раздельном технологических циклах.

3. Предложена новая модель количественного описания динамики автолегирования, что позволило описать эту динамику при получении структур п" - п+ - р+. В результате разработана технология получения двухслойных злитаксиальных структур для силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT, рассчитанных на ток 100 А и напряжение пробоя 1000 В, с применением переменного во времени легирования при наращивании второго слоя. Это позволило избежать осуществление длительного отжига после наращивания первого слоя и получать структуры 10ОКЭФЮО/20КЭФО,1/КДБ-О,ОО5 в едином технологическом цикле с толщиной переходной области между эпитаксиальными слоями не более 6-7 мкм.

4. Исследованы особенности контроля параметров п" • п+ - р* -структур 4-х зондовым, СВЧ, вольт-фарадным, Фурье методами, в результате чего разработаны методики вычисления толщин и удельных сопротивлений п" - п+ - р+ - структур, полученных в едином технологическом цикле, основанные на иеразрушающем контроле, с комплексным использованием этих методов.

5. Изучены газодинамические особенности массопереноса кремния в цилиндрическом реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси ("Эпиквар-121М"), найдено конструкторское решение (кольцо корректирующее проходное сечение в различных областях нижнего яруса пьедестала), позволившее оптимизировать массоперенос и тем самым повысить однородность распределения толщины по всей площади осаждения. В результате стал возможным выпуск злитаксиальных структур для силовых приборов, как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм с однородностью толщины слоя по всей партии не хуже 5-8 %.

6. Оптимизирована конструкция подложкодержателя, что позволило избежать прирастания, растрескивания пластин в случае наращивания эпитаксиального слоя толщиной до 300 мкм и выронить температурное поле на пластинах (Д Т < 7°С), в результате чего стал возможным выпуск структур диаметром 100 мм свободных от линий скольжения (К^ < 0,14).

7. Теоретически и экспериментально исследован процесс образования паразитных прослоек р-типа проводимости в п'-п"" - структурах, а так же эволюция их параметров в процессе последующих высокотемпературных операций. Установлено, что источником акцепторной примеси являются высоколегированные подложки, и их поверхность, где могут аккумулироваться примеси бора и алюминия (~ 1,8*10'° см"3) после операций химической и гидромеханической очистки. В результате сформулированы технические требования по содержанию акцепторных примесей в исходном монокристаплическом кремнии в зависимости от удельных сопротивлений эпитаксиальных слоев и параметров последующих операций. Разработаны технологические маршруты, обеспечивающие удаление химически не связанных с кремнием акцепторных примесей с поверхности подложек перед эпигаксиальным наращиванием.

резко снизить число опытных процессов, что в сочетании с разработкой алгоритма оптимизации расходов газов в системе легирования установки "Эпиквар-121М" позволило снизить себестоимость изготовления толстослойных высокоомных эпитаксиальных структур, в рамках промышленного производства на 20 %.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Харламов Р.В., Михайлов Ю.А., Известия высших учебных заведений., Материалы электронной техники., "Исследование кинетики автолегирования при эпитаксии кремния в хлоридном процессе.", Москва, МИСиС, №1,1999, стр. 22-25.

2. Волков А.Ф., Харламов Р.В., Известия высших учебных заведений., Материалы электронной техники., "Повышение эффективности подавления автолегирования при эпитаксии высокоомных слоев кремния." Москва, МИСиС, №1,2000, стр. 22-25.

3. Харламов Р.В., Вторая Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния "Кремний - 2000", Москва, МИСиС, "Образование паразитных прослоек р-типа при производстве кремниевых эпитаксиальных структур для силовой электроники"- тезисы доклада, 2000, стр. 235.

4УоПП111Л1> О О К4иИ1\Л'\ПАи>т<гиМ||11/П 1>11«1^П>1<УРтМ|,07 ЛЛЛЛ1АПГШ

научно-техническая конференция, "Получение двухслойных эпитаксиальных структур для силовой электроники на кремнии"- тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 1997, стр. 102. 5. Харламов Р.В., Михайлов Ю.А., Тюрнев Н.В. Микроэлектроника и ынформатика-98, Межвузовская научно-техническая конференция, "Исследование случайных и управляющих факторов на

электрофизические параметры - эпитакеиальных структур"- тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 1998, стр. 166.

6. Яремчук А.Ф., Тюриев Н.В., Харламов Р.В., Микроэлектроника и информатика-98, Межвузовская научно-техническая конференция, "Влияние электрофизических параметров эпигаксиапьных структур на коэффициент отражения и фазу отраженной СВЧ-волны"- тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 1998, стр. 174.

7. Харламов Р.В., Микроэлектроника и ииформатика-99, Межвузовская научно-техническая конференция, "Изучение причин генерации дефектов упаковки в кремниевых эпитаксиальных структурах со скрытыми диффузионными слоями" - тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 1999, сп). 108.

8. Харламов Р.В., Микроэлектроника и информатика-2000, Межвузовская научно-техническая конференция, "Алгоритм адаптивного управления процессом эпитаксии кремния" - тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 2000, стр. 137.

Подписано в печать Заказ 2М . Тираж 70 Объем 1, уч. изд-я Отпечатано в типографии МГИЭТ

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Харламов, Роман Валентинович

Введение.

Литературный обзор.

Глава I. Получение кремниевых эпитаксиальных высокоомных слоев на высоколегированных подложках и изучение автолегирования при их создании.

1.1. Автолегирование фосфором и мышьяком и способы его снижения при эпитаксии на подложках КЭС-0,01 и КЭМ-0,

1.2. Получение кремниевых эпитаксиальных структур (п"-п+-р+4) для биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ) и изучение автолегирования при их создании.

1.3. Исследование динамики автолегирования при эпитаксии кремния в хлоридном процессе.

1.4. Использование переменного во времени легирования при создании сложных структур.

Глава II. Модернизация подложкодержателя с целью снижения уровня генерации полос и линий скольжения при эпитаксии кремния.

1. Модернизация подложкодержателя с целью снижения генерации линий скольжения в эпитаксиальных слоях кремния.

Глава III. Исследование массопереноса при эпитаксии кремния в реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси.

III. 1. Влияние характера и направления потоков ПГС на однород-ность распределения толщины эпитаксиальных слоев в установках "Эпиквар-121М".

III.2. Оптимизация газовых потоков в установке "Эпиквар-121М" с целью повышения однородности скорости роста.

Глава IV. Образование паразитных прослоек р-типа при производ-стве кремниевых эпитаксиальных структур для силовой электроники.

IV. 1. Образование прослоек с проводимостью дырочного типа в в кремниевых эпитаксиальных п-п+ - структурах.

Введение 2000 год, диссертация по электронике, Харламов, Роман Валентинович

Прогресс в научно-технической, производственной и социальной сферах жизни современного общества в доминирующей степени определяется уровнем развития электронной техники, и в первую очередь, уровнем разработок и производства микроэлектронных приборов.

Комплекс микроэлектронных базовых технологий, определяющих возможности создания новых классов СБИС, а так же дискретных силовых приборов, основывается на принципах " планарной технологии", одной из главных составляющих которой являются процессы эпитаксии. Эпитаксиальные процессы позволяют формировать уникальные приборные структуры с заданными уровнями и градиентами концентраций легирующих примесей в различных конструктивно-технологических вариантах. Только с применением методов эпитаксии возможно получение новых видов современных полупроводниковых приборов, включая СВЧ-транзисторы, фотоэлектронные приборы, силовые приборы и т.д.

Согласно прогнозу применение процессов эпитаксии в 1998-2000 годах при изготовлении ИС и полупроводниковых приборов достигнет 8090 % [20].

