Физико-технические основы технологии силовых кремниевых приборов с использованием метода термомиграции жидких зон Середин Борис Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Методы глубокого локального легирования кремния 19

1.1 Анализ возможностей методов глубокого легирования р-областей СПП

1.1.1 Локальное глубокое легирование в структурах СПП

1.1.2 Сравнительный анализ возможностей создания р-слоев в структурах СПП

1.1.3 Создание разделительных р-каналов в структурах СПП

1.2 Метод ТМ и степень его разработанности для использования в промышленной технологии СПП

1.2.1 Выявление технологических факторов, сопровождающих термомиграцию расплава

1.2.2 Выбор металла для локального легирования кремния акцепторной примесью методом ТМ

1.2.3 Методики получения плоских кремниевых р-слоев

1.2.4 Варианты реализации метода ТМ для создания разделительных р-каналов

1.2.5 Методики обеспечения планарности тыльной поверхности кремниевой пластины после термомиграции

1.2.6 Термическое оборудование для термомиграции жидких зон в кремнии

1.3 Опыт промышленного освоения метода ТМ и постановка задач

исследования Выводы

ГЛАВА 2 Разработка методик формирования жидких зон

2.1 Общие замечания

2.2 Выявление требований к используемым материалам 91

2.3 Причины невоспроизводимого формирования плоских жидких зон 103

2.4 Выявление технологических ограничений процесса формирования дискретных зон избирательным смачиванием 116

2.5 Разработка методик формирования плоских зон

2.5.1 Использование добавок в расплав алюминия 126

2.5.2 Использование пористого кремния 130

2.5.3 Использование микропрофилирования поверхности кремния 137

2.6 Обоснование применения методик формирования жидких зон и

технологические схемы их реализации 145

Выводы 151

ГЛАВА 3 Кинетика и стабильность миграции жидких зон 153

3.1 Общие замечания 153

3.2 Исследование кинетики и стабильности миграции расплава Al-Si с добавками третьего компонента 154

3.3 Особенности кинетики и стабильности миграции плоских зон в условиях макровозмущений межфазных границ 163

3.4 Исследование стадии выхода жидкой зоны расплава на тыльную поверхность пластины 170

3.5 Технологическая схема процесса создания р-областей для СПП 174 методом ТМ

Выводы 177

ГЛАВА 4 Термическое оборудование для термомиграции 179

4.1 Общие замечания 179

4.2 Оборудование для формирования плоских жидких зон 180

4.3 Оборудование для формирования дискретных жидких зон 185 4.3 Оборудование для проведения процессов термомиграции зон 194 Выводы 213 ГЛАВА 5 СВОЙСТВА ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ СЛОЕВ,

ОБЛАСТЕЙ, СТРУКТУР И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ 214

5.1. Общие замечания 214

5.2 Кристаллическое совершенство перекристаллизованного кремния 215

5.3 Электрофизические характеристики перекристаллизованных р- областей 223

5.4. Электрические свойства структур и СПП на их основе 235

5.4.1. Кремниевые СПП, содержащие перекристаллизованных р-слои 235

5.4.2. Кремниевые СПП, содержащие р-каналы 245

• Метод ТМ и степень его разработанности для использования в промышленной технологии СПП
• Причины невоспроизводимого формирования плоских жидких зон
• Исследование кинетики и стабильности миграции расплава Al-Si с добавками третьего компонента
• Электрофизические характеристики перекристаллизованных р- областей

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Прогресс в создании новых типов и совершенствовании выпускаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП) определяется возможностями технологических процессов. Для реализации большинства кремниевых СПП необходим технологический метод, способный создавать значительные по глубине залегания и различные по планарной геометрии р-области в виде слоев и каналов.

Наиболее широко для создания легированных областей в СПП используется диффузионный метод. Этот метод является универсальным и хорошо изученным. Метод позволяет воспроизводимо проводить легирование кристалла практически любой примесью. При использовании пластин кремния больших диаметров и, соответственно, толщин ряд диффузионных операций становится неприемлемо длительным и высокотемпературным. Складывается ситуация, когда дальнейшее развитие диффузионного метода в технологии СПП практически исчерпано.

Высокими потенциальными возможностями для оптимизации характеристик СПП обладает локальное легирование кристаллов методом термомиграции¹ жидких зон (ТМ) в кремнии. Применяя жидкие зоны различной формы и состава, движущиеся в направлении градиента температуры, можно при сочетании с другими операциями полупроводниковой технологии получать в объеме кристалла легированные области необходимой глубины и конфигурации. Важно отметить, что возможности метода ТМ при решении таких задач намного превосходят возможности диффузионной технологии.

Известно большое число публикаций, посвященных теории процесса термомиграции и ее различным применениям, включая аппаратурное оформление метода, которые систематизированы в монографии [1]. Известны также неоднократные попытки использования метода ТМ в полупроводниковой технологии. При этом зачастую были использованы оборудование, предназначенное для других целей полупроводниковой технологии, и методики получения методом ТМ конкретных приборов, адаптированные к особенностям этого оборудования. Развить метод ТМ до уровня универсальной эффективной промышленной технологии пока не удалось. Широкое применение метода ТМ в промышленности сдерживают: отсутствие высокопроизводительных и воспроизводимых методик формирования дискретных и плоских жидких зон, особенности термомиграции при использовании пластин большого диаметра и техническая сложность создания плоскооднородного поля температурного градиента. Для решения этих задач необходимы дополнительные исследования метода ТМ, статистические наработки и новые конструкции нестандартного термического оборудования.

В диссертационной работе приводятся результаты системных исследований тех закономерностей процесса термомиграции, которые необходимы для создания эффективной технологии и оборудования для производства структур кремниевой силовой электроники.

