Результат интеллектуальной деятельности: Способ настройки эпитаксиального выращивания в вакууме легированных слоёв кремния и резистивный испарительный блок для его осуществления

Группа изобретений относится к технологии изготовления полупроводниковых структур для приборов электронной техники и может быть использовано для регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния путем задействования теплообменного ресурса дополнительного изменения температуры нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента при неизменных, но различных степенях их резистивного нагрева (при постоянном расходе электрической энергии).

Известна технология настройки эпитаксиального выращивания в вакууме легированных слоев кремния (см. патент РФ №2511279, H01L 21/203, 2014), заключающейся в регулировании степени легирования путем регулирования давления направляемых на подложку потока паров от нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента в результате изменения их температуры за счет изменения расхода электрической энергии.

Способ регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния, раскрытый в патенте РФ №2511279, выбран в качестве прототипа заявляемого способа и характеризуется отсутствием возможности дополнительного изменения температуры нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента при их неизменном резистивном нагреве (при постоянном расходе электрической энергии), что вследствие ограничения возможности настройки средствами резистивного нагрева только за счет изменения расхода электрической энергии свидетельствует о наличии технологического резерва повышения эффективности рассматриваемой настройки эпитаксиального выращивания в вакууме легированных слоев кремния в связи с излагаемым ниже совершенствованием регулирования степени легирования при указанном эпитаксиальном выращивании.

В качестве прототипа предлагаемого испарительного резистивного блока для осуществления заявляемого способа регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния выбран известный испарительный резистивный блок (см. патент РФ №179865, H01L 21/203, 2018), содержащий установленные в вакуумной камере фиксаторы резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента, устанавливаемых с возможностью направления на подложку потока паров от них, а также расположенный между ними тепловой экран.

Недостатком данного прототипа также является изложенная выше возможность изменения температуры нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента, ограниченная только средствами изменения расхода электрической энергии.

Технический результат от использования предлагаемой группы изобретений - повышение технологичности регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния, заключающееся в расширении возможности изменения температуры нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента в результате выхода за рамки традиционного использования средств изменения расхода электрической энергии за счет дополнительного изменения температуры нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента при их неизменном резистивном нагреве (при постоянном расходе электрической энергии) и соблюдении условия температурной разницы их резистивного нагрева путем перемещения расположенного между нагретыми резистивными источником паров кремния и источником паров легирующего элемента теплового экрана, приводящего к изменению площади поперечного сечения радиационного теплового потока между ними.

Для достижения указанного технического результата в способе регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния путем регулирования давления направляемых на подложку потока паров от нагретых резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента в результате изменения их температуры упомянутое изменение температуры указанных источников паров осуществляют при неизменных, но различных степенях их резистивного нагрева путем перемещения расположенного между ними теплового экрана, приводящего к изменению площади поперечного сечения радиационного теплового потока между ними.

В частных случаях осуществления предлагаемого способа при неизменных степенях резистивного нагрева резистивных источника паров кремния и источника паров сурьмы и фиксациях перемещаемого теплового экрана толщиной 1 мм, изготовленного из кремния марки КДБ-500 и расположенного между установленными на расстоянии 15 мм друг от друга и параллельно друг к другу первым бруском с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КД-1000, и вторым бруском с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КЭС-0,008, легированного сурьмой, в положении полного перекрытия радиационного теплового потока между ними, перекрытия указанного потока наполовину площади его поперечного сечения и перекрытия указанного потока на четверть площади его поперечного сечения регистрируют температуру нагрева первого бруска, равную, соответственно, 1380, 1370 и 1360°С, и второго бруска, равную соответственно, 1200, 1270 и 1350°С, обеспечивающие концентрацию сурьмы, соответственно, 6,0⋅10¹⁶, 2,0⋅10¹⁷и 3,5⋅10¹⁷ см^-3 в осаждаемой пленке на подложке, изготовленной из кремния марки КДБ-12 и нагретой при неизменной температуре 500°С;

при неизменных степенях резистивного нагрева резистивных источника паров кремния и источника паров висмута и фиксациях перемещаемого теплового экрана толщиной 1 мм, изготовленного из кремния марки КДБ-500 и расположенного между установленными на расстоянии 15 мм друг от друга и параллельно друг к другу первым бруском с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КД-1000, и вторым бруском с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КДБ-20 и снабженным приплавленной к его концу навеской, изготовленной из висмута марки «чистый номенклатурный номер 575» с размерами 5×5×1 мм³, в положении полного перекрытия радиационного теплового потока между ними, перекрытия указанного потока наполовину площади его поперечного сечения и перекрытия указанного потока на четверть площади его поперечного сечения регистрируют температуру нагрева первого бруска, равную, соответственно, 1380, 1377 и 1374°С, и второго бруска, равную соответственно, 250, 330 и 410°С, обеспечивающие концентрацию висмута, соответственно, 3,0⋅10¹⁴, 7,5⋅10¹⁵ и 4,5⋅10¹⁶ см^-3 в осаждаемой пленке на подложке, изготовленной из кремния марки КДБ-12 и нагретой при неизменной температуре 400°С.