В 1998-2008 годах разработки в области газофазной эпитаксии кремния не будут носить фундаментальный характер, а будут определяться практическими целями [25]. Наряду с развитием производства СБИС, где идет переход к субмикронным структурам и остро встают проблемы снижения толщины слоя, уменьшения ширины переходной зоны, дефектности, все большее значение приобретают процессы получения толстых (20-300мкм), высокоомных (30-150 Ом.см) эпитаксиальных слоев, а так же слоев для толстой диэлектрической изоляции поликристаллическим кремнием для высоковольтных мощных приборов. Это связано с тем, что огромную роль в экономике стран с мощной индустрией стали играть энергосберегающие технологии, которые в свою очередь невозможны без создания мощных высоковольтных управляющих и преобразовательных приборов. С ростом энерговооруженности потери энергии не линейно возрастают, и это приводит к тому, что прибыль от производства, где она используется растет крайне медленно. В то время как применяя энергосберегающие технологии, линейность этой зависимости удается сохранить (см .рис.1)

Производство кремниевых силовых приборов сдерживается резким возрастанием требований к эпитаксиальным структурам по основным техническим и экономическим параметрам (градиенты концентрации, дефектность, равномерность характеристик по площади структуры и в партии обрабатываемых пластин, себестоимость и т.д.). Стоит подчеркнуть, что получение эпитаксиальных слоев с удельным сопротивлением более 150 Ом.см на высоколегированных подложках (КЭМ-0,03, КДБ-0,005) является труднодостижимым для передовых в мире фирм [45, 46]. Производство таких структур уже невозможно в рамках использования традиционных технологических подходов. Кроме того, наблюдается значительное влияние управляющих и случайных факторов на характеристики таких эпитаксиальных структур, и эффективность производства в целом.

Прибыль от производства

Рис. 1. Зависимость прибыли от производства от энерговооруженности.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения отечественных производителей силовых транзисторов специальными эпитаксиальными структурами, отвечающих современным техническим требованиям.

Научная новизна работы состоит в следующем.

Предложена новая модель количественного описания динамики штолегирования. В результате стали возможным оптимизация технологических маршрутов подготовки оборудования эпитаксиального наращивания и юуществление переменного во времени легирования при создании сложных структур.

Требуемый результат по созданию n-n+ , п"-п+-р+ - эпитаксиальных структур с >езкими концентрационными профилями и разницей уровня легирования до 6 юрядков обеспечен разработанными и научно обоснованными режимами формирования защитного "сэндвич-слоя" и алгоритмом переменного легирования т основе найденных аналитических зависимостей динамики автолегирования.

Разработана модель вычисления электрофизических параметров двухслойных Г-п+ -р+ эпитаксиальных структур, полученных в едином технологическом цикле, с комплексным привлечением неразрушающих методов контроля толщины и сдельного сопротивления слоев (4-х зондового, вольт-фарадного, СВЧ, Фурье).

Изучение газодинамических особенностей массопереноса в реакторе *ертикального типа с распределенным вводом газовой смеси ("Эпиквар-121МТ") юзволило установить связь между конструктивными параметрами реактора и инородностью скорости роста эпитаксиальных слоев по сечениям, юрпендикулярным газовому потоку. В результате проведена модернизация >борудования.

В результате изучения причин возникновения паразитных слоев р-типа в п"-п+ -шитаксиальных структурах, а так же эволюции их параметров в течении юследующих высокотемпературных операций установлено, что источником ищепторной примеси являются высоколегированные подложки, и их поверхность, де аккумулируются примеси бора и алюминия (~1,8*Ю10 см"2) после операций зшической и гидромеханической очистки. Это позволило сформулировать ребования по содержанию акцепторной примеси в исходном монокристаллическом гремнии, и разработать условия на ведение процессов эпитаксии.

Разработан алгоритм адаптивного управления эпитаксиальным наращиванием фи выходе на заданные уровни удельного сопротивления, что позволило повысить ффективность производства, за счет снижения числа опытных процессов.

Практическая значимость.

1. Отработана и используется в ЗАО "НИИМВ" технология выращивания высокоомных (30-150 Ом.см) эпитаксиальных слоев различного типа проводимости на высоколегированных подложках КЭС-0,01, КЭМ-0,005, КДБ-0,005 с подавлением автолегирования от обратной стороны подложек за счет "сэндвич-процесса" (для установок с индукционным нагревом). Отработаны технологические режимы при которых закрытие обратной стороны слоем высокоомного кремния заканчивается до начала эпитаксиального роста.

2. Отработана технология получения двухслойных эпитаксиальных структур для силовых транзисторов IGBT, рассчитанных на напряжение пробоя 1100 В, и ток коллектора 100 А. На базе модели количественного описания процесса автолегирования разработаны и используются алгоритмы переменного во времени легирования при создании многослойных структур. Разработаны методики оценки электрофизических параметров двухслойных структур, полученных в едином технологическом цикле, основанные на комплексном использовании неразрушающих методов контроля.

3. Оптимизирован массоперенос кремния в реакторе установки "Эпиквар-121М", в результате чего стало возможным в ЗАО "НИИМВ" получение эпитаксиальных структур для силовых приборов как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм с однородностью толщины слоя по всей партии не хуже 5-8 %.

4. Разработаны и используются новые методы и пути модернизации подложкодержателей, в результате чего на установках с индукционным нагревом освоен выпуск структур диаметром 100 мм свободных от линий скольжения (Кзлс <0,1).

5. Разработан алгоритм адаптивного управления процессом эпитаксиального наращивания от ЭВМ и повышена экономическая эффективность промышленного производства эпитаксиальных структур для мощных приборов.

Внедрение и использование результатов. Основные результаты диссертационной работы были использованы в НИОКР "Мотор" по освоению газофазной эпитаксии на пластинах диаметром 150 мм, НИР "Согласие-МВ" по созданию специальных эпитаксиальных структур 7 диаметром 150 мм с повышенными требованиями к переходным областям, проведенных в ЗАО "НИИМВ" в 1998,1999 годах.

Эпитаксиальные структуры акционерного общества "НИИМВ", удовлетворяющие требованиям стандарта SEMI М2-87 для мощных высоковольтных транзисторов используют в своем производстве ЗАО "Кремний-маркетинг" (г. Брянск), ОАО "Ангстрем" (г. Зеленоград), и другие предприятия.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 2-ой Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния -"Кремний -2000" (Москва, МИСиС, 2000 г.); на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Электроника и информатика" (Москва, МГИЭТ, 97,98,99,2000 гг.; а так же на научных семинарах ЗАО "НИИМВ"(98,99 гг.) и кафедры "Полупроводниковых материалов и приборов" (Москва, МИСиС, 1999г).

Разделы диссертационной работы 1.2, П.1 написаны в соавторстве с Волковым А.Ф.; в получении результатов, описанных в разделе 1.3, принимал участие Михайлов Ю.А.

Литературный обзор

Современное знание о эпитаксиальных процессах на кремнии

Процесс эпитаксиального наращивания на кремнии широко применяется в производстве полупроводниковых приборов с 1950 года. Знание фундаментальных процессов эпитаксиального выращивания кремния и влияние конструкции реакторов на эти процессы значительно улучшилось особенно за последние 15-20 лет. Это важно для последующего улучшения и использования эпитаксии на кремнии при изготовлении твердотельных приборов.

Данная работа посвящена газофазной эпитаксии кремния, так как другие виды эпитаксии (жидкофазная, молекулярно-лучевая, твердотельная кристаллизация) в силу своих особенностей не пригодны для выращивания толстых слаболегированных эпитаксиальных слоев с заданными концентрационными профилями и уровнем дефектности. А именно такие эпитаксиальные структуры являются основой для создания силовых приборов.

Изучение процессов протекающих в реакторе во время эпитаксиального наращивания с позиций термодинамики, измерение характеристик продуктов реакции, а так же результаты, полученные при различных условиях ведения процесса, легли в основу следующих фундаментальных выводов.

