Способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДИФФУЗИИ АКЦЕПТОРНЫХ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЕВЫЕ ПЛАСТИНЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Ануфриев Дмитрий Леонидович Матюшевский Анатолий Петрович Соловьев Ярослав Александрович Шильцев Владимир Викторович Кресло Сергей Михайлович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) Способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов, включающий очистку поверхности кремниевых пластин, осаждение из растворов легированных пленок, загрузку кремниевых пластин в окислительной атмосфере в реактор диффузионной печи, нагретый до температуры ниже температуры диффузии, выдержку при этой температуре для проведения деструкции, нагрев до температуры диффузии в потоке инертного газа и термообработку, отличающийся тем, что сначала кремниевые пластины термически окисляют до получения маскирующего слоя оксида кремния толщиной 0,5-1,5 мкм, наносят слой алюминия или сплава алюминий-кремний с содержанием кремния не более 1,6 мас.толщиной 3,5-6,0 мкм на обе стороны кремниевых пластин, удаляют слой алюминия или сплава алюминийкремний и маскирующий слой оксида кремния в областях последующей диффузии, создают в областях последующей диффузии микронеровности поверхности со средней шероховатостью 0,3-1,0 мкм и глубиной нарушенного слоя 2,0-8,0 мкм, удаляют слой алюминия или сплава алюминий-кремний, осаждают из растворов легированные пленки на обе стороны кремниевых пластин, удаляют слой легированных пленок вне областей последующей диффузии, а загрузку кремниевых пластин в диффузионную печь проводят в держателе-лодочке, установленными параллельно друг другу, перпендикулярно потоку газов. 10881 1 2008.08.30 Изобретение относится к технологии изготовления силовых полупроводниковых приборов, а именно к способу глубокой сквозной разделительной диффузии акцепторных примесей из легированных пленок в полированные кремниевые пластины. Известен способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов 1, включающий предварительное окисление в сухом кислороде пластин нитрида бора, расположенных в держателе, загрузку кремниевых пластин в держатель посредине зазора между пластинами нитрида бора в сухой атмосфере, термообработку кремниевых пластин в атмосфере сухого кислорода при температуре (840-900) С, понижение температуры до (780-840) С и проведение термообработки в нейтральной атмосфере. Однако данный способ не лишен недостатков. Так как диффузия бора проводится из твердых источников на основе нитрида бора при относительно низких температурах (840900) С и (780-840) С, то невозможно обеспечить получение глубины перехода более 15 мкм. Кроме того, бор имеет более низкий коэффициент диффузии в кремнии по сравнению с алюминием. Поскольку твердый источник бора и кремниевая пластина не находятся в прямом контакте, то диффузия осуществляется из пленки боросиликатного стекла,образовавшейся на поверхности кремниевой пластины во время загонки бора. Данный способ не может обеспечить смыкание при встречной диффузии при изготовлении силовых полупроводниковых приборов - тиристоров. Поэтому данный способ диффузии акцепторных примесей не позволяет обеспечить глубокую сквозную разделительную диффузию для изготовления силовых полупроводниковых приборов. Известен способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов 2, включающий формирование на поверхности кремниевой пластины легкоплавкого стекла, формирование микрорисунка областей последующей диффузии, удаление слоя стекла вне областей последующей диффузии, диффузию акцепторных примесей из легкоплавкого стекла при требуемой температуре в нейтральной среде. Так как источник бора в данном способе располагается непосредственно на кремниевой пластине, то обеспечивается проведение диффузии при более высокой температуре 1200 С (нитрид бора не выдерживает таких температур) и обеспечивается воспроизводимое получение р-областей глубиной до 30 мкм. Однако и данный способ не лишен недостатков. Так как коэффициент диффузии бора существенно ниже, чем у алюминия, то невозможно осуществить глубокую сквозную разделительную диффузию данным способом. Причем в данном способе не рассматривается возможность одновременной встречной диффузии акцепторной примеси. