Способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Кривчик Петр Петрович Мышук Виктор Иванович Довнар Николай Александрович Становский Владимир Владимирович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(56) ЕМЕЛЬЯНОВ В.А. и др. Эпитаксиальные слои кремния и германия для интегральных микросхем. - Минск Интегралполиграф, 2008. - С. 35.1710604 1, 1992.4430149, 1984.4910163, 1990.57175797 , 1982.0746011 2, 1996.3945864, 1976.10079393 , 1998.5308788 , 1994.(57) Способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур, включающий загрузку кремниевых подложек на подложкодержатель в эпитаксиальном реакторе, герметизацию реактора, продувку реактора азотом, продувку реактора водородом с одновременным нагревом подложкодержателя до температуры осаждения эпитаксиального слоя 11501200 С, предэпитаксиальный отжиг подложек, подачу в реактор реагентов и осаждение на подложки эпитаксиального слоя требуемой толщины, продувку реактора водородом со снижением температуры подложкодержателя до 300-400 С, продувку реактора азотом,разгерметизацию реактора и выгрузку кремниевых подложек с осажденными эпитаксиальными слоями, отличающийся тем, что водород в реактор подают с точкой росы, равной или меньшей минус 70 С, предэпитаксиальный отжиг подложек проводят в атмосфере водорода, а его расход при продувке реактора с нагревом или снижением температуры подложкодержателя задают в пределах от 0,4 до 0,7 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках, и может быть использовано при производстве диодов, транзисторов, а также биполярных,КМОП и БиКМОП интегральных схем. Известен способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур 1, включающий размещение монокристаллических кремниевых подложек со скрытыми слоями на подложкодержателе, помещение подложкодержателя в эпитаксиальный реактор, герметизацию реактора, нагрев кремниевых подложек до температуры не ниже 850 С, подачу в 14870 1 2011.10.30 реактор смеси водорода с небольшим количеством газообразного хлористого водорода,травление поверхности монокристаллических кремниевых подложек в смеси водорода с небольшим количеством газообразного хлористого водорода, причем содержание хлористого водорода в указанной смеси в пределах от 1,5 до 5,4 , прекращение подачи газообразного хлористого водорода в реактор, подачу в реактор кремнийсодержащего газообразного соединения, осаждение эпитаксиального слоя кремния. В известном способе при концентрации хлористого водорода более 2 и температуре травления поверхности кремниевых подложек менее 1210 С поверхность кремниевых подложек покрывается ямками травления и подложки становятся непригодными для изготовления полупроводниковых приборов. При температуре более 1210 С происходит интенсивная разгонка легирующих примесей из скрытых слоев. В результате существенно уменьшается процент выхода годных эпитаксиальных структур со скрытыми слоями, используемыми для изготовления интегральных микросхем. Известен способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур 2, включающий загрузку кремниевых подложек со сформированными скрытыми слоями в реактор,продувку реактора, нагрев подложек до температуры 1150 С, предэпитаксиальный отжиг в атмосфере водорода с добавкой 0,5 хлористого водорода в пределах от 5 до 30 минут,осаждение эпитаксиального слоя кремния при температуре 1150 С в течение заданного времени. В известном способе предэпитаксиальный отжиг в атмосфере водорода с добавкой 0,5 хлористого водорода в пределах от 5 до 30 минут может привести к нежелательному утонению и даже полному вытравливанию скрытых слоев. В результате существенно уменьшается процент выхода годных эпитаксиальных структур со скрытыми слоями. Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ изготовления кремниевых эпитаксиальных структур 3, включающий загрузку кремниевых подложек на подложкодержатель в эпитаксиальном реакторе, герметизацию реактора, продувку реактора азотом, продувку реактора водородом с нагревом подложкодержателя до температуры осаждения эпитаксиального слоя 1150-1200 С, предэпитаксиальный отжиг кремниевых подложек в атмосфере водорода и хлористого водорода,подачу в реактор реагентов и осаждение на кремниевые подложки эпитаксиального слоя до требуемой толщины, продувку реактора водородом со снижением температуры подложкодержателя до 300-400 С, продувку реактора азотом, разгерметизацию реактора и выгрузку эпитаксиальных структур. В известном техническом решении точка росы водорода не регламентируется, что снижает качество и воспроизводимость эпитаксиальных структур. Расход водорода при продувке эпитаксиального реактора с нагревом подложкодержателя до температуры осаждения эпитаксиального слоя, предэпитаксиальном отжиге, продувке эпитаксиального реактора со снижением температуры подложкодержателя после осаждения эпитаксиального слоя до 300-400 С устанавливается одинаковым, что повышает стоимость изготовления эпитаксиальных структур. Кроме того, предэпитаксиальный отжиг кремниевых подложек проводят в атмосфере водорода и хлористого водорода, что также повышает стоимость изготовления эпитаксиальных структур. В основу изобретения положена задача повышения выхода годных эпитаксиальных структур и снижения стоимости их изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления кремниевых эпитаксиальных структур, включающем загрузку кремниевых подложек на подложкодержатель в эпитаксиальном реакторе, герметизацию реактора, продувку реактора азотом,продувку реактора водородом с одновременным нагревом подложкодержателя до температуры осаждения эпитаксиального слоя 1150-1200 С, предэпитаксиальный отжиг подложек, подачу в реактор реагентов и осаждение на подложки эпитаксиального слоя требуемой толщины, продувку реактора водородом со снижением температуры до 3002 14870 1 2011.10.30 400 С, продувку реактора азотом, разгерметизацию реактора и выгрузку кремниевых подложек с осажденными эпитаксиальными слоями, водород в реактор подают с точкой росы, равной или меньшей минус 70 С, предэпитаксиальный отжиг подложек проводят в атмосфере водорода, а его расход при продувке реактора с нагревом или снижением температуры подложкодержателя задают в пределах от 0,4 до 0,7 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге. Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что водород в реактор подают с точкой росы, равной или меньшей минус 70 С, предэпитаксиальный отжиг подложек проводят в атмосфере водорода, а его расход при продувке реактора с нагревом или снижением температуры подложкодержателя задают в пределах от 0,4 до 0,7 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге. Использование идентичной или сходной последовательности действий для решаемой задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Во время роста эпитаксиального слоя образуются линии скольжения и примесные преципитаты, вызываемые загрязнениями. Для того чтобы осаждаемый эпитаксиальный слой кремния на атомном уровне встроился в решетку кремниевой подложки и стал ее продолжением, необходим тщательный контроль за содержанием примесей в используемых газах, а особенно влаги в водороде, используемом непосредственно в предэпитаксиальном отжиге кремниевых подложек для удаления окисной пленки с поверхности кремниевых подложек. В заявляемом техническом решении водород в эпитаксиальный реактор подают с точкой росы, равной или меньшей минус 70 С, что обеспечивает значительное снижение в нем паров воды. Тем самым повышается совершенство осаждаемых эпитаксиальных слоев, снижается их дефектность, повышается выход годных эпитаксиальных структур и изготавливаемых на их основе транзисторов и интегральных схем. Использование водорода с точкой росы,большей минус 70 С, приводит к появлению неконтролируемых (случайных) примесей на кремниевых подложках, снижает степень чистоты их поверхности и увеличивает дефектность эпитаксиальных слоев. Поскольку нагрев и снижение температуры подложкодержателя - достаточно длительный процесс, снижение расхода водорода при продувке реактора с нагревом и снижением температуры подложкодержателя в пределах от 0,4 до 0,7 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге позволяет снизить расход водорода и стоимость изготовления эпитаксиальных структур. При расходе водорода при продувке с нагревом и снижением температуры менее чем 0,4 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге ухудшается температурный