1. Высококачественное эпитаксиальное осаждение происходит в результате образования новых промежуточных химических продуктов реакции из подаваемых газов. Этими продуктами являются БгНг из силана или ЗЮЬ из хлорсиланов. Эти новые молекулы реагируют на или непосредственно над поверхностью. Атомы кремния или соответствующие молекулы диффундируют затем по поверхности к узлам для зародышеобразования или роста [1,2, 3, 4].

2. Управление скоростью осаждения , по-видимому, связано с десорбцией водорода или диссоциацией БЛ^ или 81С12 на поверхности, в то же время образование высококачественного монокристаллического кремния связано с поверхностной скоростью диффузии кремния [1].

3. Когда скорость осаждения кремния превышает скорость его поверхностной диффузии, образуются дефекты из-за перехода атомов кремния в более высокие энергетические положения на поверхности [1].

4. Эпитаксиальный кремний обычно осаждается в режиме с ограниченным массопереносом при температуре 1050-1200°С. В этом режиме скорости поверхностной диффузии достаточно высоки, чтобы обеспечить приемлемые скорости роста с низкой плотностью дефектов.

Для получения хорошей кристаллической структуры поведение атомов кремния, не достигших слишком быстро поверхности, будет определяться условиями управления скоростью массопереноса.

5. Адсорбированные атомы кремния при занятии узлов взаимодействуют с молекулами, атомами легирующей примеси, водородом, хлором и их соединениями, а также другими посторонними атомами на поверхности, что замедляет эффективную скорость поверхностной диффузии [2,1, 21].

6. При высоких температурах водород действует как восстанавливающий агент и удаляет большинство химических продуктов, отрицательно влияющих на формирование качественного монокристалла. При низких температурах адсорбция водорода, кислорода, хлора и их соединений увеличивается. Для эпитаксии методом парофазно-химического осаждения [5], а также молекулярно-лучевой эпитаксии [6, 7] плотность дефектов резко увеличивается при температурах ниже 800°С.

7. Осаждение при пониженном давлении улучшает качество кристаллов благодаря удалению водорода, хлора, кислорода и большинства других посторонних атомов с поверхности роста [8, 9, 10].

8. Из пунктов 1-7 очевидно, что для хорошего качества кристаллов при более низких температурах осаждения требуются более низкие скорости выращивания [1, И, 9,10].

9. При температуре 850°С для приемлемого переноса рисунка скрытого слоя в эпитаксиальный слоя посредством диффузии требуется скорость выращивания около 0,04 мкм/мин [12].

10. Автолегирование уменьшается с увеличением скорости газа, уменьшением давления и уменьшением концентрации хлоридов [13,14, 90]. Рисунок 1 иллюстрирует, как размеры переходных областей между подложкой и эпитаксиальным слоем для температуры 1050°С над скрытыми слоями, легированными мышьяком, уменьшаются с уменьшением давления в вертикальном реакторе до минимального значения, связанного с аутдиффузией [15,16]. Меньшие значения ширины перехода достигаются при более низких температурах и более низких давлениях в цилиндрическом горизонтальном [9] и вертикальном [10] реакторах, а также в реакторах со сложной геометрией [12,17,18].

Эпитаксия при низких давлениях и температуре

Основное преимущество эпитаксиального осаждения в полупроводниковом производстве заключается в возможности формировать практически любые толщины монокристаллических слоев со

Ширина переходной области, мкм

0,6 0,5 0,4 0,3 ОД

50 100 150 200 250 Давление, Topp

Рис. 1. Ширина переходной области между подложкой со скрытым слоем, легированным мышьяком (удельное сопротивление - 2 Ом.см) и эпитаксиальнам слоем в зависимости от давления в реакторе. Источник кремния - Sittel2, скорость роста - 0,3 мкм/мин, Т -1050°С. слабым легированием поверх сильно легированной монокристаллической подложки.

Резкие переходы от сильно легированной подложки к слаболегированному эпитаксиальному слою и низкая плотность кристаллических дефектов важны для будущих приборов. Эти требования приводят к изучению процессов эпитаксиального осаждения при более низкой температуре и давлении. Некоторые данные по выращиванию р/р+-структур [10] из дихлорсилана при пониженном давлении (50-300 тор) в вертикальном реакторе приведены в таблице 1.

Отметим, что согласно таблице 1 плотность дефектов резко увеличивается в случае осаждения при пониженном давлении и температуре ниже 800 °С. При атмосферном давлении, чтобы достичь низких плотностей дефектов требуется температура 1030°С. Давления от 50 до 300 тор дают одинаково низкую плотность дефектов при температурах 800-900 °С. Это улучшение качества сообщалось в ряде работ [9, 11, 12, 19]. В работе [10] сообщалось о высокой плотности дефектов для осаждения ниже температуры 800°С и при всех исследованных режимах.

Наилучшее низкотемпературное эпитаксиальное осаждение проходит благодаря подготовки поверхности с помощью высокотемпературной сушки (>1050°С) в водороде. Это средство менее эффективно для низких температур осаждения из-за повторной адсорбции нежелательных примесей.

Таблица 1

Некоторые характеристики структур полученных методом парофазно-химического осаждения при низкой температуре

Температура, °С Скорость роста, мкм/мин Средняя ширина перехода, мкм Плотность дефектов на см2

900 0,25 ОД 0

850 0.1 0,08 0

800 0,04 0,06 50-1000

750 0,014 0,05 10000

Ниже температуры 900°С скорости роста, сообщаемые в работе [10], ограничивались скоростью реакции на поверхности и в связи с этим уменьшались быстро и экспоненциально с уменьшением температуры. Энергия активации для режима, ограниченного скоростью реакции на поверхности, составила 40-45 ккал/моль, что ожидалось для осаждения из хлорсиланов при низких температурах [1]. Для сравнения, в работе [19] получено значение 51 ккал/моль, при осаждении из силана в нетрадиционном реакторе. Эти наблюдения соответствуют другим наблюдениям и теории, согласно которой ограничение низкотемпературного осаждения кремния из силана определяется десорбцией водорода от поверхности, а осаждение из хлорсиланов связано с разрушением связи кремний-хлор в адсорбированных молекулах ЭЮЬ

Для биполярной технологии важно получение структур с резким распределением легирующей примеси и разницей концентраций на два-три порядка. Транзисторы с изменением концентрации на три-четыре порядка нужны в основном для мощных биполярных и некоторых усовершенствованных КМОП структур. Резкость переходов на современном уровне менее критична , но в будущем требования к ней будут резко возрастать.

На рисунке 2 приведены данные по ширине перехода для р/р+ -структуры [10] и аналогичные данные для других исследований. Указанные размеры переходов являются минимальными при любом давлении и конкретной температуре. Ширина перехода определяется здесь как расстояние, требуемое для изменения концентрации легирующей примеси на два порядка. Это определение является грубым измерением автолегирования, которое включает аутдиффузию, а также автолегирование, имеющее место в диапазоне быстро изменяющейся концентрации легирующей примеси. Это определение не учитывает хвост автолегирования на участке постоянной концентрации эпитаксиального слоя [2,20].

В работе [10] отмечено, что в случае осаждения при температуре ниже 900°С размеры переходов изменяются очень незначительно с уменьшением температуры. Это наблюдение соответствует данным на рисунке 2, где минимальная ширина перехода быстро уменьшается с 0,3 мкм при 1100°С до примерно 0,1 мкм при 900°С. От 900°С до 750°С ширина перехода уменьшается от 0,1 до 0,05 мкм.

Расчеты для аутдиффузии [12] дали минимальную ширину перехода 0,05-0,1 мкм для р/р+ эпитаксиальных структур в диапазоне температур 750-900°С. Из данных рисунка 2 очевидно, что в промышленных реакторах можно получать размеры переходов по существу те же, что и ожидаемые за счет аутдиффузии (при изменении концентрации легирующей примеси на два порядка).

