Результат интеллектуальной деятельности: Способ вакуумного эпитаксиального выращивания легированных слоёв германия

Изобретение относится к технологии эпитаксии легированных слоев германия, основанной на сочетании в одной вакуумной камере одновременных осаждения германия из германа и сублимации германия с легирующим элементом с поверхности источника легированного германия, разогретого электрическим током, и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.

Известная технология эпитаксии легированного германия, восстанавливаемого для увеличения скорости эпитаксии из его газовой галогенидной (хлоридной или гидридной) фазы в сочетании с одновременным восстановлением легирующего элемента из его галогенидной фазы (см., например, описание изобретения «Способ эпитаксиального выращивания слоев полупроводниковых материалов» по авторскому свидетельству СССР №202331, H01L, 1968), из-за неустойчивости газофазного процесса восстановления легирующего элемента характеризуется низкой стабильностью заданной степени легирования.

В связи с отсутствием источников информации со сведениями о вакуумном эпитаксиальном выращивании легировании слоев германия на основе его восстанавления из германа в присутствии нагревательного элемента, резистивно нагретого (нагретого в результате пропускания через него электрического тока) и изготовленного из тугоплавкого металла типа тантала, и поступления легирующего элемента в зону формирования общего атомарного потока (образующегося из указанных германия и легирующего элемента) из автономного источника выбрана форма раскрытия сущности заявляемого изобретения в предлагаемых описании и формуле указанного изобретения - без прототипа.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения - стабильное обеспечение заданных степеней легирования при отсутствии дефектов роста в широком интервале степеней легирования эпитаксиально выращиваемых слоев германия на основе одновременного сочетания в одной вакуумной камере восстанавления германия из германа в присутствии нагревательного элемента, резистивно нагреваемого при высокой температуре (1300-1550°С) указанного элемента и изготовленного из тугоплавкого металла типа тантала, и поступления вместе с указанным атомарным германием на рабочую поверхность нагреваемой подложки атомарного потока германия с легирующим элементом, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре (860-900°С) указанной поверхности, близкой к температуре плавления германия, расположенной рядом с упомянутым нагревательным элементом и изготовленной из германия, содержащего легирующий элемент, обладающий более высокой, чем германий, скоростью сублимации.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ эпитаксиального выращивания легированных слоев германия путем формирования в вакуумной камере направляемого на подложку общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из газовой фазы при высокой температуре, и легирующего элемента, одновременно поступающего в зону формирования указанного общего атомарного потока из автономного источника, характеризующийся тем, что предлагаемое выращивание ведут путем формирования при низком вакууме направляемого на нагреваемую подложку общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из германа в присутствии нагревательного элемента, изготовленного из тугоплавкого металла типа тантала, резистивно нагреваемого при температуре указанного элемента 1300-1550°С, и германия с легирующим элементом, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре указанной поверхности 860-900°С, расположенной рядом с упомянутым нагревательным элементом и изготовленной из германия, содержащего легирующий элемент, обладающий более высокой, чем германий, скоростью сублимации.

Для получения высокостабильного по отсутствию дефектов роста слоя Ge-Ga в интервале концентраций галлия 8.8⋅10¹⁷, 1.2⋅10¹⁸ и 3.0⋅10¹⁸ предлагаемое выращивание ведут путем формирования при парциальном давлении 9⋅10^-4 Торр направляемого на нагреваемую до 250°С кремниевую подложку Si (100), предварительно при парциальном давлении <10^-8 Торр нагреваемую при температуре указанной подложки 900°С в течение 30 мин, общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из моногермана в присутствии танталовой полоски, резистивно нагреваемой при температуре указанной полоски 1400°С, и германия с галлием, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре указанной поверхности, соответственно, 860, 880 и 900°С, расположенной рядом с упомянутой танталовой полоской и изготовленной из монокристаллического германия, содержащего галлий в пределах легирования, задаваемого германием марки ГДГ-0.003, обладающий более высокой, чем германий, скоростью сублимации;

а для получения высокостабильного по отсутствию дефектов роста слоя Ge-Sb в интервале концентраций сурьмы 4.4⋅10¹⁶, 9.0⋅10¹⁵ и 3.0⋅10¹⁵ предлагаемое выращивание ведут путем формирования при парциальном давлении 9⋅10^-4 Торр направляемого на нагреваемую до 250°С кремниевую подложку Si (100), предварительно при парциальном давлении <10⁸ Торр нагреваемую при температуре указанной подложки 900°С в течение 30 мин, общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из моногермана в присутствии танталовой полоски, резистивно нагреваемой при температуре указанной полоски 1400°С, и германия с сурьмой, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре указанной поверхности, соответственно, 860, 880 и 900°С, расположенной рядом с упомянутой танталовой полоской и изготовленной из монокристаллического германия, содержащего сурьму в пределах легирования, задаваемого германием марки ГЭС-0.005, обладающую более высокой, чем германий, скоростью сублимации.