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов 3, включающий очистку поверхности кремниевых пластин, осаждение из растворов легированных пленок, загрузку кремниевых пластин, сложенных в стопку одноименными сторонами и предварительно помещенных в заваренный с одного конца контейнер, в окислительной атмосфере в реактор диффузионной печи, нагретый до температуры ниже температуры диффузии, выдержку при этой температуре для проведения деструкции, нагрев до температуры диффузии в потоке инертного газа и термообработку. Так как для диффузии акцепторных примесей используется алюминий, алюминий с бором или алюминий с галлием, то в данном способе обеспечивается возможность более глубокой диффузии по сравнению с бором. При этом диффузия акцепторных примесей проводится в полированные кремниевые пластины из алюмосодержащей пленки. Однако скорость диффузии алюминия в полированную кремниевую пластину в 3-5 раз ниже по сравнению со шлифованной. Как показано в 4, алюмосодержащие пленки из растворов наносят на шлифованные пластины кремния и проводят диффузию при 1200 С. Посколь 2 10881 1 2008.08.30 ку скорость диффузии алюминия в легированную кремниевую пластину существенно ниже, чем в шлифованную, то проведение глубокой диффузии сопряжено с увеличением длительности процесса и расходом электроэнергии. Кроме того, данный способ требует применения дорогостоящей кварцевой оснастки - специального контейнера с крышкой. Более того, вышеуказанный способ является сложным в реализации, так как контейнер необходимо заполнить инертным газом с предварительной откачкой реактора до давления 10 Па, либо длительное время продувать реактор диффузионной печи инертным газом при температуре загрузки контейнера. Данный способ позволяет осуществлять диффузию алюминия во всю поверхность пластины, но не обеспечивает возможности проведения локальной глубокой сквозной разделительной диффузии для создания силовых полупроводниковых приборов - тиристоров и триаков. Заявляемое изобретение решает задачу обеспечения встречной глубокой разделительной диффузии акцепторных примесей для изготовления силовых полупроводниковых приборов, упрощения процесса и сокращения длительности диффузии. Поставленная задача решается тем, что в способе диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов, включающем очистку поверхности кремниевых пластин, осаждение из растворов легированных пленок, загрузку кремниевых пластин в окислительной атмосфере в реактор диффузионной печи, нагретый до температуры ниже температуры диффузии, выдержку при этой температуре для проведения деструкции, нагрев до температуры диффузии в потоке инертного газа и термообработку, сначала кремниевые пластины термически окисляют до получения слоя оксида кремния толщиной 0,5-1,5 мкм, наносят слой алюминия или сплава алюминий-кремний с содержанием кремния не более 1,6 мас.толщиной 3,5-6,0 мкм на обе стороны кремниевых пластин, удаляют слой алюминия или сплава алюминий-кремний и маскирующий слой оксида кремния в областях последующей диффузии, создают в областях последующей диффузии микронеровности поверхности со средней шероховатостью 0,3-1,0 мкм и глубиной нарушенного слоя 2,0-8,0 мкм, удаляют слой алюминия или сплава алюминий-кремний, осаждают из растворов легированные пленки на обе стороны кремниевых пластин, удаляют слой легированных пленок вне областей последующей диффузии, а загрузку кремниевых пластин в диффузионную печь проводят в держателелодочке, установленными параллельно друг другу, перпендикулярно потоку газов. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов отличается от известного тем, что сначала кремниевые пластины термически окисляют до получения слоя оксида кремния толщиной 0,5-1,5 мкм, наносят слой алюминия или сплава алюминий-кремний с содержанием кремния не более 1,6 мас.толщиной 3,5-6,0 мкм на обе стороны кремниевых пластин,удаляют слой алюминия или сплава алюминий-кремний и маскирующий слой оксида кремния в областях последующей диффузии, создают в областях последующей диффузии микронеровности поверхности со средней шероховатостью 0,3-1,0 мкм и глубиной нарушенного слоя 2,0-8,0 мкм, удаляют слой алюминия или сплава алюминий-кремний, осаждают из растворов легированные пленки на обе стороны кремниевых пластин, удаляют слой легированных пленок вне областей последующей диффузии, а загрузку кремниевых пластин в диффузионную печь проводят в держателе-лодочке, установленными параллельно друг другу, перпендикулярно потоку газов. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. При осаждении из растворов легированных пленок на обеих сторонах кремниевых пластин формируется источник примесей, который при термической активации обеспечивает встречную глубокую разделительную диффузию акцепторных примесей для изготовления силовых полупро 3 10881 1 2008.08.30 водниковых приборов. Кроме того, при встречной диффузии примесей с обеих сторон кремниевой пластины значительно сокращается длительность диффузии, поскольку известно, что глубина диффузии примеси при постоянной температуре пропорциональна корню квадратному от времени процесса. Удаление слоя легированных пленок вне областей последующей диффузии двухсторонней фотолитографией производится для исключения паразитной диффузии акцепторных примесей в тех областях кремниевой пластины,где этого не требуется. Создание микронеровностей поверхности со средней шероховатостью 0,3-1,0 мкм и глубиной нарушенного слоя 2,0-8,0 мкм в областях последующей диффузии позволяет ускорить процесс и сократить длительность диффузии акцепторных примесей в кремний. При создании микронеровностей поверхности со средней шероховатостью менее 0,3 мкм и глубиной нарушенного слоя менее 2,0 мкм существенно увеличивается длительность процесса диффузии для обеспечения сквозной встречной разделительной диффузии. При создании микронеровностей поверхности со средней шероховатостью более 1,0 мкм и глубиной нарушенного слоя более 8,0 мкм ухудшаются параметры изоляции рпереходом и увеличивается разновысотность топологического рельефа поверхности, что ухудшает условия проведения литографии при изготовлении силовых полупроводниковых приборов. Нанесение слоя алюминия или сплава алюминий - кремний с содержанием кремния не более 1,6 мас.