Сообщалось о получении с помощью «необщепринятого» реактора эпитаксиальной структуры, где ширина перехода составляла 0,02-0,04 мкм при изменении концентрации примеси на четыре порядка [12, 18, 92]. Это возможно благодаря тому, что эти реактора имеют малые рабочие объемы, небольшую общую площадь сильнолегированной поверхности и работают при очень низких давлениях.

Резкие переходы с изменением концентрации на четыре порядка трудно получить в промышленных реакторах из за «хвоста автолегирования» [2, 22]. Такой хвост является следствием работы в режиме ламинарного потока с относительно большими объемами рабочего газа и большими поверхностными площадями. В большинстве случаев достаточно короткие времена пребывания в камере отработавших газов в результате высоких расходов при пониженном давлении будут приводить к уменьшению этого хвоста до приемлемых значений.

Транзисторы с р/р+ - структурой, в которых изменение концентрации составило три порядка на расстоянии ОД мкм, были сформированы в цилиндрическом реакторе при температуре 826°С и давлении 26 тор [9]. Использовался дихлорсилан и подложка не маскировалась с обратной стороны.

10000/Т, 1/К

Рис. 2. Размеры переходной области в зависимости от обратной температуры для изменения концентрации легирующей примеси на два порядка, по сообщениям различных авторов.

Переход с изменением концентрации на три порядка на расстоянии 0,2 мкм в п/п+ - структуре был получен в вертикальном реакторе меньших размеров [90]. Осаждение проводилось при температуре 1050°С, давлении 760 тор, и применялось маскирование обратной стороны подложек. Четыре порядка изменения концентрации в пределах 0,2 мкм были достигнуты в вертикальном реакторе при п+ - эпитаксии поверх эпитаксиального р - слоя [23] . Осаждение проводилось из дихлорсилана при температуре 1030°С и давлении 200 тор. В работе [24] сообщается об изменении концентрации на четыре порядка в пределах 1,3 мкм.

Для более резких переходов, чем указаны выше, возможно потребуются новые реакторы или процессы, которые обеспечат более быстрое изменение состава газа над пластиной и более высокое качество эпитаксиального кремния в диапазоне температур 650-850 °С. По мере уменьшения температуры и давления осаждения, для хорошего качества кристаллов потребуются более низкие скорости роста, поэтому, по-видимому, такие реакторы будут использоваться только тогда, когда толщины эпитаксиальных слоев станут менее 0,6-0,8 мкм [25].

Оборудование

Существуют следующие основные тенденции в разработке реакторов для эпитаксиального наращивания [89]:

1. использование реакторов типа «Jumbo» [25] в эпитаксиальных процессах для КМОП - технологии;

2. создание среднеразмерных промышленных реакторов для выращивания эпитаксиальных структур для биполярных/МОП - приборов, а так же для силовой электроники, где требуется получение высокоомных, толстослойных эпитаксиальных структур;

3. создание эпитаксиальных реакторов с принципиально новыми условиями осаждения слоев.

Для реакторов типа «Jumbo» завершилась стадия их разработки и передаче промышленности. При использовании такие реакторы будут обеспечивать меньшую стоимость для эпитаксиальных КМОП структур.

Реакторы средних размеров имеют хорошую производительность при выпуске специализированных ИС, а так же при получении толстых эпитаксиальных слоев (более 20 мкм).

Реакторы с двумя камерами и раздельно работающими подсистемами обеспечивают наибольшую эффективность и гибкость, особенно для тонких эпитаксиальных слоев [29]. Для получения толстых эпитаксиальных структур использование двухкамерных установок не оправдано.

Авторами [59] разработан принципиально новый реактор для эпитаксиального наращивания. Ими представлен новый гидродинамический принцип работы реакторов химического осаждения из газовой фазы, который обеспечивает равномерное осаждение слоев на статический пьедестал без какого либо ограничения по размеру. Этот новый принцип базируется на точном контроле как температурных полей, так и значений концентраций с целью достижения однородности этих параметров на пьедестале. Принцип базируется на двух фундаментальных условиях. Транспорт масс и теплоты в значительной степени определяется диффузией, а влияние конвекции крайне незначительное. Профили температуры и концентрации равномерно распределяются в горизонтальном направлении путем правильного подбора пограничных условий.

Современные разработки в области эпитаксии кремния

Именно с помощью современных среднеразмерных реакторов исследователи улучшают технологию получения эпитаксиальных структур. Среди направлений разработок выделяются следующие:

1. исследование эпитаксиального роста при низком давлении с очень низкими скоростями наращивания (менее 0,1 мкм/мин) [10];

2. субмикронная эпитаксия [23, 30];

3. создание процессов с большим числом формируемых эпитаксиальных слоев [23];

4. применение новых химических материалов для осаждения эпитаксиальных слоев, например 81гНб [31, 32, 33];

5. фотостимулированная эпитаксия [33, 34];

6. эпитаксия стимулированная плазмой [12];

7. химическо-лучевая эпитаксия как дополнение к молекулярно-лучевой эпитаксии [35];

8. отработка процессов с ограниченной реакцией, в которой пластины быстро нагреваются в рабочем пространстве, уже содержащем реагенты [21,23,17];

9. кремний на диэлектрике, особенно кремний на имплантированном оксиде, полученном с помощью глубокой имплантации кислорода после эпитаксиального осаждения, чтобы обеспечить более выгодные толщины [36, 37,38, 39].

Тенденция развития полупроводниковой технологии, характеризующаяся все большим числом обрабатываемых пластин, увеличением диаметра, уменьшением размеров и увеличением степени интеграции, содержит средний путь, направленный на рынок специализированных приборов. Процессы обработки специализированных ИС характеризуются партиями из 1-100 пластин, диаметром 100-200 мм и производительностью 5-25 пластин в час [25].

По мнению авторов [25] в 1998 - 2008 гг. разработки в области эпитаксии кремния не будут носить фундаментальный характер, а будут определяться практическими целями. В частности - это работы по совершенствованию оборудования, создание роботизированных комплексов. Будут наблюдаться две ветви технологии получения эпитаксиальных слоев. Это получение толстых эпитаксиальных слоев ( 100 - 200 мкм, для мощных высоковольтных приборов, а так же для диэлектрической изоляции поликристаллическим кремнием), и тонких (0,6-5 мкм, для МОП/КМОП- структур).

Перспективы развития силовой электроники

55 % производимой в мире электроэнергии используется для работы электропривода. В США и других развитых странах доля преобразованной электроэнергии составляет свыше 40 % (в России эта доля не превышает

10 %, из которых основная часть , до 9/10, приходится на электровозную тягу). Использование преобразованной электроэнергии для управления электроприводом позволит сэкономить до 30 % используемой на эти цели электроэнергии [86, 87].

Основными элементами преобразователей разных типов являются силовые диоды, транзисторы, тиристоры. Самым эффективным транзистором - является биполярный транзистор с изолированным затвором (ЮВТ). Он применим и в бытовой аппаратуре.

Мощные транзисторы являются одной из основных частей современной электронной аппаратуры, определяющих надежность ее работы. Наиболее широкое применение они нашли во вторичных источниках электропитания, в выходных каскадах усилителей мощности, в модуляторах электрического сигнала, схемах управления электродвигателями, автомобильной электронике и др.

До недавнего времени основными мощными приборами, применявшимися в указанных выше областях техники, являлись биполярные транзисторы. Однако из за низкой перегрузочной способности, низкого коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером, относительно невысокого быстродействия, сегодня они уже не удовлетворяют возросшим требованиям, предъявляемым к силовым ключевым элементам.

