Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadze¬ nia procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej, zwla¬ szcza na podlozu krzemowym.Sposób jest szczególnie przydatny przy wytwa¬ rzaniu cienkich warstw epitaksjalnych o grubosci ponizej 5 firn oraz warstw epitaksjalnych dla po¬ trzeb przyrzadów pólprzewodnikowych wymaga¬ jacych istnienia skokowego zlacza epitaksjalnego, na przyklad do diod o szybkozmiennej pojemnosci.Znany proces epitaksji krzemu z fazy gazowej polega na redukcji zwiazku krzemu zawartego w strumieniu wodoru. Reakcja redukcji zwiazku krzemu jest pierwszego lub pseudo-pierwszego rze¬ du a redukowanym zwiazkiem krzemu jest cztero¬ chlorek krzemu lub trójchlorosilan lub dwuchlo- rosilan lub silan.Parametrami technologicznymi decydujacymi o przebiegu procesu epitaksji krzemu sa tempera¬ tura podloza epitaksjalnego, stezenie zwiazku krze¬ mu w mieszaninie z gazem nosnym, zwykle wodo¬ rem, takze temperatura mieszaniny zwiazku krze¬ mu z gazem nosnym i szybkosc przeplywu miesza¬ niny zwiazku krzemu z wodorem.Istotnymi czynnikami procesu sa takze rodzaj redukowanego zwiazku krzemu, rodzaj podloza a takze wymiary geometryczne komory w której prowadzony jest proces epitaksji, zwlaszcza wolny przekrój komory, jednak dla konkretnie okreslo¬ nego procesu, parametry wynikajace z tych czyn¬ ników sa ustalone. 10 15 25 30 Wyzej wymienione parametry technologiczne de¬ terminuja szybkosc wzrostu warstwy epitaksjalnej a wiec i grubosc warstwy epitaksjalnej, która zo¬ staje nalozona po okreslonym czasie trwania pro* cesu. Takze decyduja one o stopniu zdefektowania monokrystalicznej struktury nakladanej warstwy epitaksjalnej i decyduja równiez o tak zwanym profilu domieszki w warstwie epitaksjalnej na granicy podloza z warstwa epitaksjalna.Profil domieszki decyduje o tak zwanej skofco- wosci zlacza p-n lub 1-h na granicy podtoze-war- stwa epitaksjalna lub wewnatrz warstwy epitak¬ sjalnej. Duza skokowosc zlacza i maly stopien zde¬ fektowania monokrystalicznej struktury naklada* nej warstwy sa szczególnie poszukiwanymi skut¬ kami technicznymi prowadzenia procesu epitaksji krzemu. Prowadzenie znanego procesu w krótkim czasie przy niskiej temperaturze i duzym stezeniu powoduje podgarszanie sie monokrystalicznej struktury nakladanej warstwy.IWada znanego procesu epitaksji krzemu jest uzy¬ skiwanie niewystarczajacej skokowosci zlacza i jed¬ noczesnie zbyt duzy stopien zdefektowania struk¬ tury monokrystalicznej nakladanej warstwy.Celem wynalazku jest opracowanie technologii procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej, zwla¬ szcza na podlozu krzemowym, w wyniku której uzyskane warstwy epitaksjalne charakteryzuja sie malym stopniem zdefektowania monokrystalicznej 116 691116 691 struktury i duza skokowoscia zlacza na granicy po- dloze-warstwa epitaksjalna.Zadaniem wynalazku jest okreslenie wielkosci parametrów technologicznych prowadzenia proce¬ su epitaksji krzemu, przy których uzyskuje sie lacznie mozliwie najmniejsze zdefektowanie struk¬ tury i najwyzsza skokowosc zlacza.Dalszym zadaniem wynalazku jest okreslenie wzajemnych zaleznosci pomiedzy parametrami pro¬ cesu epitaksji, przy których proces epitaksji prze¬ biega w sposób najwlasciwszy — przy najnizszym stopniu zdefektowania i najlepszej