На фиг. 1 схематически показана установка для вакуумного эпитаксиального выращивания легированных слоев германия в соответствии с предлагаемым способом.

В вакуумной камере 1 установлены разделенные тепловым экраном 2 танталовая полоска 3 и узкая сублимационная пластина 4, изготовленная из германия, содержащего легирующий элемент, снабженные, соответственно токовводами 5 и 6, и кремниевая подложка 7, оснащенная нагревателем 8 радиационного нагрева.

Перед узлом размещения танталовой полоски 3 и сублимационной пластиной 4 (в промежутке между ними и кремниевой подложкой 7) установлены (по одному перед танталовой полоской 3 и сублимационной пластиной 4) два подвижных экрана 9, раздвигающихся для поступления на кремниевую подложку 7 общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из германа, и германия с легирующим элементом, испаряемых с поверхности резистивно нагреваемой сублимационной пластины 4, а в стенке вакуумной камеры 1 смонтирован вентиль 10 для напуска при низком давлении газа моногермана (GeH₄).

Предлагаемый способ проводят следующим образом.

Кремниевую подложку 7 после стандартной химической обработки, обычно используемой в планарной технологии, помещают в вакуумную камеру 1, которую откачивают до парциальных давлений <10^-8 Торр, нагревают до 900°С и в течение 30 минут выдерживают при указанной температуре кремниевой подложки 7 для удаления покрывающей ее окисной пленки.

Затем, одновременно проводят при низком (за счет напуска моногермана в камеру 1) вакууме (9⋅10^-4 Торр) осаждение германия на рабочую поверхность кремниевой подложки 7 путем пиролиза моногермана в присутствии резистивно нагреваемой при высокой температуре (1200-1500°С) танталовой полоски 3, расположенной на расстоянии - от 3 до 5 см. от подложки 7 и осаждение германия с легирующим элементом, испаряемых с поверхности узкой прямоугольной пластины, резистивно нагреваемой при температуре (860-900°С) указанной поверхности, близкой к температуре плавления германия, и вырезанной из монокристалла германия, легированного заданной примесью.

В двух следующих примерах, подтверждающих достижение технического результата предлагаемого способа в случаях изготовления сублимационной пластины 4 из германия, содержащего в качестве легирующего элемента, обладающего более высокой, чем германий, скоростью сублимации, галлий и сурьму, был выбран германий марки, соответственно, ГДГ-0,003 и ГЭС-0.005.

При этом в примерах проведения предлагаемого способа выбор температуры нагрева (T_Si) кремниевой подложки 7 определился оптимальной (минимальной) с точки зрения энергозатрат величиной -250°С в пределах рекомендованного в технологии вакуумной эпитаксии германия на кремний для кремниевой подложки интервала температур нагрева указанной подложки 250-400°С (см., например, статью на англ. яз. авторов G. Capellini, W.М. Klesse, G. Mattoni «Alternative High n-Type Doping Techniques in Germanium» - ECS Transactions. 2014, v. 64, p. 163-171).

Причем, при температурах кремниевой подложки ниже 250°С растут эпитаксиальные слои германия с высоким уровнем дефектов и они имеют структуру поликристалла, при температуре кремниевой подложки выше 400°С слои германия растут с образованием островков, т.е. нарушается послойный рост.

А значения концентрации носителей (дырок), которая была отождествлена с концентрацией (N, см^-2) атомов галлия и сурьмы в сублимационных слоях германия, определены на основе данных холловских измерений.

Пример 1.

Получение высокостабильного по отсутствию дефектов роста слоя Ge-Ga в интервале концентраций галлия (N_Ga) 8.8⋅10¹⁷, 1.2⋅10¹⁸ и 3.0⋅10¹⁸ достигнуто в результате выращивания путем формирования при парциальном давлении (давлении моногермана в вакуумной камере) 9⋅10^-4 Торр направляемого на нагреваемую до температуры (T_Si) 250°С кремниевую подложку Si (100), предварительно при парциальном давлении <10^-8 Торр нагреваемую при температуре указанной подложки 900°С в течение 30 мин, общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из моногермана в присутствии танталовой полоски, резистивно нагреваемой при температуре указанной полоски (Т_Та) 1400°С, и германия с галлием, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре указанной поверхности (T_Ge-Ga), соответственно, 860, 880 и 900°С, расположенной рядом с упомянутой танталовой полоской и изготовленной из монокристаллического германия, содержащего галлий в пределах легирования, задаваемого германием марки ГДГ-0.003, обладающий более высокой, чем германий, скоростью сублимации.

Пример 2.