В конце 70-х годов на смену биполярным транзисторам пришли мощные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП-транзисторы). Обладая рядом преимуществ -высокая перегрузочная способность и быстродействие, практически безтоковое (потенциальное) управление, они имеют и ряд существенных недостатков: высокое сопротивление канала в отрытом состоянии и высокую себестоимость при изготовлении. Несмотря на достигнутый в последние годы прогресс в конструктивно-технологических решениях [40, 41] и начала серийного производства МОП-транзисторов, они, особенно высоковольтные, значительно уступают биполярным по падению напряжения в открытом состоянии.

Указанное обстоятельство вынуждает искать новые конструктивно-технологические решения, которые позволили бы сочетать в себе одновременно достоинства полевых и биполярных транзисторов.

Самым очевидным шагом было осуществление управления биполярным транзистором с помощью полевого транзистора в схеме Дарлингтона при функциональном интегрировании двух этих приборов на одном кристалле. Этот схемный вариант включается подобно мощному полевому транзистору и при этом имеет значительно меньшее остаточное напряжение, так как большую часть выходного тока берет на себя биполярный транзистор.

Другой способ получения комбинированной структуры, обладающей одновременно высоким входным сопротивлением полевого транзистора и высокой плотностью тока является биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) [42, 43]. Основная структура транзистора показана на рисунке 3. Некоторые авторы [44] склонны считать IGBT-транзисторы - приборами, относящимися ко второму поколению мощных транзисторов. О создании IGBT впервые было сообщено в 1983 году. Этот прибор сочетает в одном кристалле высокий входной импеданс, характерный для МОП-транзисторов, и малые потери в проводящем состоянии, характерные для биполярных транзисторов, что позволяет считать его идеальным устройством для управления приводов электродвигателей.

Ведущие фирмы продолжают работы по совершенствованию конструкции и технологии получения IGBT-транзисторов. Достигнуты на серийных приборах наибольшие значения тока и напряжения 75-100 А и 1000 В [45]. Имеются сведения о разработке фирмой "TOSHIBA" высоковольтного транзистора на напряжение 1800 В [46].

Эпитаксиальные кремниевые структуры для мощных приборов

В этом подразделе будут рассмотрены основные отличия эпитаксиальных структур для силовых приборов от тонкослойных структур для БИС, будут отмечены основные проблемы, возникающие при изготовлении таких структур.

Для эпитаксиальных структур для мощных силовых приборов характерно наличие высокоомного слоя (30 - 200 Ом.см) большой толщины (20 - 150 мкм), и зачастую наличие скрытого эпитаксиального слоя толщиной до 30 мкм с удельным сопротивлением от 0,05 до 20 Ом.см. Выращивание осуществляется на высоколегированных подложках КДБ-0,01, КБД-0,005, КЭМ-0,005, КЭС-0,01. Т.о. разница по удельному сопротивлению между эпитаксиальным слоем и подложкой составляет 4-6 порядков. В этих условиях процесс автолегирования слоя примесью подложки становится серьезной проблемой на пути создания структуры. Автолегиррование второго эпитаксиального слоя примесью, накапливающейся в объеме реактора во время наращивания первого эпитаксиального слоя, в случае получения структуры в едином технологическом цикле, так же осложняет технологический процесс. Остается открытым вопрос метрологии двухслойных эпитаксиальных структур, получаемых в едином технологическом цикле.

К таким эпитаксиальным структурам, в соответствии с международным стандартом SEMI-2-87-II, предъявляются чрезвычайно высокие требования по совершенству структуры. Так например, критическим оказывается параметр заполнения структуры линиями скольжения (Кзлс менее 0,1) и дефектами упаковки, дислокациями.

Снижение себестоимости процесса получения высокоомных структур, в условиях промышленного производства, является сложной и актуальной проблемой.

Автолегироеание при создании эпитаксиальных структур

Основная сложность создания эпитаксиальных структур для силовых приборов заключается в том, что приходится одновременно получать толстые слои со сверхнизким и сверхбольшим удельным сопротивлением, что приводит к автолегированию в случае наращивания слоев в едином технологическом цикле. Использование сильнолегированных подложек р -типа так же приводит к появлению автолегирования растущего эпитаксиального слоя бором, что существенно затрудняет реализацию технологического процесса. Достаточно сказать, что при получении эпитаксиальных структур без специальных мер, направленных на подавление автолегирования, вместо слоя п - типа формируется слой р -типа с разбросом удельного сопротивления по пластине от 10 до 80 Ом.см [47].

Первыми авторами, обнаружившими эффект автолегирования при эпитаксии кремния были Н. Вазз^Иез [48] и Б. КаИтщ [49]. Этот эффект изучался многими авторами, в частности [50, 51, 52, 53]. Наиболее детально этот процесс изучен в работах [54, 55, 56, 57]. Однако этот процесс изучался всеми авторами при разнице в концентрации примесей между подложкой и эпитаксиальным слоем на 2 - 4 порядка. Случай с разницей в концентрации на 6 порядков, как у эпитаксиальных структур для ЮВТ, в литературе не встречался.

Способы подавления автолегирования связаны и определяются такими важными технологическими факторами, как газодинамические условия в реакторе, общее давление в системе, температура, тип вводимого в газовую фазу хлорсиланового соединения, скоростные режимы наращивания эпитаксиальных слоев, скорость потока газоносителя и способ охлаждения реактора.

Все средства, которые удаляют легирующую примесь с поверхности пластины и из объема реактора, способствуют уменьшению автолегирования и образованию более резких переходов. Предпочтительно использовать предварительную термообработку, которая очищает поверхность пластин от легирующей примеси [3, 26].

Рис. 3. Структура биполярного транзистора с изолированным затвором (ЮВТ).

К другим методам относится маскирование обратной стороны подложек [14], минимизация полной площади поверхности сильно легированного кремния в реакторе [14]. Использование менее подвижных атомов, например, сурьмы, также способствует уменьшению автолегирования [21, 27, 28].

Эпитаксия кремния для формирования р/р+ и п/п+ - структур при температуре выше 1050°С обычно требует маскирования обратной стороны подложки, чтобы предотвратить выход легирующей примеси. При более низких температурах и меньших расходах резкие переходы получаются без маскирования обратной стороны подложек [9, 10, 12, 18, 21]. Методы маскирования обратной поверхности в основном используют слои диоксида кремния. Если необходимо, используются нитрид кремния или поликремний, которые относительно устойчивы к соляной и плавиковой кислотам. Они применяются для предварительного эпитаксиальному росту травления поверхности кремниевых пластин.

Реакторы, работающие на пониженном давлении, могут уменьшать автолегирование до достаточно низких уровней для двух различных примесей [9, 15,10, 23] при толщинах эпитаксиальных слоев 0,6-2,0 мкм.

Одним из способов подавления автолегирования, является предварительная обработка подложек тлеющим разрядом в газовой смеси, содержащей газ-носитель, фтор, хлор, легирующие добавки, которые применяются для данного легирования. При этом в зависимости от силы тока разряда происходит обеднение подложки основными примесями на глубину 500-5000 А° с одновременным захватом этой поверхностью легирующего эпитаксиальный слой элемента [58].

Уровень автолегирования бором можно снизить с помощью различных добавок в ПГС и изменением режимов термообработки, травления структур НС1 и эпитаксиального наращивания. Но наиболее технологичным является способ непрерывного перехода при повышенной концентрации хлора от газового травления к наращиванию эпитаксиального слоя, т. е. после газового травления пластин подача НС1 не прекращается, и начальный слой наращивается в присутствии хлористого водорода. В результате образуется соединение ВС1з , которое уносится.

