Основы технологии получения кремниевых структур с объемными элементами методом жидкофазной эпитаксии в поле температурного градиента

• Автор: Середин, Лев Михайлович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Литературный обзор и постановка задачи исследований
1Л. Обзор методов получения кремниевых структур
с объемными элементами
1.2. Обоснование выбора технологического метода
1.3. Анализ известных способов ЖЭГТ кремния
с использованием дискретных зон
1.4. Аппаратурное оформление способов ЖЭГТ
кремния на основе дискретных зон
1.5. Постановка задачи исследований
Выводы
2. Исследование и разработка способов
формирования дискретных зон в кремниевых подложках
2.1. Общие замечания
2.2. Исследование причин невоспроизводимого формирования
дискретных зон методом избирательного смачивания
2.3. Способ формирования дискретных зон избирательным
смачиванием подложки бинарными расплавами А1Ме
2.4. Способ формирования зон из тонкого вертикального
слоя раствора - расплава
2.5. Оптимизация обработки поверхности кремния
перед формированием дискретных зон
2.6. Обоснование применения предложенных способов
и технологические схемы их реализации
Выводы
3. Исследование основных закономерностей ЖЭГТ
кремния с использованием дискретных зон
3.1. Общие замечания
3.2. Исследование особенностей кинетики трехкомпонентных
дискретных зон на основе алюминия в кремнии
3.3. Исследования особенностей кинетики жидкофазной эпитаксии кремния из тонкого вертикального слоя раствора-расплава
3.4. Разработка и исследование способа стабилизации
траектории дискретных зон в кремнии
3.5. Особенности ЖЭГТ кремния с переменным
градиентом температуры
3.5.Г. Теоретические исследования миграции тонких зон
3.5.2. Особенности кинетики дискретных зон при ЖЭГТ
кремния с переменным градиентом температуры

3.6. Общие требования к технологическому процессу и
схемы операций ЖЭГТ кремния с дискретными зонами
Выводы
4. Разработка высокопроизводительного термического
оборудования для ЖЭГТ с дискретными зонами
4.1. Общие замечания
4.2. Разработка термического модуля для формирования дискретных зон на поверхности кремниевых подложек
4.3. Разработка термического модуля для
эпитаксиального наращивания
4.3.1. Конструкция шестипозициоиного нагревательного
устройства для миграции дискретных зон
4.3.2. Компьютерное моделирование теплового поля
резистивного излучателя тепла
4.3.3 Разработка нагревающего устройства для ЖЭГТ
цилиндрического типа с осевой симметрией
Выводы
5. Свойства локальных эпитаксиальных каналов, структур
с объемными элементами и приборов на их основе
5.1. Общие замечания
5.2. Экспериментальные исследования электрофизических свойств эпитаксиальных каналов и прилегающих
областей исходного кристалла
5.2.1. Кристаллическое совершенство структур
с объемными элементами
5.2.2 Исследование зависимости концентрации
легирующих примесей в эпитаксиальных каналах
от условий их формирования
5.3. Электрические свойства кремниевых структур
с объемными элементами и приборов на их основе
5.3.1. Структуры с разделительными р+ областями для
силовых полупроводниковых приборов на токи до 100 А
5.3.2. Структуры для солнечных батарей, работающих в условиях широких диапазонов освещенности и температуры
5.4. Перспективы применения разработанной технологии
для создания трехмерных БИС и силовых ИС
Выводы
Общие выводы
Список литературы
Приложения
Приложение
Приложение