Получение высокостабильного по отсутствию дефектов роста слоя Ge-Sb в интервале концентраций сурьмы (N_Sb) 4.4⋅10¹⁶, 9.0⋅10¹⁵ и 3.0⋅10¹⁵ достигнуто в результате выращивания путем формирования при парциальном давлении (давлении моногермана в вакуумной камере) 9⋅10^-4 Торр направляемого на нагреваемую до температуры (T_Si) 250°С кремниевую подложку Si (100), предварительно при парциальном давлении <10^-8 Торр нагреваемую при температуре указанной подложки 900°С в течение 30 мин, общего атомарного потока, образующегося из германия, восстанавливаемого из моногермана в присутствии танталовой полоски, резистивно нагреваемой при температуре указанной полоски (Т_Та) 1400°С, и германия с сурьмой, испаряемых с поверхности сублимационной пластины, резистивно нагреваемой при температуре указанной поверхности (T_Ge-Sb), соответственно, соответственно, 860, 880 и 900°С, расположенной рядом с упомянутой танталовой полоской и изготовленной из монокристаллического германия, содержащего сурьму в пределах легирования, задаваемого германием марки ГЭС-0.005, обладающую более высокой, чем германий, скоростью сублимации.

Экспериментальные данные, полученные при проведении предлагаемого способа и подтверждающие существенность температур нагрева (Т_Та) нагревательного элемента (необходимого для восстановления германия из германа), выполненного в виде танталовой полоски, и температур нагрева (T_Ge-Ga) сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и легирующего элемента, на примере галлия) приведены в таблице 1.

В таблице 1:

С повышением температуры нагрева сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и галлия) от 860 до 900°С концентрация галлия в эпитаксиальном слое германия повышается от 8.8⋅10¹⁷ до 3.0⋅10¹⁸ ат/см³.

При изменении температуры танталовой полоски от 1300 до 1550°С концентрация галлия в эпитаксиальном слое германия возрастает от 3.4⋅10¹⁶ до 2.0⋅10¹⁸ ат/см³.

При повышении температуры подложки от 250 до 400°С концентрация галлия в эпитаксиальном слое германия снижается от 6.6⋅10¹⁶ до 7.8⋅10¹⁵ ат/см³.

Причем, допустимым и достаточным для достижения поставленной цели является:

диапазон температур нагрева сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и галлия) 860-900°С, т.к. при температурах нагрева ниже 860°С скорость сублимации атомов галлия низка и поток их к поверхности подложки сильно обеднен, в связи с чем получаются эпитаксиальные слои германия слои с низкой концентрацией легирующей примеси, и при температурах нагрева более 900°С часто наблюдается подплав указанной сублимационной пластины, что приводит к ее расплавлению и срыву процесса выращивания легированного эпитаксиального слоя германия;

диапазон температур нагрева танталовой полоски 1300 - 1500°С, т.к. при температурах нагрева менее 1300°С скорость роста эпитаксиальных слоев германия резко снижается из-за низкого коэффициента разложения германа на танталовой полоске и при температурах нагрева выше 1500°С наблюдается также снижение скорости роста эпитаксиальных слоев германия из-за образования на поверхности танталовой полоски танталовых соединений, которые затрудняют взаимодействие моногермана и тантала.

Экспериментальные данные, полученные при проведении предлагаемого способа и подтверждающие существенность температур нагрева (T_Ge-Sb) сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и легирующего элемента, на примере сурьмы) приведены в таблице 2.

В таблице 2:

С повышением температуры нагрева сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и галлия) от 860 до 900°С концентрация сурьмы в эпитаксиальном слое германия изменяется в широком интервале степеней его легирования и снижается.

Причем концентрация сурьмы в таблице 2 эта ниже, чем концентрация галлия в таблице 1, что связано с более сильной десорбцией атомов сурьмы с поверхностью растущего легированного эпитаксиального слоя германия и что снижает эффективность сурьмы в указанном слое.

Наконец, существенность превышения скорости сублимации легирующего элемента над скоростью сублимации германия подтверждается тем, что в случае превышения скорости сублимации германия над скоростью сублимации легирующего элемента, например, железа или хрома, т.к. при одинаковой температуре давление паров железа или хрома ниже, чем у германия (см. книгу Несмеянова А.К. «Давление паров химических элементов». М., АН СССР, 1961, с. 396), что приводит к резкому уменьшению интервала степеней легирования эпитаксиального слоя германия.

И наоборот, увеличение скорости сублимации легирующего элемента в сравнении со скоростью сублимации германия обеспечивает более высокую степень температурного регулирования доли атомарной составляющей испаряемого легирующего элемента в атомарном потоке германия и легирующего элемента, испаряемых с поверхности сублимационной пластины (источника атомарного потока германия и легирующего элемента), и поэтому расширение интервала степеней легирования эпитаксиального слоя германия, что подтверждают таблицы 1 и 2 на примере легирующих элементов - галлия и сурьмы.

Результаты исследования легированных эпитаксиальных слоев германия, полученных при температурных режимных параметрах, указанных в таблицах 1 и 2, на рентгеновском дифрактометре высокого разрешения D8 DISCOVER (Bruker, Германия) показали, что растут высококачественные слои. Причем структурное совершенство этих легированных слоев германия соответствовало структурному совершенству нелегированных слоев германия.