skokowosci. Wy¬ konanie tego ostatniego zadania umozliwia okre¬ slanie kolejnych zestawów najwlasciwszych para¬ metrów technologii epitaksji krzemu z fazy gazo¬ wej, kiedy zachodzi koniecznosc zmiany któregos lub niektórych parametrów.Dalszym zadaniem, juz dla zwyklego uproszcze¬ nia stosowania jest opracowanie wykreslne wza¬ jemnych zaleznosci pomiedzy parametrami proce¬ su wedlug wynalazku, przy których proces prze¬ biega najwlasciwej.Sposób prowadzenia procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej, zwlaszcza na podlozu krzemowym, przez redukcje zwiazku krzemu w gazie nosnym o wlasnosciach redukujacych, korzystnie SiCl4 w wodorze, wedlug wynalazku polega na przeplywo¬ wym przeprowadzaniu gazu nosnego zawierajace¬ go zwiazek krzemu, korzystnie wodoru zawieraja¬ cego SiCl4 przez chlodzona komore reakcyjna, w której znajduje sie plytka podlozowa, zwlaszcza krzemowa podgrzewana do wysokiej temperatury a gaz nosny zawierajacy zwiazek krzemu jest wyprowadzany do komory reakcyjnej w temperatu¬ rze niskiej, korzystnie pokojowej i w komorze reakcyjnej podgrzewa sie zasadniczo od plytki po¬ dlozowej do temperatury o okolo kilkaset stopni Celsjusza nizszej od temperatury podloza, po czym redukuje sie zwiazek krzemu zawarty w gazie no¬ snym i osadza sie monokrystaliczna warstwe krze¬ mu na plytce podlozowej i wedlug istoty wynalaz¬ ku charakteryzuje sie tym, ze plytka podlozowa znajduje sie w temperaturze 950—1120°C, korzyst¬ nie 1050—1100°C, temperatura gazu nosnego i za¬ wartego w nim zwiazku krzemu jest od okolo 300°C do 600°C nizsza od temperatury podloza, ste¬ zenie zwiazku krzemu w gazie nosnym wynosi od 0,0005 do 0,0125 ulamka molowego, predkosc prze¬ plywu gazu przeplywajacego przez komore wyno¬ si od okolo 50 do okolo 220 litrów/minute a wolny przekrój poprzeczny komory wynosi od okolo 20 do okolo 100 cm2, co okresla predkosc wzrostu war¬ stwy epitaksjalnej na 0,1—0,7 jim/minute, przy czym korzystnie jest jesM parametry prowadzenia procesu sa zwiazane zaleznoscia v"l = [Ao+Ai exp (K/T)] C"i+A2 exp (K2/T) okreslajaca zasadniczo temperature podloza i szyb¬ kosc wzrostu epitaksjalnego, a takze sa zwiazane zaleznoscia c< Ae A,exp(K2/T) n Ao i [ A1exp(K,/T) J okreslajaca zasadniczo temperature podloza i ste¬ zenie zwiazku krzemu w gazie, w których to za¬ leznosciach v oznacza szybkosc wzrostu epitaksjal¬ nego w firn na minute, T oznacza temperature po¬ dloza w stopniach Kelwina, C oznacza ulamek mo¬ lowy zwiazku krzemu w gazie, A0'jest wspólczyn- 5 nikiem empirycznym zaleznym od rodzaju reduko¬ wanego zwiazku krzemu oraz od wymiarów^ i ksztaltu komory reakcyjnej wynoszacym od 0,1 do 0,6, Aj jest wspólczynnikiem empirycznym za¬ leznym od rodzaju redukowanego^zwiazku "KffZemu„ io rodzaju podloza i sredniej temperatury gazu no¬ snego nad powierzchnia plytki podlozowej i wy¬ nosi od 5 • 10-12 do 1 • 10~8, Kj jest wspólczynni¬ kiem empirycznym zaleznym od rodzaju reduko¬ wanego zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wy- 15 nosi od 20 • 103 do 32 • 103, K2 jest wspólczynnikiem emiprycznym zaleznym od rodzaju redukowanego- zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wynosi od 17 • 103 do 25*103, A2 jest wspólczynnikiem empi¬ rycznym zaleznym od rodzaju podloza i wynosi od 20 10-10 do 10 ~7, a skrót exp jest