Степень разработанности темы исследования

Идея применить эффект термомиграции для локального легирования полупроводниковых кристаллов принадлежат В.Д. Пфанну (W.G. Pfann), которым описана принципиальная возможность получения методом ТМ р-n–переходов различной конфигурации. Закономерности термомиграции, влияние различных условий на процесс миграции и перераспределение примесей в кристалле при термомиграции исследовались многими авторами, среди которых наиболее значимы для теории термомиграции работы В.А. Тиллера (W.A. Tiller); Т. Д. Херла (T.J. Hurle); Т.Р. Антони (T.R. Anthony), Х.Е. Клайна (H.E. Cline); Л.В. Гегузина; В.Н. Лозовского, Л.С. Лунина и В.П. Попова.

На ряду с формированием теории термомиграции достаточно интенсивно проводилась разработка методик легирования различных полупроводниковых структур. Первый опыт отечественного промышленного применения метода ТМ появился в конце 60-х годов прошлого сто-

¹ Этот метод в литературе получил также и другие названия: метод зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ), метод движущегося растворителя (ДР), Temperature-gradient zone melting(TGZM)

летия (НИИ «Сапфир», г. Москва). В 1979 - 1983 годы метод ТМ был использован в промышленном изготовлении кремниевых низковольтных прецизионных термокомпенсированных стабилитронов в НПО «Союз» и на заводе полупроводниковых приборов (г. Новосибирск), а в 1989 - 1992 годы - для создания высоковольтных фотоэлектрических преобразователей в НПК «Сатурн» (г. Краснодар). Наибольшее количество патентов и авторских свидетельствах в рассматриваемой области принадлежит сотрудникам фирмы General Electric Company и Новочеркасского политехнического института (НПИ)¹.

Автор диссертации участвовал во внедрении в производство технологических процессов, основанных на методе ТМ, в 1989 - 1992 годы в НПК «Сатурн» при создании кремниевых стабилитронов повышенной мощности для высоковольтных фотопреобразователей, в 1988 -

1. годы в ЗПО «Преобразователь»² (г. Запорожье) в производстве силовых диодов и тиристоров на токи до 100 А, в 2016 году в АО «Воронежский завод полупроводниковых приборов -Микрон» при получении структур диодов прямой полярности на токи до 100 А и в 2015-

2. годы НПФ «Экситон» (г. Ставрополь) для создания силовых сварочных диодов.

Цель и задачи

Целью настоящей диссертации является разработка физико-технических основ технологии эффективных кремниевых СПП, содержащих различные по конфигурации р-области в виде плоских слоев и сквозных каналов в п-кремнии, с использованием метода ТМ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-провести системный анализ физических особенностей и сравнительных возможностей термомиграционного и диффузионного локального легирования кремния и выявить условия предпочтительного применения метода ТМ в производстве СПП;

-проанализировать влияние факторов, определяющих и сопровождающих термомиграцию жидких зон при создании р-областей СПП;

-разработать методики формирования жидких зон необходимого состава и конфигурации, а также вывода жидких зон на тыльную поверхность;

- исследовать кинетику и стабильность процесса термомиграции жидких зон различного состава и конфигурации, использующихся при создании р-областей СПП;

-разработать термическое оборудование для реализации метода ТМ при создании СПП;

-исследовать процессы дефектообразования в объеме перекристаллизованных р-областей, на их границах и на поверхности кремния;

-исследовать распределение вводимых и фоновых примесей в перекристаллизованных р-областях и кристаллической матрице вдоль траектории движения зон;

-исследовать электрофизические свойства термомиграционно легированных р-областей, р-п переходов на их границах и характеристик СПП, выполненных на основе этих областей.

Научная новизна

1. Расширены представления о физике процессов, определяющих и сопровождающих термомиграцию в кремнии жидких алюминий-содержащих зон различной конфигурации и разработаны научные основы технологии создания эффективных силовых кремниевых приборов с использованием метода термомиграции.

2. Установлено, что процесс термомиграции жидких зон на основе алюминия стабилен, если состав и форма зон при их погружении в кремний равновесны. Для достижения равновесности дискретных зон необходимо использовать избирательное смачивание кремниевой пластины алюминием через вскрытые окна в слое диоксида кремния и капиллярное втягивание насыщенного по кремнию расплава алюминия - при формировании плоских зон.

3. Обнаружено, что процесс формирования дискретных зон смачиванием избирательно окисленных кремниевых пластин может сопровождаться образованием четырех типов характерных дефектов: образование микрозон на поверхности кремниевых пластин; отклонение ширины и толщины зон от заданных; разрывы жидких зон; налипание расплава на маскирующее покры-

Ныне Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова Ныне ООО "Элемент-Преобразователь"

тие. Найдены взаимосвязи процессов дефектообразования с параметрами микрорельефа поверхности кремниевых пластин, температурой процесса образования зон, скоростью движения расплава, высотой расплава в тигле. Выявлены оптимальные значения указанных параметров, гарантированно снижающие суммарное относительное количество дефектов всех типов до 5%.

4. Впервые обнаружен эффект деформации и фрагментации плоских зон расплава, возникающий при капиллярном заполнения расплавом зазора между кремниевыми пластинами диаметром выше ~ 40 мм. Предложена модель процесса капиллярного формирования плоских жидких зон, на основании которой сформулированы подходы по устранению выявленных ограничений.

5. Установлено, что использование выступов, размещенных равномерно внутри кремниевого плоского зазора, устраняет его деформацию, однако может приводить к образованию дефектов кристаллической структуры кремниевой пластины в точках касания с ней выступов. Определены параметры макрорельефа пластины: форма, размеры и шаг чередования выступов, при которых исключается внесение механических нарушений в кремниевые пластины. Разработана методика формирования плоских зон, исключающая деформацию зазора и образование указанных дефектов. Наложение от 4 до 16 тепловых импульсов при температуре формирования зон в диапазоне 900 - 1050С амплитудой 50 - 100С способствует повышению стабильности дальнейшей миграции зоны и планарности металлургической границы плоского р-п -перехода.

6. Впервые обнаружен и исследован эффект снижения деформации слоя расплава в процессе капиллярного формирования плоских зон и уменьшения относительного количества дефектов избирательного смачивания при добавлении в расплав алюминия добавок Ga или Sn от 0,5 до 1,0 % (масс). Разработана методика формирования жидких зон с использованием добавок Ga или Sn, способствующая стабильности его последующей термомиграции.