Для устранения нежелательного процесса автолегирования применяют также маскирование обратной стороны слоем высокоомного кремния за счет "сэндвич" - процесса при наращивании эпитаксиального слоя [47]. Защита от автолегирования с помощью "сэндвич" - процесса в сочетании с использованием в качестве кремний-содержащего компонента дихлорсилана позволяет успешно наращивать высокоомные слои пир типа даже на подложках, легированных бором, с удельным сопротивлением до 0,005 Ом.см [47]. Это происходит в следствии пониженной температуры в сочетании с отличным от хлоридного процесса химизмом. Однако при использовании дихлорсилана наблюдается некоторое увеличение количества ростовых дефектов по сравнению с хлоридным процессом, что не позволяет рекомендовать его для получения разрабатываемых структур.

Некоторые японские авторы [56] для устранения автолегирования предлагают введение в реактор паров Н20 до 4 Па, в этом случае Н2О не будет действовать как окислитель, а с атомами бора будет образовывать нейтральные комплексы в хлоридном процессе, которые будут отводится из реактора.

В работе [60] авторы исследовали автодиффузию при эпитаксии кремния на высоколегированных подложках. Наращивая невысокоомные слои (-30 Ом.см) толщиной до 5 мкм на подложках КЭМ-0,003 на установках УНЭС2ПК-А хлоридным и гидридным методом установили, что наименьший уровень автодиффузии примеси с поверхности сильнолегированной подложки в растущую эпитаксиальный слой достигается созданием двух тонких (0,2 мкм каждый) буферных слоев. Эффективной защитой от автолегирования с нерабочей стороны и краев сильнолегированной подложки являлся слой поликремния, предварительно нанесенный на нагреватель и осажденный на рабочую пластину методом "сэндвич" - процесса.

Снижение себестоимости получения высокоомных эштаксиальных структур за счет оптимизации техпроцесса

Как отмечалось, вопрос экономической эффективности технологии получения высокоомных, толстослойных эпитаксиальных структур, в условиях промышленного производства, является одним из определяющих. Снижение себестоимости продукции оказывается возможным за счет повышения выхода годных структур (оптимизация точности управления и оборудования), снижение количества вспомогательных, аттестационных процессов (использование автоматизированных систем управления процессом средствами ЭВМ с целью учета динамики параметров эпитаксиальных слоев во времени и т.д.).

Как показывает практика [74,75 ], одной стабилизацией основных технологических параметров не удается достичь желаемой воспроизводимости процесса, т. к. в этом случае не учитывается "память установки", предыстория процесса, качество используемого сырья, невозможен учет случайных изменений технологических параметров.

В работе [73] была разработана информационно-советующая истема управления процессом наращивания эпитаксиальных слоев, там же решена задача полного математического описания процесса с помощью экспериментально-статистических методов. Однако отсутствие, по мнению авторов, прямой обратной связи (минуя оператора) между ЭВМ и объектом не позволило полностью реализовать преимущества ЭВМ для управления процессами.

Есть подобные сообщения в зарубежной печати о применении ЭВМ для управления процессами эпитаксии [74], что позволило резко повысить воспроизводимость процесса.

В работе [75] была сделана попытка создать автоматическую систему управления параметрами эпитаксиальных слоев. Целью работы было создать информационно-прогнозирующую систему на ведение процессов, а так же реализовать алгоритм переменного газоразрядного легирования во времени, с целью создания структур с более сложными примесными профилями. В основе модели процесса эпитаксии лежала полиномиальная зависимость толщины эпитаксиальной пленки от ряда факторов. Среди них: время процесса наращивания, расход водорода через БЮи, напряжение на ВЧ-генераторе, температура микрохолодильника. Управление процессом газоразрядного легирования достигалось за счет изменения энергии и частоты повторения газового разряда [76]. В этом случае наиболее сложным процессом являлось легирование по заданному закону [77,78]. В задачу управления эпитаксиальным процессом входило управление ростом пленки и получение при этом заданного профиля легирования.

На основе работ [72,79] принято решение использовать для управление эпитаксиальным процессом статическую модель в виде уравнения регрессии. Так как модель процесса статична, а изменение профиля легирования процесса требует изменения скорости роста непрерывно, то очевиден вопрос об ошибке дискретности. Кроме того, в результате циклического управления возникает ошибка от случайного изменения независимых переменных.

В диссертационной работе будут предложены алгоритмы переменного во времени легирования эпитаксиальных слоев, и адаптивного управления последовательными процессами эпитаксии в промышленном производстве, в которых будет учтена динамика процесса автолегирования растущего слоя, и соответственно динамика изменения параметров эпитаксиальных слоев с течением времени.

Заключение диссертация на тему "Разработка технологии производства кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов"

Выводы по диссертации

1. В результате исследования автолегирования высокоомных кремниевых эпитаксиальных слоев (концетрация примеси п -типа - менее

1Л "5 лл •i

2*10 см ) мышьяком (концентрация - 2*10 см ) за счет его переноса с обратной стороны подложек установлено, что наиболее эффективным и простым способом подавления автолегирования является использование "сэндвич"-процесса. Сформулированы требования к "сэндвич"-слою, и разработаны технологические режимы его формирования, обеспечивающие получение эпитаксиальных структур с переходными областями, определяющимися только твердотельной диффузией.

2. В результате исследования автолегирования п+ (концентрация - 1017 см"3), п (концентрация - 2*1020 см"3) - слоев, последовательно наращиваемых в едином технологическом цикле, бором от обратной стороны подложек КДБ-0,005 (концентрация - 2,5*1020 см"3), а так же автолегирования второго п - эпитаксиального слоя фосфором, оставшимся в реакционном объеме после наращивания п+ - слоя, установлено, что наиболее эффективным способом подавления автолегирования бором является использование "сэндвич"-процесса, а единственно возможным способом снижения автолегирования второго п" - слоя является использование длительного отжига структур в водороде после наращивания первого слоя. По результатам исследований сформулированы требования к формированию "сэндвич"-слоя при получении структур n" - п+ - р+ как в едином, так и в раздельном технологических циклах.

3. Предложена новая модель количественного описания динамики автолегирования, что позволило описать эту динамику при получении структур п - п+ - р+. В результате разработана технология получения двухслойных эпитаксиальных структур для силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT, рассчитанных на ток 100 А и напряжение пробоя 1000 В, с применением переменного во времени легирования при наращивании второго слоя. Это позволило избежать осуществление длительного отжига после наращивания первого слоя и получать структуры 100КЭФ100/20КЭФ0,1/КДБ-0,005 в едином технологическом цикле с толщиной переходной области между эпитаксиальными слоями не более 6-7 мкм.

4. Исследованы особенности контроля параметров п" - п+ - р+ -структур 4-х зондовым, СВЧ, вольт-фарадным, Фурье методами, в результате чего разработаны методики вычисления толщин и удельных сопротивлений и" - п+ - р+ - структур, полученных в едином технологическом цикле, основанные на неразрушающем контроле, с комплексным использованием этих методов.

5. Изучены газодинамические особенности массопереноса кремния в цилиндрическом реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси ("Эпиквар-121М"), найдено конструкторское решение (кольцо корректирующее проходное сечение в различных областях нижнего яруса пьедестала), позволившее оптимизировать массоперенос и тем самым повысить однородность распределения толщины по всей площади осаждения. В результате стал возможным выпуск эпитаксиальных структур для силовых приборов, как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм с однородностью толщины слоя по всей партии не хуже 5-8 %.

6. Оптимизирована конструкция подложкодержателя, что позволило избежать прирастания, растрескивания пластин в случае наращивания эпитаксиального слоя толщиной до 300 мкм и выронить температурное поле на пластинах (А Т < 7°С), в результате чего стал возможным выпуск структур диаметром 100 мм свободных от линий скольжения (К !ЛС < 0,14).