oznaczeniem funkcji eksponencjalnej.Sposób wedlug wynalazku jest przedstawiony w~ przykladzie wykonania.Przyklad I. Prowadzi sie proces epitaksji 25 krzemu z czterochlorku krzemu na podlozu krze¬ mowym. Orientacja krystalograficzna krzemowych plytek podlozowych [111] z dezorientacja 2°30±30' w kierunku najblizszej plaszczyzny [110]. Gazem nosnym jest wodór Szybkosc przeplywu gazu oko- 39 lo 65,5 litra na minute.Proces prowadzi sie w poziomej komorze reak¬ cyjnej o prostokatym przekroju poprzecznym o po¬ wierzchni 20 cm2. Komora ma chlodzenie wodne a plytka podlozowa ogrzewana jest indukcyjnie 35 i utrzymywana " w czasie procesu w temperaturze okolo 1060°C. Ulamek molowy czterochlorku krze¬ mu w gazie wynosi okolo 0,0024. Proces prowadzi sie przez okolo 35,7 minuty uzyskujac warstwe epi¬ taksjalna o grubosci 10 iM-rn. Oznacza to, ze szyb- 40 kosc wzrostu wynosi okolo 0,28 nm na minute.Struktura warstwy epitaksjalnej charakteryzuje sie duza skokowoscia zlacza i malym stopniem zde¬ fektowania struktury.Korzystne parametry prowadzenia procesu s% 45 zwiazane zaleznoscia V"l = [Ao+Ai eXp (K^T] C-l+A2 exp (K2/T) w której A0 = 0,49, A! = 2,2-10-M, A2 = 3,1 • 10~*r Ki = 27,8 • 108 i K2 = 22,1 • 103 wyliczajac z wzoru 50 lub poslugujac sie nomogramem odpowiadajacym zaleznosci dla przeplywu gazu 65,5 l/min, przedsta¬ wionym tytulem przykladu na rysunku, okreslamy optymalne wartosci temperatury podloza 104Ó°Cr stezenia SiCl4 w gazie wynoszacego 0,241% ulamka 55 molowego i szybkosci wzrostu epitaksjalnego wy¬ noszacej 0,246 fun/min.Z wykresu mozna dodatkowo okreslic graniczne wartosci parametrów, na przyklad stezenie kryty¬ czne Ckt okreslajace maksymalna wartosc ulamka M molowego SiCl4 w gazie i pozostale parametry od¬ powiadajace optymalnie stezeniu krytycznemu.Przyklad II. Prowadzi sie proces epitaksji krzemu z czterochlorku krzemu na podlozu krze¬ mowym. Orientacja krystolograficzna krzemowych 65 plytek podlozowych [111] z dezorientacja 2°30'±30"116 691 w kierunku najblizszej plaszczyzny [110]. Plytki podlozowe domieszkowane sa antymonem do kon¬ centracji 5 • 10w cm-3. Gazem nosnym jest wodór.Szybkosc przeplywu gazu 71 litrów na minute.Proces prowadzi sie w poziomej komorze reakcyj¬ nej o przekroju poprzecznym prostokatnym o po¬ wierzchni okolo 50 cm2, chlodzonej powietrzem.Plytka podlozowa ogrzewana jest indukcyjnie i utrzymywana w czasie procesu w temperaturze okolo 1060°C. Ulamek molowy czterochlorku krze¬ mu w gazie wynosi 0,003. Proces prowadzi sie przez okolo 4 minuty, uzyskujac warstwe epitaksjalna o grubosci okolo 1,6 \im. Oznacza to, ze szybkosc wzrostu wynosi okolo 0,4 nm na minute.W wyniku procesu uzyskano zlacze typu 1-h o dobrej skokowosci przy zachowaniu niezdefek- towanej monokrystalicznej struktury warstwy epi¬ taksjalnej.Korzystne parametry prowadzenia procesu sa zwiazane zaleznoscia C = A0 + Alexp(K,/T) V"1-Alexp(K,/T) i zaleznoscia V< V"1-A2exp(K2/T)[- A expfK /T)] w których A0 = 0,45, Ai = 2,2 -10-*°, A2 = 3,1 • 10~8, Kx = 27,8 • 10~3 i K2 = 22,l-103. Takze sluszna jest zaleznosc okreslajaca V-1, tak jak podano w przy¬ kladzie I. Zaleznosci te sa wzajemnie wyprowa¬ dzanie.Wyliczajac z wzorów lub poslugujac sie nomo- gramem, odpowiadajacym zaleznosci dla przeply¬ wu gazu 71 l/min, okreslamy optymalne wartosci temperatury