7. Выявлены температурные, временные и концентрационные границы стабильной миграции расплава Al-Ga и Al-Sn в кремнии. Показано, что в трехкомпонентном расплаве отсутствуют химические соединения, что упрощает использование метода ТМ на основе этих зон. Установлено, что введение в жидкую фазу Ga или Sn позволяет расширить диапазон концентрации акцепторов при легировании методом ТМ до значений, превышающих диапазон легирования той же примесью методом диффузии, причем в этом случае скорость легирования методом ТМ на несколько порядков превышает скорость легирования диффузией во всем диапазоне изменений состава жидкой зоны.

8. Экспериментально обнаружен и изучен предсказанный теоретически эффект индуцированной нестабильности плоских зон, толщина которых меньше некоторого критического значения, что связано с переносом спонтанно возникающего локального динамического возмущения нестабильной межфазной границы на противоположную область границы и образованием разрыва сплошности зоны. Продемонстрирована возможность использования обнаруженного эффекта для получения методом ТМ пригодных для силовой электроники упорядоченной системы п-каналов в кремнии р-типа.

9. Впервые выявлен эффект блокирования растекания жидких зон при их выходе на тыльную поверхность кремневой пластины защитной пленкой. Обоснован подход использования этого эффекта в обеспечении планарности тыльной поверхности кремниевой пластины и разработаны методики сохранении ее кристаллического совершенства.

10. Рентгенографическими исследованиями выявлено увеличение параметра кристаллической решетки в перекристаллизованных р-областях с ростом температуры процесса. Установлено, что плотность дислокаций в термомиграционно легированных р-областях на один -два порядка ниже, чем в исходной пластине.

11. Установлены высокая степень однородности термомиграционного легирования и эффект зонной очистки р-области от фоновых примесей, позволяющий регулировать концентрацию примеси в р-области от значений ниже фоновых, которого невозможно добиться методом диффузии. Показано, что однородное легирование жидкой зоной кремниевых р-областей в виде слоев и каналов позволяет создавать СПП с низким значением прямого напряжения, высокой запирающей способностью и повышенной радиационной стойкостью.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость проведенных взаимосвязанных экспериментальных и теоретических исследований всех стадий процесса термомиграции жидких алюминий-содержащих зон в кремнии заключается в том, что в результате их выполнения решена научная проблема разработки физико-технических основ технологии создания с использованием метода термомиграции кремниевых силовых приборов с низким значением прямого напряжения, высокой запирающей способностью и повышенной радиационной стойкостью.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что: выявлены технологически значимые факторы, определяющие и сопровождающие метод ТМ при создании р-областей структур для силовых кремниевых приборов; разработаны оригинальные способы проведения процесса термомиграции жидких зон различной формы, обеспечивающие высокое качество перекристаллизованных р-областей; на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса термомиграции установлены оптимальные режимы термомиграции жидких зон при создании р-областей структур СПП; предложены, изготовлены и испытаны конструкции термического оборудования для формирования дискретных и плоских зон; разработаны компьютерные программы, позволяющие провести экспериментальную оптимизацию конструкций нагревательных элементов установок для проведения термомиграции и обеспечить получение однородного в плоскости обрабатываемых пластин градиентного поля; доказано, что, в отличие от широко используемого диффузионного метода глубокого (более 10 мкм) легирования кремния, метод ТМ жидких зон на основе алюминия позволяет создавать за существенно меньшую длительность (несколько порядков ) при низкой (на 50 – 200 С ниже) температуре в п-кремнии кристаллически совершенные, однородно легированные акцепторной примесью, очищенные от исходных примесей р-области необходимой для структур СПП конфигурации в виде плоских слоев и сквозных каналов; выполненные исследования и разработки реализованы в технологических процессах создания: сквозных p-областей и анодных р-п-переходов диодных, тиристорных и симисторных структур СПП на токи до 100 А в серийном производстве в ООО «Элемент-Преобразователь» (г. Запорожье); сквозных р-областей при производстве структур диодов прямой полярности на токи до 100 А в АО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж); кремниевых п-р⁺-структур для силовых диодов в ООО НПФ «Экситон» (г. Ставрополь).

Результаты диссертационной работы используются при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлению подготовки «Электроника и наноэлектроника» на кафедре физики и электроники ЮРГПУ(НПИ).

Результаты настоящих исследований представляют практический интерес для АО «ВЗПП-С» и АО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж), ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск), АО «Оптрон-Ставрополь», ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград), ЗАО «Группа Кремний Эл», (г. Брянск), ПАО «НЭВЗ-Союз» (г. Новосибирск), «Семикрон», (г. Санкт-Петербург), «Протон-Электротекс» (г. Орел), АО НПП «Радий», ФТИ имени А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург), Южного научного центра Российской академии наук (г. Ростов на Дону), ООО НПФ «Экситон» (г. Ставрополь) и других предприятий, специализирующихся на выпуске кремниевых структур силовой электроники.

Методология и методы исследования

Решение поставленных в работе задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Для исследований процессов формирования жидких зон и стабильности их термомиграции в кристалле и определения конфигурации теплового поля в термическом узле применялось численное моделирование рассматриваемых процессов. При выполнении экспериментальных исследований использовался металлографический анализ перекристаллизованных областей кремния с использованием оптической, электронной, просвечивающей, атомно-силовой микроскопий, рентгеновской дифрактометрии и топографии, дифференциального термического анализа, вторичной ионной масс-спектрометрии. Для определения качества выращенных методом ТМ слоев и каналов, р-п-переходов и СПП на их основе применены электрофизические методы исследования и современное оборудование.

Положения, выносимые на защиту

1. Погружение жидких зон в кристалл и их дальнейшая термомиграция происходит стабильно, если состав и форма жидких зон до старта термомиграции являются равновесными, что достигается применением избирательного смачивания расплавом металлов вскрытых окон в слое БіОг на кремниевых пластинах при формировании дискретных зон и капиллярным втягиванием насыщенного по кремнию расплава - плоских зон.