толщиной 0,5-6,0 мкм на обе стороны кремниевых пластин и его удаление в областях последующей диффузии двухсторонней фотолитографией производится для маскирования поверхности кремниевой пластины вне областей последующей диффузии при создании микронеровностей поверхности, например, обработкой свободным абразивом. При толщине слоя алюминия или сплава алюминий-кремний менее 3,5 мкм не происходит эффективного маскирования при создании микронеровностей поверхности,наблюдаются локальные повреждения поверхности кремниевой пластины, что, в свою очередь, приводит к деградации электрических параметров силовых полупроводниковых приборов. Использование слоя алюминия или сплава алюминий-кремний толщиной более 6,0 мкм нецелесообразно по экономическим соображениям. Сплав алюминий-кремний с содержанием кремния более 1,6 мас.более дорогой и менее пластичный материал и требуется увеличение толщины маски по нижнему пределу, поэтому его использование экономически нецелесообразно. Термическое окисление до получения маскирующего слоя оксида кремния толщиной 0,5-1,5 мкм и его удаление в областях последующей диффузии двухсторонней фотолитографией создает дополнительную защиту поверхности кремния вне областей последующей диффузии при создании микронеровностей поверхности, например, обработкой свободным абразивом. При толщине слоя оксида кремния менее 0,5 мкм поверхность кремниевой пластины может повреждаться частицами свободного абразива, что приведет к появлению дефектов на поверхности кремниевой пластины и деградации электрических параметров силовых полупроводниковых приборов. Использование слоя оксида кремния более 1,5 мкм нецелесообразно по экономическим соображениям. Удаление слоя алюминия или сплава алюминий-кремний после формирования микронеровностей поверхности во вскрытых областях выполняется для исключения взаимодействия алюминия с оксидом кремния при температуре диффузии, приводящего к паразитной диффузии алюминия в кремний. Загрузка кремниевых пластин в диффузионную печь в держателе-лодочке, установленными параллельно друг другу, перпендикулярно потоку газов позволяет упростить процесс диффузии, что достигается заменой сложной кварцевой оснастки на стандартную. Если вышеупомянутая последовательность операций не выполняется, то положительный эффект не достигается. 4 10881 1 2008.08.30 Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-9, где на фиг. 1 изображено поперечное сечение структуры после проведения диффузии по способу-прототипу, где (1) - кремниевая пластина -типа проводимости, (2) - осажденная из раствора легированная пленка, (3) диффузионный слой р-типа проводимости, а на фиг. 2-10 изображено поперечное сечение структуры на различных стадиях изготовления в соответствии с предлагаемым способом. На фиг. 2 изображена исходная кремниевая пластина -типа проводимости (1), на фиг. 3 структура после термического окисления до получения маскирующего слоя оксида кремния (4) и нанесения слоя алюминия или сплава алюминий-кремний (5), на фиг. 4 - структура после удаления слоя алюминия или сплава алюминий-кремний (5) и маскирующего слоя оксида кремния (4) в областях последующей диффузии (6), на фиг. 5 - структура после создания в областях последующей диффузии (6) микронеровностей поверхности (7),на фиг. 6 - структура после удаления слоя алюминия или сплава алюминий - кремний, на фиг. 7-структура после осаждения из растворов легированных пленок (2) на обе стороны кремниевых пластин (1), на фиг. 8 - структура после удаления слоя легированных пленок вне областей последующей диффузии (6), на фиг. 9 - структура после термообработки. Предложенный способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов используется для создания встречной разделительной диффузией охранных колец планарных тиристоров с пробивными напряжениями до 1200 В и выше. В качестве примера встречная разделительная диффузия проведена для создания планарного тиристора КУ 613 А. Использовались пластины БКЭФ-32 диаметром 100 мм, толщиной 32010 мкм. Слой оксида кремния требуемой толщины получали окислением при температуре 1150 С путем варьирования длительностью процесса. Слой алюминия или сплава алюминий-кремний наносили магнетронным распылением на установке Магна-2 М. Двухстороннюю