Для достижения общего с предлагаемым способом технического результата в испарительном резистивном блоке, содержащем установленные в вакуумной камере фиксаторы резистивных источника паров кремния и источника паров легирующего элемента, установленных с возможностью направления на подложку потока паров от них, а также расположенный между ними тепловой экран, последний установлен с возможностью перемещения между упомянутыми источниками паров, приводящего к изменению площади поперечного сечения радиационного теплового потока между ними, возникающего из-за разницы в степенях их неизменного резистивного нагрева, а вакуумная камера оснащена средством исходного ограничения пропуска указанного радиационного теплового потока в его поперечном сечении с приданием последнему формы, обеспечивающей нормирование указанного изменения площади этого поперечного сечения.

При этом средство исходного ограничения пропуска радиационного теплового потока, возникающего между резистивно нагретыми источником паров кремния и источником паров легирующего элемента при различных, но неизменных степенях их резистивного нагрева, в поперечном сечении этого потока может быть выполнено в виде прямоугольного контрольного окна, изготовленного в кремниевой перегородке, установленной в плоскости поперечного сечения указанного потока, и снабженного градуировкой фиксаций перемещаемого вдоль указанной перегородки теплового экрана в соответствии с задаваемым изменением степени перекрытия указанного потока при перемещении теплового экрана.

На фиг. 1 схематически показан предлагаемый испарительный резистивный блок для осуществления предлагаемого способа регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных слоев кремния (без контрольного окна); на фиг. 2 - контрольное окно в составе предлагаемого испарительного резистивного блока в частном исполнении.

Предлагаемый испарительный резистивный блок (см. фиг. 1) содержит установленные в вакуумной камере 1 фиксаторы (на фиг. 1 не показаны) резистивных источника паров кремния 2 и источника паров легирующего элемента 3, установленных с возможностью направления на подложку 4 потока паров от них, а также расположенный между ними тепловой экран 5, установленный между источниками паров 2 и 3 с возможностью перемещения в плоскости поперечного сечения радиационного теплового потока между этими источниками, приводящего к изменению поперечного сечения радиационного теплового потока между ними, возникающего в не перекрытом пространстве между ними и определяющего величину прироста прогрева резистивного источника, имеющего исходную более низкую температуру при неизменном, но различном по температуре резистивном нагреве обоих резистивных источников.

При этом предлагаемый резистивный блок может содержать (не показанное на фиг. 1) описанное ниже и схематически изображенное на фиг. 2 контрольное окно, представляющее собой частный случай реализации средства исходного ограничения пропуска радиационного теплового потока между резистивными источниками паров кремния и источниками паров легирующего элемента в поперечном сечении указанного потока, возникающего между резистивно нагретыми резистивными источником паров кремния 2 и источником паров легирующего элемента 3 при различных, но неизменных степенях их резистивного нагрева.

Роль контрольного окна может выполнять проем вакуумной камеры 1 между указанными резистивными источниками паров, имеющий прямоугольную форму и образованный выступами стенок вакуумной камеры 1 (на фигурах не показано).

Контрольное окно (см. фиг. 2) выполнено в кремниевой перегородке 6, установленной в плоскости поперечного сечения указанного потока, имеет прямоугольную форму и снабжено градуировкой 7 фиксаций перемещаемого вдоль перегородки 6 теплового экрана 5 в соответствии с изменением степени перекрытия указанного потока при перемещении теплового экрана 5.

Перемещение теплового экрана 5 вдоль плоской кремниевой перегородки 6 обеспечивает нормированное изменение степени перекрытия контрольного окна в указанной перегородке и, соответственно, площади поперечного сечения радиационного теплового потока между нагретыми указанным образом резистивными источником паров кремния 2 и источником паров легирующего элемента 3.

Предлагаемый способ регулирования степени легирования при эпитаксиальном выращивании на кремниевой подложке в вакууме слоев кремния, легированных сурьмой (пример 1) и висмутом (пример 2) осуществляют в порядке, изложенном в приведенных далее примерах его осуществления.

Пример 1.

При неизменных степенях резистивного нагрева резистивных источника паров кремния 2 и источника паров легирующего элемента 3, выполненного в виде источника паров кремния и сурьмы и фиксациях перемещаемого теплового экрана 5 толщиной 1 мм, изготовленного из кремния марки КДБ-500 и расположенного между установленными на расстоянии 15 мм друг от друга и параллельно друг к другу первым бруском - резистивным источником паров кремния 2 с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КД-1000, и вторым бруском - источником паров легирующего элемента 3 с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КЭС-0,008, легированного сурьмой, в положении полного перекрытия радиационного теплового потока между ними, перекрытия указанного потока наполовину площади его поперечного сечения и перекрытия указанного потока на четверть площади его поперечного сечения (положения экрана 5 задавались с помощью градуировки 7 прямоугольного контрольного окна в кремниевой перегородке 6) регистрировали температуру нагрева первого бруска, равную, соответственно, 1380, 1370 и 1360°C, и второго бруска, равную соответственно, 1200, 1270 и 1350°С, обеспечивающие концентрацию сурьмы, соответственно, 6,0⋅10¹⁶, 2,0⋅10¹⁷ и 3,5⋅10¹⁷ см^-3 в осаждаемой пленке на подложке, изготовленной из кремния марки КДБ-12 и нагретой при неизменной температуре 500°С.