2. Равновесность дискретных жидких зон обеспечивается при избирательном смачивании использованием специального формирователя и оптимизацией параметров микрорельефа поверхности кремниевых пластин, температуры процесса, скорости движения формирователя, высотой расплава в тигле, что минимизирует количество всех дефектов, возникающих на старте термомиграции.

3. При капиллярном формировании плоских жидких зон на пластинах кремния диаметром, выше ~ 40 мм, возникает эффект деформации с возможной фрагментацией слоя расплава и прогиба пластин, для устранения которого необходимо модифицировать свойства расплава и изменить схему капилляра.

4. Введение добавок галлия или олова в алюминий с массовой концентрацией от 0,5 до 1,0 % способствует уменьшению количества дефектов формирования дискретных жидких зон избирательным смачиванием кремния, устранению прогиба кремниевых пластин при капиллярном формировании плоских жидких зон и улучшению стабильности их термомиграции.

5. Для обеспечения стабильной миграции жидких зон на основе алюминия необходимы температура, превышающая пороговое значение, или кратковременный перегрев композиции до процесса термомиграции на 150 С, при этом пороговая температура начала термомиграции монотонно возрастает с увеличением концентрации третьего компонента в зоне от 940 до 1100 С и от 940 до 1050 С соответственно для галлий- и оловосодержащих систем. В системах Si-Al-Ga и Si-Al-Sn отсутствуют химические соединения, что упрощает использование метода ТМ на основе этих зон для расширения диапазона легирования кремния р-областей для СПП.

6. Эффект индуцированной нестабильности миграции зоны, впервые экспериментально выявленный при миграции кремний-алюминиевой плоской зоны, толщина которой меньше некоторого критического значения, приводит к нарушениям сплошности плоской зоны. Эффект может быть использован для создания упорядоченной системы п-каналов в перекристаллизованном кремнии р-типа, пригодных в конструировании СПП.

7. Сохранение планарности поверхности перекристаллизованного кремния и прилегающих в нему областей обеспечивается блокированием миграции расплава на основе алюминия путем предварительного нанесения на тыльную сторону кремниевой пластины защитной пленки тугоплавкого материала или фоторезиста.

Степень достоверности

Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью постановки задачи, не противоречащей известным теоретическим представлениям; результатами экспериментальных исследований и апробацией в опубликованных статьях, а также выступлениями на международных и отечественных конференциях; согласованностью с результатами исследований других авторов, общенаучными основами термомиграции жидких зон; использованием современных методов и оборудования для экспериментальных исследований; эффективностью технологии, основанной на результатах исследований и разработок автора, и использованием ее промышленными предприятиями.

Апробация результатов

Основные результаты диссертации неоднократно обсуждались на совместных научных семинарах лаборатории микроэлектроники и кафедры физики ЮРГПУ(НПИ). Результаты диссертационных исследований докладывались на научно-практических конференциях: III Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления развития конструирования, технологии и исследования силовых полупроводниковых приборов» (г. Москва, 1991); Российской

научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 1994); международной научно-технической конференции «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (г. Егорьевск, 1995); I – V Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1994 – 1998); VII – IX международной научной конференции института химии растворов РАН «Кристаллизация как форма самоорганизации вещества» (г. Иваново, 2012, 2014, 2016); XI международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериа-лы, нанотехнологии» (г. Ставрополь, 2012); конференции «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ-2014)» (г. Санкт-Петербург); XIV научно-технической конференции «Твердотельная электроника. сложные функциональные блоки РЭА» (г. Москва, 2015); XIII российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2015); 18-й Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-2015» (г. Лыткарино, 2015); «Materials Engineering and Technologies for Production and Processing» International Conference on Industrial Engineering (ICIE – 2015, ICIE – 2017); 8 международном научном семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных и актуальные проблемы рентгеновской оптики» (г. Великий Новгород, 2016); Первом Российском кристаллографическом конгрессе (г. Москва, 2016); 8-ой международной научно-технической конференции « Мок-еровские чтения» (г. Москва, 2017).

Публикации

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 77 работах (7 работ индексировано в Scopus и Web of Science), из них: 25 статей в научных рецензируемых изданиях рекомендованного перечня ВАК, 1 патент на полезную модель и 8 авторских свидетельств на изобретения, 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 монография, 36 работ в научно-технических изданиях.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы. Изложена на 296 страницах машинописного текста. Содержит 133 рисунков и 15 таблиц. Список литературы представлен 183 источниками. Список авторских публикаций (А1 – А77) представлен в заключении диссертации.

Метод ТМ и степень его разработанности для использования в промышленной технологии СПП

Научная значимость проведенных взаимосвязанных экспериментальных и теоретических исследований всех стадий процесса термомиграции жидких алюминий-содержащих зон в кремнии заключается в том, что в результате их выполнения решена научная проблема разработки физико-технических основ технологии создания с использованием метода термомиграции кремниевых силовых приборов с низким значением прямого напряжения, высокой запирающей способностью и повышенной радиационной стойкостью.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что: выявлены технологически значимые факторы, определяющие и сопровождающие метод ТМ при создании р-областей структур для силовых кремниевых приборов; разработаны оригинальные способы проведения процесса термомиграции жидких зон различной формы, обеспечивающие высокое качество перекристаллизованных р-областей; на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса термомиграции установлены оптимальные режимы термомиграции жидких зон при создании р-областей структур СПП; предложены, изготовлены и испытаны конструкции термического оборудования для формирования дискретных и плоских зон; разработаны компьютерные программы, позволяющие провести экспериментальную оптимизацию конструкций нагревательных элементов установок для проведения термомиграции и обеспечить получение однородного в плоскости обрабатываемых пластин градиентного поля; доказано, что, в отличие от широко используемого диффузионного метода глубокого (более 10 мкм) легирования кремния, метод ТМ жидких зон на основе алюминия позволяет создавать за меньшую длительность (несколько порядков) при низкой (на 50 – 200 ниже) температуре в п-кремнии кристаллически совершенные, однородно легированные акцепторной примесью, очищенные от исходных примесей р-области необходимой для структур СПП конфигурации в виде плоских слоев и сквозных каналов; выполненные исследования и разработки реализованы в технологических процессах создания: сквозных p-областей и анодных р-п–переходов диодных, тиристорных и симисторных структур СПП на токи до 100 А в серийном производстве в ООО «Элемент-Преобразователь» (г. Запорожье); сквозных р-областей при производстве структур диодов прямой полярности на токи до 100 А в АО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж); кремниевых пр+-структур для силовых диодов в ООО НПФ «Экситон» (г. Ставрополь).