7. Теоретически и экспериментально исследован процесс образования паразитных прослоек р-типа проводимости в п"-п+ - структурах, а так же эволюция их параметров в процессе последующих высокотемпературных операций. Установлено, что источником акцепторной примеси являются высоколегированные подложки, и их поверхность, где могут аккумулироваться примеси бора и алюминия (~ 1,8*1010 см"3) после операций химической и гидромеханической очистки. В результате сформулированы технические требования по содержанию акцепторных примесей в исходном монокристаллическом кремнии в зависимости от удельных сопротивлений эпитаксиальных слоев и параметров последующих операций. Разработаны технологические маршруты, обеспечивающие удаление химически не связанных с кремнием акцепторных примесей с поверхности подложек перед эпитаксиальным наращиванием.

8. В результате исследования методами статистического анализа влияния случайных и управляющих факторов на количество опытных процессов при выходе на высокие номиналы удельных сопротивлений слоев установлено, что наиболее значимым фактором является квалификация операторов, на которых возлагается задача прогнозирования легирующего фона в реакторе. За счет разработки алгоритма адаптивного управления эпитаксиальным наращиванием от ЭВМ и разработки технологических маршрутов подготовки реактора, с целью сокращения динамической неустойчивой области по условиям легирования, удалось резко снизить число опытных процессов, что в сочетании с разработкой алгоритма оптимизации расходов газов в системе легирования установки "Эпиквар-121М" позволило снизить себестоимость изготовления толстослойных высокоомных эпитаксиальных структур, в рамках промышленного производства на 20 %.

Библиография Харламов, Роман Валентинович, диссертация по теме Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

1. J. Bloem, J. Jiling, Chapter 3 in "VLSI Technology", 1983, S. M. Sze, ed., McGraw-Hill.

2. N. G. Einspruch, H. Huff, eds.,"VLSI Electronics, vol. 11, Silicon Materials", 1987, Acagemic Press.

3. M. L. Hammond, "Handbuook of deposition Equipment Technology", 1987, K. Schuegraf, ed., Noyes Publications.

4. R. Reif, T. Kamins, J. Electrochem.Sos., 1979, vol. 126, p. 644, 653.

5. С. I. Drowley, Proc. CVD X- 10th Intl. Conf.on Chem. Vapor Dep., Electrochem.Sos., 1987, vol. 87-8, p. 243.

6. N. G. Einspruch, H. Huff, eds.,"VLSI Electronics, vol. 12, Silicon Materials", 1985, Acagemic Press.

7. H. Sugiura, M. Yamaguchi, Jpn. J. Appl. Phys., 1980, vol. 19 , p. 583.

8. L. Y. Lawrence, M. L. Hammond, in "Proc. 9th Infl. Conf.on Chem. Vapor Dep"., McD. Robinson et al., ads., Electrochem.Sos., 1984, vol. 3, p. 454.

9. J.O. Borland, С. I. Drowley, Solid State Technology, 1986, vol. 28(8), p. 14.

10. С. I. Drowley, J. E. Turner, Proc. CVD X- 10th Int 1. Conf.on Chem. Vapor Dep., Electrochem.Sos., 1987, vol. 87-8, p. 282.

11. И. M. Ogirima, et al., J. Electrochem.Sos., 1977, vol. 124, p. 930.

12. T. G. Donahue, J. Electrochem.Sos., 1986, vol. 133, p. 1691, 1697, 1701.

13. M. Boman, J. O. Carlsson, Surf, and Coatings Tech., 1986, vol. 28, p.ll.

14. Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова, Физико-химические основы микроэлектроники, 1979, М., Металургия, стр.125.

15. S. М. Fisher, М. L. Hammond, N. P. Sandler, Solid State Technology, 1986, vol. 29(1), p. 107.

16. S. M. Fisher, M. L. Hammond, "Emerging Semiconduktor Technology, ASTM STP 960", 1989, p. 33, Amer. Soc. For Test. Mat.

17. J. C. Sturm, IEEE Dev. Elect. Lett., 1986, vol. EDL-7, p. 577.

18. M. S. Meyerson, J. Appl. Phys., Let., 1986, vol. 48 , p. 797.

19. T. G. Donahue, J. Electrochem.Sos., 1989, vol. 133, p. 1691.

20. M. L. Hammond, "Handbuook of deposition Equipment Technology-2", K. Schuegraf, ed., 1990, Noyes Publications.

21. Ю. Д. Чистяков, Ю. П. Райнова, Роль окислителя в хлоридном процессе получения АЭС Si, Неорганические материалы, 1974, № 3, с. 389-392.

22. М. L. Hammond, Solid State Technology, 1978, vol. 21(11), p. 68.

23. J.A. Kirchgesner, J. P. Woods, Proc. CVD X- 10th Infl. Conf.on Chem. Vapor Dep., Electrochem.Sos., 1987, vol. 87-8, p. 104.

24. Unpublished data, Gemini Research, Inc., Fremont, CA 94538.

25. M. L. Hammond, Solid State Technology, 1998, vol. 31(6), p. 103.

26. V. J. Silvestri, G.R. Srinivasan, J. Electrochem.Sos., 1992, vol. 131, p. 877.

27. S. M. Fisher, M. L. Hammond, Solid State Technology, 1986, vol. 29(1), p. 107.

28. S. M. Fisher, M. L. Hammond, N.P. Sandler, "Emerging Semiconduktor Technology, ASTM STP 960", 1989, p. 33, Amer. Soc. For Test. Mat.

29. M. L. Hammond, J. Dixon, Microelectronic Mfg. And Testing, 1984, p.80, sept.

30. B.C. Cole, Electronics, 1987, p. 71, Feb. 19.

31. F. Mieno, M. Maeda, Abs, 1987, vol. 87-1, Electrochem.Sos., p. 3.

32. K. Harada, "Aplications of disilane Si2H6", Toagosei Chemical Industry Co., Ltd., Nagjya, Japan, 1987.

33. Y. Nara, "Potocemical Cleaning and Epitaxy of Silicon", in "Advansed Processes of Semiconduktor Devices", 1987, March, vol. 797, Soc. Photo-Opt. Inst. Engineers, Bellingham, WA 98227.

34. A. Ishitani et al., J. Appl. Phys., 1987, vol. 61 , p. 2224.

35. C. Murrey, Semiconduktor Intl., 1987, vol. 10(1), p. 30, Jan.

36. С. E. Chen, Semiconduktor IntT., 1995, Juli ,vol. 8(7), p. 136.

37. M. I. Carent, ibid.,vol.8(6), 1995, Juny, p. 106.

38. G. K. Cellar, Abs., Electrochem.Sos., 1997, vol 87-1, p. 122.

39. D. Schidt, Proc. CVD X- 10th IntT. Conf.on Chem. Vapor Dep., Electrochem.Sos., 1987, vol. 87-8, p. 224.

40. Потапчук В. А. Потапчук В.В. , Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1982, вып. 7(144).

41. Потапчук В. А. Потапчук В.В. , Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1982, вып. 8(145).

42. С. F. Wheatle, G. М. Dolny, Solid State Technology, 1989, vol. 28(11), p. 121.

43. C. F. Wheatle, G. M. Dolny, Electronigue de Puissanse, 1996, № 11, h. 32.

44. D. I. Maclutyze, PCI Proceeding, 1996, october, p. 206.45. "Extended Abstracts of the 18-th Corp. On Solid State Devices and Materials", Tokyo, 1998, p. 89.

45. G. K. Cellar, Europen Semiconduktor, 1998, June, vol. 14, № 6, p. 25,26.

46. Отчет по ОКР "Разработка и освоение кремниевых эпитаксиальных структур для силовых приборов с параметрами, соответствующими современным стандартам", НИИМВ, 1997, шифр "Молога-2".

47. Н. Basseches, Met. Semiconduktor Mater., 1962, vol. 15.