Введение
Актуальность темы. В последние годы в полупроводниковой электронике выявлен ряд проблем, решение которых традиционными технологическими методами затруднено или невозможно по принципиальным соображениям. Эти проблемы, обусловленные, главным образом, использованием только приповерхностных областей исходной подложки, имеют место в технологических процессах изготовления как микроэлектронных схем (ИС), так и дискретных полупроводниковых приборов.
Так, неизбежным следствием планарной технологии получения ИС является использование более 96% полупроводникового материала в подложке лишь в качестве механического опорного слоя. Это приводит к недоиспользованию для полезных целей объема и тыльной поверхности подложки, к дополнительным трудностям в организации межэлементной разводки и к усложнению пространственной компоновки ИС, а также применению контактов, затеняющих часть фоточувствительных элементов и матриц полупроводниковых источников энергии.
Многие технологические проблемы создания и получения дискретных полупроводниковых приборов также были бы сняты или существенно ослаблены при наличии конкурентоспособного технологического метода, позволяющего создавать активные элементы в объеме кристалла. К таким приборам относятся стабилитроны и диоды различного назначения, стабис-торы, варикапы, кремниевые фотоэлектропреобразователи (ФЭП), тензо-датчики и датчики температуры, полевые транзисторы и др. При этом, наряду с новыми возможностями в конструировании этих приборов, формирование активных р-п переходов в областях кристалла, не затронутых механической обработкой и не подверженных влиянию различных поверхностных эффектов, позволило бы приблизить к теоретическим значения электрических параметров приборов, повысить их стойкость к воздействию различного рода внешних факторов.
Отмеченные выше проблемы могут быть в значительной степени преодолены при использовании в технологии получения базовых структур ИС и дискретных приборов метода жидкофазной эпитаксии в поле температурного градиента (ЖЭГТ) на основе зон линейной и точечной форм. Этот метод позволяет получать как многослойные структуры, так и структуры со встроенными в объем кристалла каналами цилиндрической, трубчатой и других форм. При использовании подходящих растворителей миграция жидких дискретных зон в кристалле осуществляется при сравнительно невысоких температурах (900-1200 °С) со скоростью 50-500 мкм/ч, направление движения зон в кристалле определяется градиентом температуры, концентрация вводимой в кристалл примеси регулируется в широких пределах составом и размером жидких зон.

ния самих работающих ламп и особенно их контактов.

Процесс ЖЭГТ проводят в вакууме порядка 10 Па. При этом удовлетворяются требования чистоты и достигается высокая воспроизводимость результатов. Вместе с тем, поскольку в данном случае отвод тепла от пластины осуществляется излучением, величина градиента температуры ограничена. По сравнению с вакуумом в газовой среде теплоотвод осуществляется более эффективно, что позволяет при тех же температурах достигать более высоких значений градиента температуру, а следовательно, ускорить процесс ЖЭГТ. В качестве газа используют гелий, водород, аргон [103].
Известны конструкции нагревателя, позволяющие проводить процесс ЖЭГТ на воздухе [119]. Причем процесс погружения дискретных зон в кристалл происходит на предыдущей стадии в инертной среде, исключающей выгорание или окисление жидкой зоны.
Таким образом, анализируя достоинства и недостатки известных конструкций нагревателей, можно сделать вывод о том, что основой для построения промышленных установок ЖЭГТ может послужить резистивный нагреватель цилиндрического типа. Однако при разработке оборудования для изготовления базовых структур с объемными элементами требуется поиск других подходов к конструированию термической аппаратуры ЖЭГТ, обеспечивающей воспроизводимое формирование и стабильную миграцию дискретных зон.
1.5 Постановка задачи исследования
Как уже отмечалось в обзоре литературы метод ЖЭГТ является перспективным методом формирования полупроводниковых структур с объемными эпитаксиальными областями. Это обусловлено, прежде всего, его преимуществами перед известными методами: рост областей происходит практически в изотермических условиях; имеется возможность управлять, как скоростями миграции жидких зон, так и их траекториями в объеме полупроводника; возможность получения практически неограниченной глубины внедрения примеси в кристалл; рост эпитаксиальных областей сопровождается их очисткой.
Успешное использование метода ЖЭГТ при получении структур с объемными элементами в настоящее время ограничено разрешающей способностью метода, в рамках которой наблюдается воспроизводимость процесса. К условиям, определяющим воспроизводимость формирования структур с объемными элементами, следует отнести те, которые обуславливают и сопровождают процессы получения и стабильной миграции более мелких жидких зон. Анализ существующих методик формирования алюминиевых зон на поверхности подложки на предмет повышения разрешающей спо-