Результаты диссертационной работы используются при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлению подготовки «Электроника и наноэлектроника» на кафедре физики и электроники ЮРГПУ(НПИ).

Результаты настоящих исследований представляют практический интерес для АО «ВЗПП-С» (г. Воронеж), ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск), АО «Оптрон-Ставрополь», ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград), ЗАО «Группа Кремний Эл», (г. Брянск), ПАО «НЭВЗ-Союз» (г. Новосибирск), «Семикрон», (г. Санкт-Петербург), «Протон-Электротекс» (г. Орел), АО НПП «Радий», ФТИ имени А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург), Южного научного центра Российской академии наук (г. Ростов на Дону) и других предприятий, связанных с производством СПП.

Методология и методы исследования

Решение поставленных в работе задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Для исследований процессов формирования жидких зон, стабильности их термомиграции в кристалле и определения конфигурации теплового поля в термическом узле применялось численное моделирование рассматриваемых процессов. При выполнении экспериментальных исследований использовались: металлографический анализ перекристаллизованных областей кремния с применением оптической-, электронной-, просвечивающей-, атомно-силовой микроскопии; рентгеновские дифрактометрия и топография; дифференциальный термический анализ, вторичная ионная масс-спектрометрия. Для определения качества выращенных методом ТМ слоев и каналов, р-п-переходов и СПП на их основе применены электрофизические методы исследования и современное оборудование.

Положения, выносимые на защиту

1. Погружение жидких зон в кристалл и их дальнейшая термомиграция происходит стабильно, если состав и форма жидких зон до старта термомиграции являются равновесными, что достигается применением избирательного смачивания расплавом металлов вскрытых окон в слое SiCh на кремниевых пластинах при формировании дискретных зон и капиллярным втягиванием насыщенного по кремнию расплава - плоских зон.

2. Равновесность дискретных жидких зон обеспечивается при избирательном смачивании использованием специального формирователя и оптимизацией: параметров микрорельефа поверхности кремниевых пластин, температуры процесса, скорости движения формирователя, высоты расплава в тигле, что минимизирует количество всех дефектов, возникающих на старте термомиграции.

3. При капиллярном формировании плоских жидких зон на пластинах кремния диаметром, выше 40 мм, возникает эффект деформации с возможной фрагментацией слоя расплава и прогиба пластин, для устранения которого необходимо модифицировать свойства расплава и изменить схему капилляра.

4. Введение добавок галлия или олова в алюминий с массовой концентрацией от 0,5 до 1,0 % способствует уменьшению количества дефектов избирательного смачивания кремния расплавом, устранению прогиба кремниевых пластин при капиллярном формировании плоских зон и улучшению стабильности термомиграции.

5. Для обеспечения стабильной миграции жидких зон на основе алюминия необходимы температура, превышающая пороговое значение, или кратковременный перегрев композиции до процесса термомиграции на 150 . Пороговая температура начала термомиграции монотонно возрастает с увеличением концентрации третьего компонента в зоне от 940 до 1100 и от 940 до 1050 соответственно для галлий- и оловосодержащих систем. В жидких зонах Si-Al-Ga и Si-Al-Sn отсутствуют химические соединения, что упрощает использование метода ТМ на основе этих зон для расширения диапазона легирования кремния р-областей для СПП.

Причины невоспроизводимого формирования плоских жидких зон

Для получения легированных слоев в структурах СПП используются три метода полупроводниковой технологии: диффузия, ионная имплантация и ростовой метод.

Диффузионный метод локального легирования основан на эффекте диффузии примеси в подготовленную полупроводниковую пластину [3 – 5; 37]. В основе метода лежит единственный процесс – тепловое хаотическое движение частиц вещества. Поток диффундирующих атомов в кристалл в соответствие с первым законом Фика определяется только градиентом их концентрации и фактором подвижности (коэффициентом диффузии). Другие факторы (например, природа и состояние кристалла, особенности примесного атома, температура, методы дополнительной нетемпературной активации и т.д.) влияют на скорость диффузии, изменяя коэффициент диффузии [5]. Оптимизация технологии получения полупроводниковых приборных структур, основанная на использовании диффузии примесных атомов в кристалл, не обременена принципиальными трудностями. Метод доминирует в полупроводниковой технологии СПП.

Ионная имплантация [5; 7 – 9; 38], основанная на бомбардировке кристалла полупроводника примесными ионами, позволяет легировать кристалл строго дозированным количеством примесных атомов на небольшую глубину. Метод ионной имплантации имеет достаточно широкое распространение в технологии ИМС. Интенсивно развивается этот метод в силовой электронике. В основном ионная имплантация используется как дополняющий метод диффузии, посредством которого реализуется загонка примеси для последующей ее диффузионной разгонки до необходимой глубины залегания р-п перехода.

Конкурентом диффузионному методу локального легирования является ростовой. Толчком к его развитию в технологии получения СПП послужило требование улучшения характеристик приборов в части оптимизации геометрических и электрофизических параметров областей структуры приборов (см.1.1.1). Основное преимущество ростового метода перед диффузионным состоит в более широких возможностях прецизионного регулирования профиля распределения примеси в структуре прибора. Ростовой метод может быть реализован в высоком вакууме [39], с применением газовой [40] и жидкой фаз [41]. Производительность вариантов ростового метода различна. Наибольшей скоростью роста и ее управляемостью обладает метод ТМ жидких зон [18].