podloza 1080°C, stezenia SiCl4 w ga¬ zie wynoszacego 0,0039 ulamka molowego, szybko¬ sci wzrostu epitaksjalnego wynoszacej 0,5 firn na minute.Przyklad III. Prowadzi sie proces epitaksji krzemu z czterochlorku krzemu na podlozu krze¬ mowym. Orientacja krystolograficzna krzemowych plytek podlozowych [1J1] z dezorientacja 2°30'±30' w kierunku najblizszej plaszczyzny [110]. Plytki podlozowe domieszkowane sa antymonem do kon¬ centracji 5 • 1018 cm-3. Gazem nosnym jest wodór.Warstwe epitaksjalna domieszkuje sie fosforem do koncentracji 10w cm-3, wprowadzajac fosforowo¬ dór PH3 do mieszaniny czterochlorku krzemu z ga¬ zem nosnym wodorem. Szybkosc przeplywu gazu 71 litrów na minute.Proces prowadzi sie w poziomej komorze reak¬ cyjnej o przekroju poprzecznym prostokatnym wy¬ noszacym okolo 50 cm2, chlodzonej powietrzem.Plytka podlozowa ogrzewana jest indukcyjnie i utrzymywana w czasie procesu w temperaturze okolo 1060°C. Ulamek molowy czterochlorku krze¬ mu w gazie wynosi okolo 0,003. Proces prowadzi sie przez okolo 4 minuty, uzyskujac warstwe epi¬ taksjalna o grubosci okolo 1,6 ifim. Oznacza to, ze szybkosc wzrostu wynosi okolo 0,4 <\im na minute.W wyniku procesu uzyskano zlacze typu 1-h o dobrej skokowosci przy zachowaniu niezdefek- towanej monokrystalicznej struktury warstwy epi¬ taksjalnej. 45 50 55 Korzystne parametry prowadzenia procesu sa zwiazane zaleznoscia V = r Aiexp(K1/T)-j 2Aaexp(Kt/T) [* A« w których A0 = 0,45, At = 2,2 vl0-» A2=3il • 10"\ K1 = 27,8,10-3 i K2=22,1V103. Takze sluszna jest 10 zaleznosc okreslajaca V"*, tak jak podano w przy¬ kladzie I. naleznosci te sa wzajemnie wyprowa- dzalne.Wyliczajac z wzorów lub poslugujac sie nomo- gramem, odpowiadajacym zaleznosci dla przeply- 15 wu gazu 71 l/min, okreslamy optymalne wartosci temperatury podloza 1080CC, stezenia SiCl4 w gazie wynoszacego 0,0039 ulamka molowego, szybkosci wzrostu epitaksjalnego wynoszacej 0,5 |«n na mi- * nute. 20 Przyklad iy. Prowadzi sie proces epitaksji krzemu z silanu SiH4. Nanosi sie krzemowa war¬ stwe epitaksjalna o akceptorowym typie przewod¬ nictwa na crzemowe podloze o donorowym typie przewodnictwa. Orientacja krystolograficzna krze- » mowych plytek ppdlozowych {100] z dezorientacja 3°±30' w kierunku najblizszej plaszczyzny [110].Plytki podlozowe domieszkowane fosforem do kon¬ centracji 10" cm-3. Gazem nosnym jest wodór.Szybkosc przeplywu gazu okolo 140 litrów na rnir 30 nute.Proces prowadzi sie w poziomej komorze reak¬ cyjnej o prostokatym przekroju poprzecznym o por wierzchni okolo 60 cm2. Komora reakcyjna jest chlodzona powietrzem i ogrzewana promieniowa- 35 niem podczerwonym. Plytka podlozowa jest utrzy¬ mywana w temperaturze okolo 1015°C. Ulamek mo¬ lowy czterochlorku krzemu w gazie wynosi okolo 0,0006.Proces prowadzi sie przez okolo 1,6 minuty, uzy- 40 skujac warstwe epitaksjalna o grubosci okolo 0,4 lim. Szybkosc wzrostu wynosi okolo 0,25 jim/min.Korzystne parametry prowadzenia procesu sa zwiazane zaleznoscia V"i = [Att+Aj exp (Kj/T] C"H-A2 exp (Ka/T) w której A0 = 0,15, Ai = 4,2 • 10"», A2 = 5,3 • 10"«, Kj = 21,7 • 103 i K2 = 23,1 10* i zaleznoscia v< l IV Aiexp(K1/T) 1 ^ 2Aaexp(K2/T) |/ Ao J [ 4,2lQ-9e(21-7'108/1273)] L 0,15 ] v< 2-5,3-10-9e(23*10'/1273) L" 0,15 c = Ao+Aj exp V*1-Aaexp(K,/T) to znaczy C = 0,15 + 4,2-10-Vn'710,/w,) 