научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В СЛОЙ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В СЛОЙ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ»

ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

УДК 533.9:621.382

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОСТИМУЛИРОВАННОЙ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В СЛОЙ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

© 2003 г. А. А. Ковалевский, В. В. Глухманчук, М. В. Тарасиков, В. М. Сорокин

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

E-mail: kanc@gw.bsuir.unibel.by Поступила в редакцию 10.02.2003 г.

На основе экспериментальных данных проведена оценка первой стадии процесса диффузии мышьяка и фосфора в слой пористого кремния при плазменном стимулировании. Показана возможность значительного снижения температуры в процессе первой стадии диффузии с использованием газовых источников. Установлено, что использование слоя пористого кремния, сформированного в результате плазмохимического травления кремния, обеспечивает более высокую равномерность распределения примеси по площади пластины по сравнению с пористым слоем, сформированным в процессе электрохимического анодирования кремния. Установлено, что наиболее ответственными параметрами, влияющими на воспроизводимость и качество легированного слоя пористого кремния, как источника диффузии, являются регулярность размера пор, температура подложки и условия плазмохимического воздействия на процесс разложения гидридов. Слой пористого кремния должен иметь равноценное распределение пор по диаметру и глубине по всей площади кремниевой пластины. Залегированные мышьяком и фосфором такие слои пористого кремния из газовых источников при плазменном стимулировании могут быть использованы при производстве подструктур для высоковольтных полупроводниковых приборов.

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние годы интенсивно ведется поиск эффективных методов диффузии примесей в полупроводниковые материалы на глубину >100 мкм. Это обусловлено потребностью в разработке надежных мощных полупроводниковых приборов [1-3].

Весьма перспективным в этом направлении, казалось бы, должен быть пористый кремний -материал, технология которого достаточно проста и допускает управляемое варьирование параметров пористости в широких пределах [2, 3]. Его химически активная пористая природа дает возможность формировать уникальные электронные компоненты.

Тем не менее, успешное использование этого материала до сих пор сдерживается из-за неустойчивости его структуры при термообработках, так необходимых при формировании активных структур различного класса полупроводниковых приборов и многокристальных модулей.

Известно [4], что основными ключевыми операциями при формировании активных структур являются эпитаксия, диффузия и окисление. Реализация любой из этих операций требует высоких (> 1000°С) температур. Если считать ключевой операцией диффузию примесей, то здесь в зависимости от глубины залегания последней, требуются высокотемпературные (1050-1250°С) и долговременные (4-16 ч) воздействия на пористый слой. В этих условиях происходит полная транс-

формация пор, они защелкиваются, и пористый слой теряет свои уникальные свойства и свою привлекательность как материал для высоковольтных технологий.

Именно структурная неустойчивость пористого слоя является его уязвимым местом и до сих пор сдерживает использование этого уникального материала в технологии полупроводниковой электроники.

В настоящей работе с целью снижения температуры на первой стадии диффузии исследуется процесс формирования источника диффузии на основе слоя пористого кремния с использованием ВЧ плазмы.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовались пористые слои кремния толщиной 100 мкм с пористостью 25%, т.е. пористая область содержала 25% пустот, сформированных как в процессе плазмохимического анизотропного травления [5], так и в процессе электрохимического анодирования кремния в водно-спиртовом растворе плавиковой кислоты [6].

Внедрение мышьяка и фосфора в результате разложения их гидридов проводилось в модернизированной установке плазмохимического травления "Отелло-43".

В качестве источника мышьяка и фосфора использовались, соответственно, арсин (Л8И3) и фо-

N ат. см

г-з

10

19

10

18

10

16

(а) 1 -#

2

10

100

30

50 Р,

(ЛвН3, РН3)

, Па

300

500

Роб, Па

сфин (РН3) квалификации ОСЧ. Внедрение мышьяка и фосфора на первой стадии диффузии проводились в слои пористого кремния толщиной 100 мкм с пористостью 25% на кремниевых подложках КЭФ-20. Поры - колодцы диаметром 0.8 мкм с регулярной структурой формировались с шагом 2.0 мкм в плазме тройной смеси хладон-218-гек-сафторид серы (эле-газ)-кислород, выбранных в объемном соотношении 1 : 1 : 5, а поры с нерегулярной структурой диаметром >10 нм методом электрохимического анодирования.

Температура подложек контролировалась с помощью платино-родиевой термопары с точностью ± 0.1°С.

Концентрация мышьяка (Лб) и фосфора (Р) в слоях пористого кремния оценивалась с помощью рентгеноспектрального анализа с точностью ± 0.1%.

Поверхностное сопротивление слоев измерялось с использованием четырехзондового метода на установке ИУС-3 с погрешностью в 2.5%.

Перевод значения величины удельного электрического сопротивления в концентрацию Лб и Р осуществлялся по кривым Ирвинга [7].