Технологические возможности диффузионного и ростового методов создания слоистых структур СПП могут быть проиллюстрированы примером [42] получения диодов на невысокие (порядка 1 кВ) значения пробивного напряжения 1/ът. Учитывая выражение (1.1), легко видеть, что для реализации таких /ы требуются малые значения Wn (порядка 50 мкм). Используя кремниевую пластину толщиной w (см. рисунок 1.2) и, зная толщину Wn+ (как правило, фиксированное значение), можно определить глубину залегания р-п перехода: W =Wl-W -W (13) р+ Si п п+

Из (1.3) следует, что для создания слоистых структур с невысоким значением Ubr и низким прямым падением напряжения UFб (см. выражение (1.2)) требуются большие глубины у}залегания р/–эмиттера. На рисунке 1.3 приведены профили распределения примеси таких структур, полученной методами диффузии (Д-структура) и термомиграции (ТМ-структура). Видно, что, имея одинаковую толщину Wn высокоомной и-базы -«-перехода, профили распределения примесей по глубине у структуры существенно различаются. Для эмиттера Д-структуры имеет место монотонное снижение концентрации легирующей примеси вглубь структуры, а для ТМ-структуры легирование эмиттера однородно. Важно также отметить, что для метода диффузии существует технологически целесообразный предел глубины залегания эмиттерного перехода. Так, для формирования уд 190 мкм одновременной диффузией бора и алюминия при температуре 1200 оС необходим отжиг в течении 150 часов (см. рисунок 1.3, кривая 1). В этом случае учтено, что поверхностные концентрации бора и фосфора в эмиттерных слоях равны Са= Cd = Ю20 см"3, алюминия, соответственно, - Q/= Ю19 см"3, уровень легирования фосфором базового слоя, обеспечивающий иЬъ составляет

4,5-1014 см"3 , а глубина залегания п+-эмиттера равна стандартному значению 20 мкм. Профиль распределения примеси в ТМ-структуре строился исходя из использования при термомиграции плоской жидкой зоны на основе А1 при температуре 1150 С. При этом (см. рисунок 1.3 кривая 2) скорость термомиграции зоны принималась равной 400 мкм в час. Диффузионное размытие алюминия за время создания /?+-слоя и и+-слоя (диффузии фосфора) составляло 20 мкм.

Рисунок 1.4 - Профили [42] распределения примесей в диодных Д - и ТМ -структурах; индекс 1 - Д-структура, а 2 - ТМ-структура; диаметр кремния 100 мм, толщина {а –а) структуры равна 525 мкм Переход к пластинам крупных размеров изменяет профиль распределения в структуре (см. рисунок 1.4). Вследствие ограничений процесса диффузии толщина слоя Wn1 диффузионной структуры становится выше расчетного значения (Wn1 Wn2). Видно, что она отличается от реализуемой в термомиграционной структуре. В этом случае, вследствие использования двух пластин и механической обработки вспомогательной, удается реализовать p-n–переход в более толстой пластине на большей глубине yj2. При этом Wn2 остается равной расчетной (см.рисунок 1.3, кривая 2 и рисунок 1.4 кривая 2).

На рисунках 1.5 и 1.6 приведены расчетные ВАХ структур, имеющих рассмотренные выше профили распределения примеси. Прямые ветки ВАХ получены путем расчетом с помощью программы ЭВМ «Исследование»1 [43], построенной на основании численный модели СПП [44], в которой, в отличие от других известных программых пакетов (DESSIS, ATLAS, MEDICI), учтен процесс электронно-дырочного рассеяния [30].

Рисунок 1.5 - Прямые ветви ВАХ [42] для термомиграционной (кривая 1) и диффузионной структур (кривая 2); диаметр кремния 51 мм; время жизни неосновных носителей заряда (т) составляет 10 мкс

На рисунке 1.5 видно, что при одинаковых значениях Ubr диффузионная структура (кривая 2) показывает большие значения напряжения при прямом автор благодарит Мнацаканова Т.Т и Юркова С.Н. за возможность использования программы протекании тока, чем термомиграционная структура (кривая 1). Например, при рабочей плотности прямого тока 100 А/см2 значение прямого напряжения для диффузионной структуры на 7 % бльше. При увеличении плотности прямого тока преимущество термомиграционной сохраняется.

Прямые ветви ВАХ [42] для термомиграционных (кривая 1) и диффузионных структур (кривые 2-4). Диаметр кремния 100 мм; время жизни неосновных носителей заряда (т): 1, 4 -х = 10 мкс; 2 -х = 30 мкс; 3 - х = 20 мкс

Приведенные характеристики относятся к случаю, наиболее благоприятному при диффузионной реализации струтуры, когда толщина пластины кремния равна 275 мкм. При использовании пластин толщиной 525 мкм зависимости прямого падения напряжения имеют другой вид (см. рисунок 1.6, кривые 1 и 4 соответственно). Видно, что прямое падение напряжения у диффузионной структуры завышено. Например, при плотности прямого тока 100 А/см2 оно больше, чем на 30 %. Зависимостями 2, 3, 4 показано, что прием компенсации увеличения толщины Wn за счет использования при получении структур более высококачественного кремния уменьшает UFб В условиях перехода полупроводниковой технологии на пластины больших диаметров глубокое локальное легирование для получения слоистых структур с невысоким пробивным напряжением (тонкой базой) диффузионным методом исчерпывает свои возможности. При этом общеизвестные недостатки диффузии (высокая температура, большая длительность процесса, неоднородность свойств по глубине легирования) усугубляются технологической нецелесообразностью дальнейшего увеличения глубины легирования уm ax\ Метод локального легирования, основанный эффекте термомиграции, не имеет принципиальных ограничений по диаметру используемых подложек и позволяет существенно снижать прямое падение напряжение в базовой части структур без предъявления повышенных требований к т. Вместе тем, эффективность использования метода ТМ по сравнению с диффузионным при получения энергосберегающих СПП зависит от Ubv структуры, на которое она рассчитывается. Разность /SW между фактической толщиной W0 n базы структуры при условии Wp+ = уm ax, полученной по (1.3), и расчетной W , вычисленной из (1.2): AW =W0 -W (1.4) п п п определяет технологический критерий целесообразности применения диффузионной технологии или термомиграционной при использовании крупных пластин. При увеличении Ubr толщина /SW будет уменьшаться, поэтому эффективность термомиграционного легирования будет снижаться.