0,2-1-5,3.10-9e(M1'10,/m3) 09 Wyliczajac z wzorów lub poslugujac sie nomo- gramem odpowiadajacym zaleznosci dla przeplywu gazu 140 l/min, okreslamy optymalne wartosci tem¬ peratury podloza 1000°C, stezenia SiH4 w gazie 0,00056 ulamka molowego i szybkosci wzrostu epi- C5 taksjalnego 0,2 firn/min.7 W celu otrzymania warstwy o akceptorowym typie przewodnicwa wprowadzono do gazu dodat¬ kowo dwuborowodór BjH,. W tym przypadku uzy¬ skano zlacze p-n o dobrej skokowosci i niezdefek- towanej strukturze.Zastrzezenie patentowe Sposób prowadzenia procesu epitaksji krzemu z fazy gazowej, zwlaszcza na podlozu krzemowym przez redukcje zwiazku krzemu w gazie nosnym o wlasnosciach redukujacych, korzystnie SiCl4 w wodorze .polegajacy na przeplywowym przepro¬ wadzaniu gazu nosnego zawierajacego SiCl4 przez chlodzona komore reakcyjna, w której znajduje sie plytka podlozowa zwlaszcza krzemowa pod¬ grzewana do wysokiej temperatury a gaz nosny zawierajacy zwiazek krzemu jest wprowadzany do komory reakcyjnej w temperaturze niskiej, ko¬ rzystnie pokojowej i w komorze reakcyjnej pod¬ grzewa sie zasadniczo od plytki podlozowej do temperatury o okolo kilkaset stopni Celsjusza niz¬ sze} od temperatury podloza, po czym redukuje sie zwiazek krzemu zawarty w gazie nosnym i osadza sie monokrystaliczna warstwe krzemu na plytce podlozowej, znamienny tym, ze plytka podlozowa znajduje sie w temperaturze 950—1120°C, tempe¬ ratura gazu nosnego i zawartego w nim zwiazku krzemu jest od okolo 300°C do 600°C nizsza od temperatury podloza, srtezenie zwiazku krzemu w gazie nosnym wynosi od 0,0005 do 0,0125 ulamka molowego, predkosc przeplywu gazu przeplywaja¬ cego przez komore wynosi od okolo 50 do 220 li¬ trów/minute a wolny przekrój (poprzeczny komory 691 8 wynosi od okolo 20 do okolo 100 cm2, co okresla predkosc wzrostu warstwy epitaksjalnej na 0,1— —0,7 lim/minute, przy czym korzystnie jest jesli parametry prowadzenia procesu sa zwiazane za- s leznoscia V1 = [Ao+Ai exp (Ki/T)] C"*+A2 exp (Ka/T) okreslajaca zasadniczo temperature podloza i szyb¬ kosc wzrostu epitaksjalnego a takze sa zwiazane 10 zaleznoscia n^ Ao T Ao _ 1 C^ A,exp(K,/T) ^"AterpCKr/T)] okreslajaca zasadniczo temperature podloza i ste- 15 zenie zwiazku krzemu w gazie, w których to za¬ leznosciach v oznacza szybkosc wzrostu epitaksjal¬ nego w |im na minute, T oznacza temperature podloza w stopniach Kelwina, C wyrazone w % oznacza ulamek molowy zwiazku krzemu w gazie, 20 od wymiarów i ksztaltu komory reakcyjnej wy¬ noszacym od 0,1 do 0,6, Ax jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodzaju redukowanego zwiazku krzmu, rodzaju podloza i sredniej tem¬ peratury gazu nosnego nad powierzchnia plytki 19 podlozowej i wynosi od 5'10~u do 1-10_», Kx jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od ro¬ dzaju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wynosi od 20*10' do 32* 10', K, jest J0 wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od rodza¬ ju redukowanego zwiazku krzemu i od rodzaju podloza i wynosi od 17-10* do 25*10*, At jest wspólczynnikiem empirycznym zaleznym od ro¬ dzaju podloza i wynosi od 10-* do 10~* a skrót 35 exp jest oznaczeniem funkcji eksponencjalnej.116 691 Vf(C 4 5 c-YsSMr7 L_J t, ,, l l . i i 1 Il 1 w im os a$ as om «w o.* aa5 o** 02, c r/»o/ yi L mol '°J PL