Воспроизводимость результатов экспериментов оценивалась по критерию Кохрена при статической обработке данных с достоверной вероятностью 0.97.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

10

,21

1020

10

19

10

18

(б) f /

3 11

к / м /

4

/ 1

и

У

100

300

500

W, Вт

100

300

500

и-1

Тп, °с

Параметры слоев, полученные в процессе легирования пористого кремния мышьяком и фосфором при плазменном стимулировании, приведены на рис. 1-3 и в таблице. Рис. 1 показывает концентрацию мышьяка и фосфора в слое пористого кремния в зависимости от условий на первой стадии диффузии при плазменном стимулировании, таблица - распределение концентрации мышьяка по поверхности пластины диаметром 100 мм от центра к краю в зависимости от способа формирования пористого слоя, но при плазменном стимулировании, рис. 2 - объемную концентрацию мышьяка и фосфора в слое пористого и монокристаллического кремния, а рис. 3 - объемную концентрацию мышьяка в слое пористого кремния в зависимости от длительности различных методов первой стадии диффузии.

Рис. 1. Зависимость концентрации мышьяка и фосфора в слое пористого кремния от величины парциального давления гидрида (Аб^, РН3) (1), от величины общего давления потока газовой смеси (2), от величины подводимой ВЧ-мощности (3) и от температуры подложки (4). Знак 'V - мышьяк; знак в ^ - фосфор. Скорость откачки газовой смеси 600 дм3/мин. Знак "А" - мышьяк; знак в А - фосфор.

Регулярная структура пор обеспечивает постоянную толщину стенок, которая обеспечивает информацию по легированию пористого слоя, когда источник диффузии находится внутри пористого пространства. Это дает хорошую возможность получить качественную и количественную оценку залегированного пористого слоя, сформированного как в результате электрохимического анодирования кремния, так и в результате его плазмохимического травления.

На рис. 1 приведены зависимости концентрации мышьяка и фосфора от основных параметров технологического процесса, а именно, от величины парциального давления арсина и фосфина (кривая 7), от величины общего давления газовой смеси арсин-аргон, фосфин-аргон (кривая 2), от величины подводимой ВЧ мощности (кривая 3) и от температуры подложки (кривая 4).

Варьирование парциального давления арсина и фосфина в реакционной камере проводилось от 10 до 70 Па при общем давлении газовой смеси арсин-аргон, фосфин-аргон 450 Па. Максимальное внедрение мышьяка и фосфора в слой пористого кремния наблюдалось при величине подводимой ВЧ мощности 500 Вт и величине парциального давления гидрида 55 Па. Дальнейшее повышение парциального давления арсина и фосфина в реакционной камере не приводит к увеличению количества мышьяка и фосфора в слое пористого кремния, так как наступает насыщение ими пор до предела их растворимости в этом материале. По сути, в этом случае, изменение количества мышьяка и фосфора в пористом слое коррелирует с увеличением количества арсина и фосфина в реакционном пространстве. Повышение парциального давления арсина и фосфина с 10 Па до 45 Па приводит к увеличению количества мышьяка и фосфора на три порядка величины, т.е. с 1018 до 10 21 ат • см-3 (рис. 1а, кривая 7). Это позволяет сделать вывод, что на степень внедрения легирующей примеси в слой пористого кремния влияют химически ак-

N, ат см 3 1021ж=-

1019

1017

10-5 10-3 10-1 р, Ом см

Рис. 2. Соотношение между поверхностной концентрацией примеси и удельным сопротивлением монокристаллического (7) и слоя пористого кремния (2), залегированных мышьяком и фосфором соответственно при температуре подложки 1050°С и 500°С, но в ВЧ-плазме. Знак - мышьяк; знак "•" в ^ - фосфор.

тивные частицы, полученные в результате развала молекул арсина (AsH3) и фосфина (РН3).

Варьирование общего давления газовой смеси, арсин-аргон, от 100 Па до 700 Па при постоянном парциальном давлении арсина 45 Па, при величине подводимой ВЧ мощности 500 Вт и температуре подложки 500°С свидетельствует о не простом механизме влияния общего давления на степень

Распределение мышьяка в пористом слое кремния от центра пластины к краю после его внедрения при разложении арсина в ВЧ-плазме

Метод формирования пор Условия разложения арсина Концентрация мышьяка ат/см3 на расстояние от центра к краю пластины

Р 1 общ.' Па Р, А пар.' Па in, °С W, Вт 10 мм 20 мм 30 мм 40 мм 50 мм

Электрохимическое анодирование кремния 1 - длина пор 100 мкм й - диаметр пор > 10 нм Плазмохимическое анизотропное травление 1 - 100 мкм, й - 0.8 мкм, шаг между порами 2.0 мкм 450 450 55 55 200 200 500 500 3 х 1020 7 х 1020 9.8 х 1019 7 х 1020 5.2 х 1019 7 х 1020 1.6 х 1019 6.8 х 1020 8.8 х 1018 6.1 х 1020

N ат см

-3

200

г, ч

Рис. 3. Зависимость концентрации внедренного мышьяка в слой пористого кремния на глубину 100 мкм (1-3) от способа диффузии: 1 - процесс плазменностимулированной диффузии при общем давлении потока газовой смеси 450 Па и скорость откачки 600 дм3/мин; 2 - диффузия в закрытой ампуле; 3

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»