Представляет интерес анализ технологических возможностей выявленного в настоящем разделе эффективного применения метода ТМ применительно к получению слоистых структур СПП и определение технологических ограничений метода. Это анализ проведен разделе 1.2.

Исследование кинетики и стабильности миграции расплава Al-Si с добавками третьего компонента

В процессе избирательного смачивания предполагается использование маскирующего покрытия, предотвращающего контакт расплава с кремнием вне заданных областей. В полупроводниковой технологии наиболее отработаны процессы получения маскирующих покрытий на основе пленок диоксида, нитрида и карбида кремния [7; 9]. Однако, основное назначение маскирующих покрытий состоит в создании маски при локальной обработке поверхности кристалла для предохранения ее части от диффузии основных легирующих примесей. Применение маскирующего слоя для удержания расплава является нетипичным для этого типа покрытий и нуждается в обсуждении.

Технологически и экономически целесообразно использовать для избирательного смачивания покрытие в виде Si02. Этот вид покрытия в отличие от других достаточно легко формируется и при необходимости также легко удаляется. Использованы два конкурирующих метода получения маскирующего диоксида кремния: осаждением из парогазовой смеси (SiH4+02, ТЭОС1, SiCl2H2+N20 и др.) и термическим окислением кремния [8, 37]. С точки зрения максимальной плотности при максимальной толщине наилучшие результаты получены у покрытий, выращенные термическим окислением. Экспериментально установлено [59], что в качестве покрытия, устойчивого к воздействия кремний-алюминиевого расплава при формировании топологического рисунка, достаточен слой Si02 толщиной 1 мкм. С этой целью окисление ведется в интервале температур 1200 + 10С в течение 3,5 - 4 ч по схеме: влажный кислород (2,5 ч); сухой кислород (1,5 - 1 ч). Благодаря описанной последовательности операций удается достичь наилучшей стойкости покрытия на заданной шероховатостью естественного рельефа поверхности, создаваемом САО (см. Таблица 2.4).

Изучено наследование покрытием диоксида кремния микрорельефа кремниевой пластины. На рисунке 2.6 приведены в качестве примера АСМ-фотография слоя покрытия диоксида кремния (а) и вскрытого в нем окна (б). Видно, значения Ra, соответствующие местам исследования, близки, т.е. слой Si02 наследует рельеф пластины. Для получения вскрытых в защитном покрытии окон были использованы типовые операции фотолитографии: формирование позитивного фоторезиста (типа ФП-3515 или аналогов).

Состав используемого расплава влияет на смачивание поверхности кремниевой пластины [106]. Выбор алюминия для проведения процессов миграции в поле температурного градиента при получении жидких зон обоснован в п. 1.2.2. Для локального легирования кремния с помощью метода ТМ и формирования р-областей использован алюминий марки A5N.

Для расширения диапазона легирования акцепторными примесями использован трехкомпонентный состав расплава, который реализован тетраэтилортосиликат введением добавок в алюминий галлия или олова. Яа (&)= 2,86 nm /&(&) = 2,15шп АСМ-изображение поверхности защитного покрытия и вскрытых в предварительно полированной кремниевой пластине областей

Для формирования трехкомпонентного растворителя использовалось высокое качество материалов: галлий – Ga6N и олово – Sn5N. Сплавы приготавливали в вакуум-сплавлением в графитовых (марка графита МПГ-1) тиглях. Тигли для формирования плоских и дискретных зон отличаются конструкцией и размерами (см. глава 4). Для образования однородной шихты металлы выдерживали в течение от 5 до 10 мин при температуре формирования зон. После охлаждения сплавы принимали форму внутренней полости тигля. Для формирования плоских зон шихту помещали в тигель, в котором расплав после нагрева контактировал с торцами кремниевых пластин. Перед проведением операций избирательного смачивания шихту вместе с тиглем размещали в формирователе дискретных зон. После сплавления контролировали состояние поверхности сплава, выходящей через щель тигля. Она должна быть однородной, повторять форму и размер тигля. Наличие раковин или включений твердой фазы в щели не допускалось.

Таким образом, применение метода ТМ в технологии создания структур СПП накладывает ряд специфических требований к качеству используемых полупроводниковых материалов. Отклонения от стандартных размеров кремниевых пластин: TTV, WOB, WARB должны быть учтены при разработке специального оборудования для реализации метода ТМ. Микрорельеф поверхности кремниевых пластин важен формировании жидких плоских хон капиллярным втягиванием и дискретных зон – избирательным смачиванием. Параметры микрорельефа следует уточнить после модернизации методик. Использование известных методов механической обработки кремния может быть недостаточным для оптимальных параметров ее микрорельефа (см. п.2.2), при которых достигается избирательное смачивание кремния жидким алюминием. Предложено и исследовано для этих целей использование нетрадиционного подхода воздействия на кремниевые пластины в виде струйно-абразивной обработки.

Формирование плоских жидких зон предусматривает наличие двух кремниевых пластин (1) и (2), которые складывают друг с другом с некоторым зазором (см. рисунок 2.7). Зазор задается тремя микровыступами (3), расположенными симметрично на периферии рабочей поверхности одной из пластин. Пластины и алюминий нагревают до температуры, большей температуры его плавления. Затем расплав алюминия подводят к торцу пластин. За счет капиллярных сил расплав устремляется в зазор между пластинами, заполняет его и удерживается в зазоре.

При использовании пластин небольшого диаметра (менее 40 мм) рассматриваемая методика позволяет получать идеальную плоскопараллельную жидкую зону, стабильно мигрирующую без деформации и разрывов через пластину-источник ростового вещества, образуя в надлежащих условиях ростовой р-п переход с высокими воль-амперными характеристиками [73]. В [74] обнаружен и исследован эффект деформации формирующихся описанным методикой жидких зон на кремниевых пластин достаточно диаметром, большим 40 мм.