48. D. Kahng, C. Thomas, Electrochem.Sos., 1963, № Ш, p. 394.

49. A. Grove, J. Appl. Phys., 1965, vol. 36 , p. 802.

50. B. Joyce, Electrochem.Sos., 1965, № 112, p. 1100.

51. W. Shepperd, Electrochem.Sos., 1968, № 115, p. 652.

52. A. Armirotto, Solid State Technology, 1968, vol. 11(43), p. 12.

53. G.R. Srinivasan, Electrochem.Sos., 1980, vol. 127, № 6, p. 1334.

54. C. Bosler, Ibid, 1975, vol. 122, № 12, p. 1705.

55. M. Tabo, Ibid, 1979, vol. 126, № 1, p. 822.

56. Папков Н.С., Попова B.B. , Электронная техника, сер. Материалы, 1984, вып.6<191), с. 25.

57. M. I. Carent, Electrochem.Sos., 1986, vol. 1245, № 7, p. 156.

58. W. S. Kuhn, Semiconduktor Sei. Technol., 1996, № 11, p. 783.

59. H. А. Самойлов, И. JI. Пятак, Электронная техника, сер. Материалы, 1992, вып.2(140), с. 63.

60. D. Schidt, J. Appl. Phys., 1984, vol. 56, n. 10, p. 567.

61. G.R. Srinivasan, J. Appl. Phys., 1983, vol. 54, n. 4, p. 545.

62. G. M. Dolny, J. Appl. Phys., 1986, vol. 12, n. 11, p. 3465.

63. C. Murrey, Jap. J. Appl. Phys., 1986, v. 25, n. 11, p. 123.

64. Отчет по ОКР " Разработка технологии температурных спутников", НИИМВ, 1979, шифр "Минуэт-3".

65. Pogg Н.В., Bass D.W. Chemical vapor deposition, second international conference, New-Jork, 1970, p.768.

66. Srinivasan G.R., Autodoping effects in silicon epitaxy. J. Electrochem. Soc., 1980, v. 127, № 6, p.1334.

67. Bosler C. Reduktion of autodoping. J. Electrochem. Soc., 1975, v. 122, № 12, p.1705.

68. Tabo M. Absorbed layer model for autodoping mechanism in silicon epitaxial growth. J. Electrochem. Soc., 1979, v. 126, № 1, p.822.

69. Папков H.C., Попова B.B. Исследование автолегирования эпитаксиальных слоев кремния в хлоридном процессе. Электронная техника, сер. Материалы, 1984, вып. 6 (191), с.25-28.

70. Реньян В.Р. Технология полупроводникового кремния., М., "Металлургия", 1969, с. 335.

71. Зи. С. Технология СБИС., в двух книгах, М., Мир, 1985, кн.1, с. 404.

72. Отчет по НИР "Применение информационно-советующей системы при получение кремниевых эпитаксиальных структур", НИИ'Пульсар", 1986, отчет №83(847)-70.

73. Jockson D., Solid State Technology, 1987, vol. 15(48), p. 122.

74. Отчет по НИР "Оптимизация получения кремниевых эпитаксиальных структур с использованием ЭВМ с целью повышения процента выхода", НИИ"Пульсар", 1988, шифр "Дума1".

75. Технический отчет № 3(609), НИИ"Пульсар", шифр "Дума" 1987.

76. Адонин A.C., Михайлов JI.H., Сб. "Электронная техника", 1986, сер.2, №8, с.97-100.

77. Ли Т.Г., Адаме Г.Э., Управление процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация., Москва, "Радио", 1986, стр. 16,169.

78. Лощинская Г.Ф., Михайлов Л.Н., Сб. "Электронная техника", 1986, сер.2, вып. 2(66), с.ЗО.

79. Рид Р., Шервуд Т., Свойства газов и жидкостей., Химия, 1971, стр. 546.161

80. Саутин С.H., Планирование эксперимента в химии и химической технологии., Химия, 1975, стр. 10-31.

81. Самойликов В.К., "Оптимизация технологического оборудования и процесса газофазной эпитаксии кремния производства СБИС", диссертация на соискание ученой степени доктора тех. наук, МИЭТ, 1996, стр. 46-50.

82. Ю.А. Райнов, С.М. Турилин, Ю.П. Райнова, Ю.Д. Чистяков, "Тепло-и массоперенос при газофазной эпитаксии кремния", Обзоры по электронной технике, Серия 7 "Технология, организация оборудования и производства", 1987, вып. 17(1318).

83. В.П. Попов, C.B. Петров, В.А. Тверсков, "Массоперенос при выращивании эпитаксиальных слоев кремния в реакторе вертикального типа", Электронная техника, сер. Материалы, 1981, вып. 12 (161), с.27-29.

84. М. Г. Мильвидский, "Полупроводниковый кремний на пороге 21 века", Материалы электронной техники, Известия высших учебных заведений, МИСиС, 2000, с. 4-14.

85. И.В. Грехов, Электротехника, 1986, № 8, с. 2-5.

86. И. В. Грехов, Изв. РАН. Сер. Энергетика и транспорт, 1993, № 5, с. 89-98.

87. R.S Wringli, Semiconduktor Sci. Technol., 1987, № 3, p. 1318.

88. A.H. Семенченко, Ю. Д. Чистяков, Ю.П. Райнова, Тенденции развитияоборудования для газофазной эпитаксии кремния, Обзоры по электроннойтехнике, 1989, серия 7, вып. 8.

89. С. О. Bozler, J. Electrochem.Sos., 1975, vol. 122, p. 1705.

90. Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова, Физико-химические основы эпитаксиальных процессов, 1977, МИЭТ.

91. С. V. Cronet, Proc. MRS Symp. on Rapid Thermal Processing, 1985, vol. 52, p. 305, Boston, MA Mat. Pves. Soc. Pittspurgh, PA, 1985. Also, Appl. Phys., 1986, vol. 48, p. 1012.1. Научные публикации автора

92. Харламов Р.В., Михайлов Ю.А., Известия высших учебных заведений., Материалы электронной техники., "Исследование кинетики автолегирования при эпитаксии кремния в хлоридном процессе.", Москва, МИСиС, №1,1999, стр. 22-25.

93. Волков А.Ф., Харламов Р.В., Известия высших учебных заведений., Материалы электронной техники., "Повышение эффективности подавления автолегирования при эпитаксии высокоомных слоев кремния.", Москва, МИСиС, №1, 2000, стр. 22-25.

94. Харламов Р.В., Микроэлектроника и информатика-97, Межвузовская научно-техническая конференция, "Получение двухслойных эпитаксиальных структур для силовой электроники на кремнии"- тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 1997, стр. 102.

95. Харламов Р.В., Микроэлектроника и информатика-2000, Межвузовская научно-техническая конференция, "Алгоритм адаптивного управления процессом эпитаксии кремния" тезисы доклада, Москва, часть 1, МИЭТ, 2000, стр. 137.

96. Научно техническая комиссия в составе:

97. Абдуллина H.A. зам.главното инженера, председателя

98. Бейдена В.Е главного инженера

99. Соколова Е.М начальника НПК "Эпитаксия"

100. Председатель комиссии Члены комиссии:

101. Н. А. 1^сйден В. И. ^УСоколов Е,М. /Мдааев ВС.

102. ЗАО «Кремний-маркетинг» с конца 1998 г. для производства мощных высоковольтных приборов использует кремниевые эшп аксиальные структуры, удовлетворяющие высоким техническим требованиям (SEMI М2-87(Н)), поставляемые ЗАО «НИИМВ» (г. Зеленоград).

103. На базе двухслойных эгштаксиальных. структур

104. Так же используются некоторые другие виды кремниевых эпитаксиальных структур для производства мощных транзисторов.2005.2000 г.1. А.И. Маевский1. Ген. директор1. ЗАО «Кремний-маркетинг»

Похожие работы

Электроника
05.27.00