Пример 2.

При неизменных степенях резистивного нагрева резистивных источника паров кремния 2 и источника паров легирующего элемента 3, выполненного в виде источника паров кремния и висмута, и фиксациях перемещаемого теплового экрана толщиной 1 мм, изготовленного из кремния марки КДБ-500 и расположенного между установленными на расстоянии 15 мм друг от друга и параллельно друг к другу первым бруском - резистивным источником паров кремния 2 с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КД-1000, и вторым бруском - источником паров легирующего элемента 3 с поперечным сечением 4×4 мм², изготовленным из кремния марки КДБ-20 и снабженным приплавленной к его концу навеской (на фиг. 1 не показана), изготовленной из висмута марки «чистый номенклатурный номер 575» с размерами 5×5×1 мм³, в положении полного перекрытия радиационного теплового потока между ними, перекрытия указанного потока наполовину площади его поперечного сечения и перекрытия указанного потока на четверть площади его поперечного сечения (положения экрана 5 задавались с помощью градуировки 7 прямоугольного контрольного окна в кремниевой перегородке 6) регистрировали температуру нагрева первого бруска, равную, соответственно, 1380, 1377 и 1374°С, и второго бруска, равную соответственно, 250, 330 и 410°С, обеспечивающие концентрацию висмута, соответственно, 3,0⋅10¹⁴, 7,5⋅10¹⁵ и 4,5⋅10¹⁶ см^-3 в осаждаемой пленке на подложке, изготовленной из кремния марки КДБ-12 и нагретой при неизменной температуре 400°С.

В обоих примерах использовалась высоковакуумная установка для эпитаксиального роста слоев кремния. При этом длина первого и второго брусков составляла 90 мм, а сами указанные бруски закреплялись в вакуумной камере 1 на токовводах (на фиг. 1 - не показаны), которые попарно были включены в электрические цепи источников питания, и запитывались от сети переменного тока с неизменной величиной тока, пропускаемого через них, составляющей 41 А.

В примерах 1 и 2 подложка 4, изготовленная из высокоомного кремния марки КДБ-12, располагалась над резистивными источниками 2 и 3 на расстоянии 30 мм от них.

В примере 1 пленку легированного сурьмой кремния на подложке 4 растили в течение 90 мин при одновременном испарении обоих нагретых резистивных источников 2 и 3 и различных указанных выше положениях теплового экрана 5.

В примере 2 пленку легированного висмутом кремния на подложке 4 растили в течение 60 мин при одновременном испарении обоих нагретых резистивных источников паров 2 и 3 и различных указанных выше положениях экрана 5.

Измерения температуры резистивных источников паров 2 и 3 проводились оптическим пирометром ОППИР-017. Температура ниже 800°С определялась с помощью термопары.

После завершения опытов в примерах 1 и 2 и остывания подложки 4 и выноса ее на воздух эффектом Холла измерялась концентрация электрически активной примеси сурьмы и висмута в эпитаксиальном слое пленки легированного кремния.

Пример 1 показывает, что концентрация легирующей примеси в слое кремния пленки зависит от температуры резистивного источника паров легирующего элемента 3 - второго кремниевого бруска, легированного сурьмой при изменении площади поперечного сечения радиационного теплового потока между нагретыми резистивными источниками 2 и 3 (неизменно резистивно нагретыми при большем нагреве резистивного источника 2). Температура резистивного источника 3 повышается с увеличением этой площади. В результате этого повышения температуры увеличивается скорость испарения сурьмы из резистивного источника 3 и соответственно ее концентрация в выращиваемом на подложке 4 слое пленки повышается.

В примере 2 примесь (висмут) находится вне второго кремниевого бруска и ее испарение прямо зависит от степени нагрева этого бруска.

Для случая примера 2 в качестве примеси выбирают металл с меньшей температурой плавления, чем кремний.

Таким образом, использование предлагаемой группы изобретений обеспечивает возможность дополнительного регулирования степени легирования сурьмой и висмутом при эпитаксиальном выращивании в вакууме легированных этими элементами слоев кремния при неизменном резистивном нагреве источника паров кремния 2 и источника паров сурьмы или висмута 3 (при большем нагреве резистивного источника 2), что подтверждает достижение указанного выше технического результата.

Легирующими примесями в предлагаемом способе могут также быть фосфор, мышьяк, галлий, алюминий и бор. Они могут испаряться в вакуумной камере 1 как отдельно от основного материала кремния резистивного источника 3, так и одновременно с кремнием: например, из источника кремния, легированного заданной примесью.