= ФИЗИКА
УДК 621.315.592
СТАБИЛИЗАЦИЯ ТЕРМОМИГРАЦИИ ПРОФИЛИРОВАНИЕМ РАСТВОРЯЮЩЕЙСЯ ПЛАСТИНЫ КРЕМНИЯ
© 2015 г. Л.С. Лунин1, В.Н. Лозовский2, Б.М. Середин2
Поступила 04.02.2015
Эффект термомиграции в системе кремний-алюминий широко используется для получения полупроводниковых приборных структур различного назначения. Если мигрирующая жидкая фаза представляет собой тонкий плоскопараллельный слой алюминия (зона), заключенный между растворяющейся пластиной кремния (источник ростового вещества) и пластиной кремния и-типа (подложка), то стабильная термомиграция указанного слоя позволяет получать совершенные плоские р-и-переходы на пластинах любого размера. В статье предложена, обоснована и описана методика формирования плоской жидкой алюминиевой зоны, благодаря которой обеспечивается стабильная термомиграция.
Установлено, что в композиции из кремниевых пластин диаметром не более 76 мм и толщиной не менее 500 мкм стабильно мигрируют зоны, полученные капиллярным втягиванием жидкого алюминия в зазор, толщина которого ограничивается тремя выступами, расположенными на периферии растворяющейся пластины. С увеличением диаметра пластин возникает и возрастает их деформация вне упоров, связанная с капиллярным эффектом. В центральной части пластин происходит уменьшение толщины зоны и ее фрагментация. Процесс термомиграции становится нестабильным. Экспериментально установлено, что при использовании дополнительных выступов в центральной части композиции могут возникать локальные дефекты в подложке в точках касания с ней выступов, а также разрывы жидкой зоны в процессе ее миграции. Реализован способ устранения указанных недостатков за счет использования серии выступов, равномерно сформированных на источнике, и показана возможность получения качественных р-и-структур на пластинах кремния без ограничения их диаметра термомиграцией плоских жидких алюминиевых зон.
Ключевые слова: физика, полупроводниковая технология, кремний, алюминий, термомиграция, стабильность, плоский р-п-переход.
ВВЕДЕНИЕ
Эффект термомиграции обусловлен процессами, возникающими на межфазных границах жидкого включения в кристалле при наличии внешнего градиента температуры [1]. На более нагретой стороне включения кристалл непрерывно растворяется, растворенное вещество переносится через жидкую фазу к менее нагретой границе, где кристаллизуется. Слои твердой фазы, закристаллизованные вдоль траектории мигрирующего включения, содержат атомы вещества включения, т.е. легированы этими атомами. Легирование методом термомиграции позволяет формировать разнообразные по форме
1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Centre, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, e-mail: lunin_ls@mail.ru
2 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Platov South Russian State Polytechnic University (NPI)), 346400, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.
и размерам полупроводниковые приборные структуры, что обеспечивается возможностью создавать в кристалле включения различной геометрии, стабильно движущиеся по заданным траекториям.
Условия стабильного движения включений различной формы и размеров не одинаковы [1; 2]. Настоящая статья посвящена разработке методики, обеспечивающей стабильное перемещение плоских включений (на примере системы Al-Si). Термомиграция подобных включений используется в производстве кремниевых стабилитронов, радиационно-стойких приборов, силовых полупроводниковых приборов [3-6]. Во всех подобных случаях используются композиции источник-растворитель-подложка, где под источником и подложкой понимаются Si-пластины, являющиеся соответственно источником ростового вещества и его затравкой при термомиграции. Плоскопараллельный тонкий слой жидкого алюминия называют жидкой зоной, которая мигрирует от подложки к источнику по направлению градиента темпера-
туры. На подложке формируется эпитаксиальный слой, вблизи металлургической границы которого возникает р-я-переход.
Качество образовавшегося р-я-перехода зависит от стабильности миграции плоской жидкой зоны раствора кремния в алюминии. Трудности, связанные с получением и стабильной миграцией тонких плоских жидких зон, возрастают при переходе к использованию кремниевых пластин всё большего диаметра, что является современной тенденцией полупроводниковой технологии. В настоящей статье предложена методика эффективного устранения указанных трудностей для пластин любого диаметра.
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПЛОСКОГО СЛОЯ РАСТВОРИТЕЛЯ
Процессу термомиграции плоской зоны предшествует процедура ее получения. Имеется несколько способов получения плоских зон [1]. Для кремниевых пластин большой площади наиболее эффективным является капиллярное втягивание расплавленного алюминия в зазор между источником и подложкой из специального резервуара (рис. 1). При этом пленка А1203, имеющаяся на поверхности расплава А1, не проникает в тонкий зазор между источником и подложкой, что является одним из условий последующей стабильной термомиграции образовавшейся жидкой зоны. Универсальным способом
задания толщины зазора является формирование на источнике вблизи ее периферии трех выступов (упоров) необходимой высоты (например, методом фотолитографии). На рисунке 1а такие упоры изображены в виде маленьких кружков на источнике. Поскольку жидкий алюминий и раствор кремния в алюминии хорошо смачивают поверхность кремниевых пластин, то плоский капилляр между ними окажется (при легко достижимых условиях) полностью заполненным жидкой фазой. Процесс проводят в вакууме при температуре в диапазоне 900-950°С в однородном температурном поле.