литографию проводили при помощи установки МА-25 (ф., ФРГ). Формирование микронеровностей проводили при помощи струйной обработки свободным абразивом. Осаждение из растворов легированных пленок проводилось нанесением на каждую сторону пластины по 10 капель алюмосодержащего диффузанта на центрифуге с частотой вращения 800 об./мин, с последующей ИК-сушкой диффузанта в течение 5 минут при температуре 60 С. В качестве диффузанта использовали 5 спиртовой раствор (3)3 с добавлением тетраэтоксисилана (спирт этиловый - 50 мл, спирт бутиловый - 30 мл, тетраэтоксисилан - 10 мл,азотнокислый алюминий - 4 г). Для образования алюмосиликатного стекла кремниевые пластины после ИК-сушки отжигали в течение 30 мин в кислороде при температуре 850 С. Удаление слоя легированных пленок вне областей последующей диффузии проводилось в буферном травителе (42 271). При этом может происходить частичное либо полное удаление маскирующего слоя оксида кремния. Диффузия алюминия проводилась по предлагаемому способу. Первый уровень температуры в диффузионной печи СДОМ 3/100 с реактором и держателем, лодочкой из карбида кремния составлял 850 С,а второй уровень температуры, соответствующий температуре диффузии, - 1300 С. При этом кремниевые пластины располагались параллельно друг другу в карбид-кремниевой лодочке-держателе и загружались перпендикулярно потоку газа, в отличие от прототипа,где пластины складывались в стопку. Выдержка при температуре диффузии составляла 36 часов, что обеспечивает глубину диффузии 165 мкм. Глубина диффузии определялась при помощи оптического микроскопа по сколу кремниевой пластины, декорированному в травителе 42 (1404 капли ). Как показали исследования, заявляемый способ позволяет обеспечить встречную сквозную разделительную диффузию для создания областей разделения планарных тиристоров. В табл. 1 приведены сравнительные данные по длительности процесса диффузии,глубине диффузии и обеспечению сквозной встречной разделительной диффузии. 5 10881 1 2008.08.30 Таблица 1 Сравнительные данные по длительности процесса диффузии, глубине диффузии и обеспечению сквозной встречной разделительной диффузии Использование 2, , , , , диф, двухстоп/п мкм мкм мкм мкм мкм час. ронней фотолитографии 1 2 3 4 5 6 7 Да Да Да Да Да Нет Нет Есть Есть Есть Есть Нет Нет Есть Есть Есть Есть Нет Нет Нет Нет Нет Есть Есть Нет Нет Нет Нет Нет Нет 1. При диффузии не используется кварцевый контейнер. 2. При нарушении последовательности эффект не достигается Прототип 2 - толщина слоя оксида кремния, - толщина слоя алюминия, - средняя шероховатость поверхности, - глубина нарушенного слоя, - глубина диффузии,диф. - время диффузии,проб. - напряжение пробоя. Из табл. 1 видно, что при толщине слоя оксида кремния менее 0,5 мкм, слоя алюминия менее 3,5 мкм, средней шероховатости поверхности менее 0,3 мкм и глубине нарушенного слоя менее 2,0 мкм за время диффузии 36 часов не достигается достаточно глубокой разделительной диффузии, обеспечивающей смыкание р-областей и, соответственно, требуемого напряжения пробоя тиристорной структуры. При толщине слоя оксида кремния более 1,5 мкм, слоя алюминия более 6,0 мкм, средней шероховатости поверхности более 1,0 мкм и глубине нарушенного слоя более 2,0 мкм достигается смыкание р-областей и требуемое напряжение пробоя тиристорной структуры, однако требуются дополнительные затраты,связанные с резким увеличением трудоемкости создания слоев оксида кремния и алюминия. Кроме того, из табл. 1 видно, что использование двухсторонней фотолитографии позволяет обеспечить требуемое напряжение пробоя изоляции и смыкание р-областей при встречной разделительной диффузии акцепторных примесей без дополнительных затрат. В табл. 2 представлены сравнительные данные по использованию вместо алюминия его сплава с кремнием. Таблица 2 Сравнительные данные по использованию сплава алюминий-кремний в качестве материала маскирующего слоя Минимальная требуемая толщина слоя алюминия Нет Нет Нет Нет Есть 10881 1 2008.08.30 Как видно из табл. 2, использование сплава алюминий-кремний с содержанием кремния более 1,6 мас.нецелесообразно по экономическим соображениям из-за увеличения минимальной толщины маски. Таким образом, предлагаемый способ диффузии акцепторных примесей в кремниевые пластины для изготовления силовых полупроводниковых приборов позволяет решить задачу обеспечения встречной глубокой разделительной диффузии акцепторных примесей для изготовления силовых полупроводниковых приборов, упростить процесс диффузии,а также сократить длительность диффузии в 5,5 раза. Источники информации 1. Патент РФ 2183365, МПК 7 Н 01 21/385, опубл. 10.06.2002. 2. Черняев В.И. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. - М. Радио и связь, 1987. - С. 132-133. 3. А.с. СССР 1593508, МПК 7 Н 01 21/225, опубл. 27.06.2000. 4. А.с. СССР 1424632, МПК 7 Н 01 21/225, опубл. 27.06.2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8