Электрофизические характеристики перекристаллизованных р- областей

В п. 2.3 предложены подходы по уменьшению деформации кремниевого капилляра, возникающей при формировании плоских зон на пластинах диаметром выше 40 мм. В настоящем параграфе рассматривается подход исключения деформации жидкой зоны и снижения прогиба пластин, основанный на перераспределении давления внутри капилляра за счет равномерного расположения по всей площади пластин-источника серии микровыступов [118]. Высоту микровыступов задают равной расчетной толщине плоской зоны, а их площадь выбирают из условий полного стравливания выступов жидкой фазой при повышении температуры. Расстояние между выступами, а, следовательно, и их количество оптимизируют с учетом устранения деформации пластин композиции (рисунок 2.30).

Эффективность предложенного подхода определяется сочетанием параметров искусственного микрорельефа: высотой выступов, их площадью, количеством и шагом чередования при заданном диаметре исходной композиции. В связи с этим возникают задачи оптимизации. С одной стороны, желательно создавать микровыступы достаточно малых размеров и в небольшом количестве. Это связано с тем, что микровыступы должны быстро растворяться жидкой фазой в процессе формирования зоны, а их остатки не должны вызывать нарушений морфологической устойчивости межфазных границ в процессе термомиграции. Причем последнее соображение превалирует. С другой стороны, выступов должно быть достаточно много, чтобы уменьшить локальное давление, возникающее при соприкосновении плоскостей капилляра в процессе втягивания расплава. Эти соображения позволяют осуществить оптимальный выбор размеров и количество микровыступов. Отметим, что точный расчет этих параметров затруднен сложностью решения динамической задачи движения расплава по капилляру, поэтому воспользуемся оценочными расчетами и данными эксперимента.

Оценка количества выступов и шага их чередования осуществлена в работе [122]. Согласно [122], примем сечение выступов в форме квадрата с площадью каждого cf. Пусть количество выступов равно N, тогда из условия, что напряжения в подложке в местах контактов с выступами не должны превышать значения критических напряжений образования дислокаций в кремнии 2кp, а также учитывая допущение, сделанное нами выше, о равномерном распределении статического давления по диаметру пластины Dst, справедливо соотношение: N 2 4 (2.4) выполнив простейший геометрический расчет по определению шага между выступали и обозначив его Ь, получим с достаточной степенью точности, когда b D: b = yl%D2Si/4N (2.5) Численные оценки параметров N и Ъ по формулам (2.4) и (2.5) при кp = 106 Н/м2[119], /= 40- Ю-6 м, ДЗІ = 6- Ю-2 м,р = 2-104 Н/м2 [74] дали значения 7V= 3-Ю4 и, соответственно, 6 = 0,3-10"3 м.

Для проверки оценочных расчетов и оптимизации стадии формирования плоских зон проводили экспериментальные исследования [120]. Кремниевые подложки диаметром от 44 до 100 мм подвергали механической и химической обработке с целью придания им плоскопараллельности и снятия нарушенного слоя с рабочей поверхности. На пластинах-источниках такого же диаметра методом фотолитографии изготавливали выступы, равномерно расположенные по всей рабочей поверхности. Высота выступов составляла 30 мкм, а параметры d и Ъ варьировали в пределах от 30 до 100 мкм и от 10 до 0,2 мм соответственно. Сборку исходных композиций, формирование плоских зон Si-А1 и процесс термомиграции из плоского слоя раствора-расплава осуществляли по методике, описанной в п. 2.3. Воспроизводимость формы и размеров плоских зон после капиллярного втягивания, а также стабильность процесса термомиграции оценивали путем металлографического анализа поперечных шлифов композиций. Осуществляли также контроль совершенства подложечного кремния после термообработки и выращенных слоев. Кроме того, композиции просматривали на просвет в инфракрасный микроскоп МИК-1, что позволяло выявить возможные нарушения сплошности плоской зоны и разрывы внутри эпитаксиальных слоев.

Экспериментальные исследования показали, что применение серии выступов для регулировки зазора при капиллярном втягивании исключает деформацию плоской зоны, а эффективность стравливания микровыступов определяется их площадью, предварительной обработкой поверхности пластин-источников и температурно-временным режимом процесса. Обработка поверхности пластин перед фотолитографией была выбрана с учетом того, чтобы обеспечивалась ее воспроизводимость, а выступы на источнике имели высоту в пределах от 25 до 50 мкм. Что касается геометрических размеров выступов, в частности, параметра d, то его значение было выбрано равным 40 – 50 мкм. Дальнейшее уменьшение этого размера усложняет разработанную методику глубинного травления кремния. Равномерность травления пластин-источников достигнута их вращением в ванне с травителем со скоростью 30 – 60 об/мин, что позволило получить выступы одинаковые по площади и высоте на всей поверхности пластины.

В ходе экспериментальных исследований было выявлено [122], что наряду с положительным назначением выступов при капиллярном формировании зон, они могут давать и отрицательные последствия. Так, при обработке поверхности подложек в травителе Сиртла после стадии получения плоской зоны в ряде случаев были обнаружены скопления дислокаций, регулярность расположения которых соответствовала выступам на пластине-источнике (рисунок 2.31). Металлографический анализ поперечных мифов композиций с дефектными участками позволил установить [120], что: а) области с нарушенной структурой кристалла возникают в местах контакта выступов с подложкой и пронизывают ее насквозь; б) области с повышенной плотностью дислокаций «трубки» имеют место в тех композициях, где шаг чередования выступов превышает 1 мм и отсутствуют при параметре b 1 мм; в) диаметр «трубок» пропорционален площади выступов и расстоянию между ними. Полученные экспериментальные данные в целом подтверждают оценочные расчеты и позволяют обоснованно выбрать шаг между выступами в пределах от 300 до 800 мкм [121].