Следствием капиллярного формирования жидкой зоны при наличии трех ограничителей ее толщины, расположенных на периферии пластин, является их деформация (рис. 1в). Деформация обусловлена нарушением равновесия между внешним давлением на пластины газа, окружающего композицию, и внутренним давлением в плоском капилляре, на которое влияет движение в нем жидкой фазы (эффект Бернулли) и наличие вогнутого мениска на границе жидкость-газ (эффект Лапласа) [7].
С увеличением диаметра пластин величина их деформации возрастает и может достичь значения, равного исходной толщине слоя жидкой фазы (высота выступов). При этом слой раствора кремния в алюминии будет выдавливаться из центральной части композиции с кристаллизацией кремния (за счет переохлаждения Гиббса-Томсона). Окружающие центральную часть предельно истонченные
Рис. 1. Схема формирования плоских зон с применением профилирования. 1 - подложка; 2 - источник; 3 - выступы; 4 - тигель; 5 - расплав; 6 - жидкая зона; 7 - слой затвердевшего растворителя; 8 - слой кремния, выкристаллизовавшегося из охлажденной зоны. Подложка и источник с тремя выступами (а); подложка и источник с серией выступов (б); различные стадии процесса образования зоны (в-е)
500 мкм. На рисунке 2а видно, что в центральной части ростовой композиции сплошной эпитакси-альный р+-слой (окрашен темным) не образовался. Он локализуется в местах расположения выступов и контакта пластин с расплавом (соответственно области I и II отмечены пунктиром), в остальных местах он фрагментирован в виде отдельных островков. На рисунке 2б приведено увеличенное изображение области III, располагающейся на переходе от нефрагментированной к фрагментиро-ванной части зоны.
Естественно предположить, что рассматриваемую проблему можно решить, используя упоры, распределенные по всей площади композиции (рис. 1б, г, е). Однако предварительные эксперименты, проведенные с целью проверки справедливости такого предположения, показали, что решение рассматриваемой проблемы не является тривиальной задачей. С одной стороны, упоров в центре пластины не должно быть мало, а их вершины не должны представлять собой тонкие острия. Иначе каждый из них будет служить (на стадии формировании жидкой зоны) потенциальным источником дефектообразования в точке своего соприкосновения с подложкой. С другой стороны, каждый из них может вызвать локальный разрыв жидкой зоны (на стадии ее миграции). Поэтому упоров не должно быть слишком много и их сечения необходимо минимизировать. Иначе их удаление перед стадией миграции окажется затруднительным.
Изложенное иллюстрируется рисунками 3 и 4. На рисунке 3а приведен результат миграции зоны через пластину-источник, в центральной части которой сформировано небольшое количество выступов. Эта пластина расположена снизу и имеет диаметр 100 мм. Затравка, ориентированная по плоскости (111), расположена сверху и имеет диаметр 76 мм. Она подверглась шлифовке и травле-
Рис. 3. Поверхность подложки со скоплениями дислокаций на месте расположения выступов. а - поверхность композиции источник-растворитель-подложка (диаметр подложки 76 мм, диаметр источника 100 мм); б - увеличенное изображение деформированной области в подложке, *70
Рис. 2. Фотографии финишной поверхности источника с тремя выступами (I) и местом заполнения капилляра (II): а - общий вид шлифа пластины диаметром 76 мм со стороны выхода зоны; б - увеличенная область (III) с разрывами зоны (светлым обозначены места, где перекристаллизация источника не имела места)
участки зоны распадутся на отдельные фрагменты, вокруг которых образуются твердые перемычки между пластинами кремния. Источник и подложка в деформированном состоянии окажутся зафиксированными указанными перемычками, а жидкая зона приобретет клинообразную форму с утончением к центру композиции (рис. 1д).
При дальнейшем увеличении диаметра кремниевых пластин область выдавливания слоя жидкой фазы из центральной части композиции расширяется. Стабильная миграция жидкой зоны, получение совершенного плоскопараллельного эпитаксиаль-ного р-слоя и качественного р-я-перехода становятся невозможными. Именно такая ситуация наблюдается (рис. 2) при использовании кремниевых пластин диаметром более 76 мм и толщиной менее
нию для выявления дефектов. Каждый выступ своим давлением на подложку создал в ней дефекты, которые в виде скоплений дислокаций распространились до противоположной поверхнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.