режим внутри эпитаксиального реактора. В результате увеличивается разброс эпитаксиальных структур по толщине и по концентрации легирующей примеси,что приводит к уменьшению выхода годных эпитаксиальных структур. При расходе водорода при продувке с нагревом и снижением температуры более чем 0,7 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге уменьшается экономия водорода и увеличивается стоимость изготовления эпитаксиальных структур без уменьшения их дефектности. Использование в заявляемом техническом решении водорода с точкой росы, меньшей минус 70 С, позволяет исключить использование хлористого водорода при предэпитаксиальном отжиге кремниевых подложек без увеличения дефектности эпитаксиальных структур. Пример изготовления. Для осаждения эпитаксиального слоя использовали кремниевые подложки КДБ 0,005 по . 035.206 ТУ. Эпитаксиальное осаждение проводили на установке наращивания эпитаксиальных слоев Эпиквар 121 МТ путем восстановления тетрахлорида кремния(4) водородом при температуре 1170 С. На подложки осаждали пленки 5 КЭФ 0,6 со скоростью 0,9 мкм/мин. В качестве легирующей добавки использовали смесь газовую фосфина с водородом марки 3 по ТУ 2114-004-16422433-2000. Длительность предэпитак 3 14870 1 2011.10.30 сиального отжига составила 4 мин. Суммарное время продувки эпитаксиального реактора с нагревом и снижением температуры - 28 минут. Контроль дефектности для определения эффективности предлагаемого технического решения проводили путем селективного травления эпитаксиальных структур в травителе Секко в течение 2 минут с последующей оптической микроскопией при увеличении 250 х с помощью микроскопа ММУ-3. Сравнительные данные по выходу годных эпитаксиальных структур и стоимости их изготовления представлены в таблице. Сравнительные данные по выходу годных эпитаксиальных структур и стоимости их изготовленияп/п,- точка росы водорода 2/2 пр, отн. ед. - отношение расходов водорода при продувке с нагревом и снижением температуры подложкодержателя заявляемого способа изготовления эпитаксиальных структур к прототипу Вг/Вг.пр, отн. ед. - отношение процентов выхода годных эпитаксиальных структур заявляемого способа изготовления эпитаксиальных структур к прототипу С/Спр, отн. ед. - отношение стоимости изготовления эпитаксиальных структур заявляемого способа изготовления эпитаксиальных структур к прототипу. Из таблицы видно, что наилучшие результаты обеспечивает заявляемый способ изготовления эпитаксиальных структур. По сравнению с прототипом он имеет следующие преимущества выход годных эпитаксиальных структур по заявляемому способу изготовления эпитаксиальных структур возрастает в 1,09-1,18 раза стоимость изготовления эпитаксиальных структур по заявляемому способу изготовления эпитаксиальных структур снижается в 0,71-0,78 раза. Нарушение заявляемых режимов изготовления эпитаксиальных структур не позволяет реализовать поставленную задачу. Так, например, использование водорода с точкой росы,большей минус 70 С, приводит к появлению неконтролируемых примесей на кремниевых подложках, снижает степень чистоты их поверхности, увеличивает дефектность эпитаксиальных слоев, снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость их изготовления. Продувка эпитаксиального реактора при нагреве и снижении температуры подложкодержателя с расходом менее чем 0,4 от расхода водорода при предэпитаксиальном отжиге приводит к ухудшению температурного режима внутри эпитаксиального реактора. В результате увеличивается разброс эпитаксиальных структур по толщине и по концентрации легирующей примеси, что в конечном итоге обусловливает снижение выхода годных эпитаксиальных структур. Таким образом, предлагаемый способ изготовления эпитаксиальных кремниевых структур позволяет решить поставленную задачу повышения выхода годных эпитаксиальных структур и снижения стоимости их изготовления. 14870 1 2011.10.30 Источники информации 1. Патент США 3243323, МПК 01 21/316, 1966. 2. Патент РБ 6541, МПК 01 21/265, 2004. 3. Емельянов В.А., Турцевич А.С., Наливайко О.Ю. Эпитаксиальные слои кремния и германия для интегральных схем. - Минск Интегралполиграф, 2008. - С. 35. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5