способ получения кремния, легированного сурьмой

Формула изобретения

Способ получения кремния, легированного сурьмой, включающий выращивание из расплава, отличающийся тем, что в расплав, содержащий сурьму в концентрациях 0,3-1,4 мас. %, вводят вторую примесь - германий нелегированный или легированный изовалентной примесью или элементом V группы, в концентрациях 0,08-0,18 мас.% по отношению к кремнию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургической и электронной промышленностям, а более конкретно к производству монокристаллов кремния, сильно легированных сурьмой. Кремний, легированный сурьмой, широко применяется в производстве подложек, так как ее коэффициент диффузии среди элементов V группы имеет наименьшее значение. По этой причине сурьма из подложки практически не переходит в созданный на ней эпитаксиальный слой или слой, созданный другим методом.

Основной недостаток таких подложек заключается в том, что из подложки в верхний слой переходит бор, создающий в нем тонкие прослойки р-типа. Эти слои исключают применение таких структур в производстве приборов.

Известен способ получения кремния, сильно легированного одновременно фосфором и германием (US 5553566, М.кл. С 30 В 15/04, 10.09.1996).

Способ не обеспечивает получение кремния с низким содержанием бора, который всегда присутствует в кремнии, и однородное распределение удельного сопротивления (УС) в поперечном сечении монокристаллов, и не подавляет переход бора из подложки в эпитаксиальный слой структуры.

Известен способ получения кремния, легированного сурьмой (FR 2325425, М. кл. В 01 J 17/34, 27.05.1977). По своему техническому решению он наиболее близок к заявляемому и был принят за наиболее близкий аналог.

Способ заключается в ведении сурьмы в элементарной форме через подводящую трубку установки для выращивания монокристаллов непосредственно в расплав кремния, содержащийся в тигле, и выращивание монокристаллов методом Чохральского.

Способ не дает возможности исключения переход бора из подложки в эпитаксиальный слой и получения монокристаллов с низким содержанием бора. Для уменьшения вероятности перехода бора из подложек, изготовленных из такого кремния, его выращивание ведется из расплава сформированного из высокочистого кремния (сырца), что повышает стоимость монокристаллов.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи, обеспечивающей получение монокристаллов кремния, легированных сурьмой, с низким содержанием бора (210¹⁴ см^-3), с высокой однородностью УС в поперечном сечении монокристаллов, а при использовании пластин из монокристаллов в качестве подложек исключает переход различных примесей, в том числе бора, в эпитаксиальные слои. Этот технический результат достигается выращиванием монокристаллов с УС= 0,03-0,006 Омсм из расплавов, содержащих примесь - сурьму в концентрациях 0,3-1,4 мас.% и вторую примесь - германий в концентрациях 0,008-0,18 мас.%. Применяется высокочистый германий (нелегированный) или легированный изовалентным элементом и элементом V группы.

Существенным отличием предлагаемого способа получения монокристаллов кремния, легированного сурьмой, является одновременное введение в расплав двух примесей в строго заданных интервалах концентраций сурьмы - 0,3-1,4 мас. % и германия - 0,008-0,18 мас.%. Введение сурьмы и германия в расплав в указанных концентрациях позволяет достигнуть технический результат: получение монокристаллов кремния, легированных сурьмой, с однородным распределением УС в поперечном сечении монокристаллов с низкой концентрацией бора, а использование пластин из таких монокристаллов исключает переход различных примесей, в том числе бора, из подложки в эпитаксиальный слой по сравнению с монокристаллами, содержащих только сурьму (см. таблицу). Введение в расплав дополнительно германия понижает колебания температур вблизи межфазовой границы кристалл - расплав. В результате полученные монокристаллы при использовании их в качестве подложек обеспечивают получение высококачественных, с низкой плотностью дефектов, эпитаксиальных и других двойных и многослойных структур, в которых отсутствуют тонкие слои р-типа проводимости.

Выбор верхнего предела с низкой концентрацией германия обусловлен тем, что при меньших значениях положительный эффект отсутствует. При концентрациях германия, превышающих его нижний предел, в монокристаллах появляются микровключения, ухудшающие совершенство монокристаллов (таблица). Выбранный интервал концентраций сурьмы обусловлен тем, что только в нем проявляется положительный эффект от введения в расплав германия.

На выращенных монокристаллах кремния, полученных предлагаемым способом, измеряли УС четырехзондовым методом, определяли концентрацию бора в микроанализаторе 1М-3Г (cameca Франция) в монокристаллах и эпитаксиальных слоях.

Пример 1. Выращивали монокристаллы кремния диаметром 100 мм методом Чохральского на установке Редмет-15. Выращивание монокристаллов проводили в атмосфере аргона. Его избыточное давление составляло 15-20 мм рт. ст. Шихта в кварцевом тигле содержала отходы производства монокристаллов, легированных фосфором, с УС 0,8-3 Омсм - 50%, и сырец марки КП-1 - 50%, а общее количество кремния 15 кг и германия марки ГЭС-40 в количестве 0,08, 0,12 и 0,18 мас.%. Сурьму через шлюз установки вводили в расплав в количестве 120 г, что соответствовало 0,8 мас. %. Монокристаллы выращивали в направлении 111 со скоростью 2,5 мм/мин. Скорость вращения монокристалла составляла 15 об/мин, а тигля 6 об/мин.

Для каждой из перечисленных концентраций германия в расплаве выращивали по три монокристалла в одинаковых условиях. Для сравнения в идентичных условиях выращивали монокристаллы, легированные только сурьмой (аналог), которую вводили через шлюз в расплав. Шихта кремния состояла из 7,5 кг сырца марки КП-1 и 7,5 кг монокристаллов, легированных сурьмой, с УС 0,015-0,07 Омсм. Из монокристаллов, выращенных предлагаемым способом, и аналога вырезали образцы, на которых на микроанализаторе определяли концентрацию бора. Результаты представлены в таблице.

На торцах каждого монокристалла измеряли УС четырехзондовым методом, а разброс УС на торцах монокристаллах рассчитывали по формуле



где индексом "max" обозначали его максимальное значение, а "min" - минимальное.

Все монокристаллы были без дислокаций.

Пример 2.

Выращивание монокристаллов кремния, измерения УС, концентрации бора, введение в расплав германия и сурьмы проводили, как в примере 1. Концентрация германия в расплаве была, как в примере 1 - 0,008, 1,2 и 1,8 мас.%, а концентрация сурьмы - 0,3 мас.%. Для каждой концентрации германия выращивали три монокристалла. Результаты измерений УС, концентрации бора для каждой концентрации германия представлены в таблице. Все монокристаллы были без дислокаций. Монокристаллы, легированные только сурьмой (аналог), выращивали из расплава, который сформирован был только из сырца марки КП-1.

Пример 3. Выращивали монокристаллы кремния диаметром 50 мм. Измерение УС, концентрации бора, введение в расплав германия и сурьмы проводили, как в примерах 1 и 2. Концентрация германия в расплаве была, как в примерах 1 и 2, а концентрация сурьмы - 1,4 мас.%. Для сравнения вырастили два монокристалла кремния, легированных только сурьмой. Расплав был сформирован из монокристаллов кремния, легированных сурьмой, с УС=0,01-0,02 Омсм. Все монокристаллы были без дислокаций. На образцах, вырезанных из монокристаллов, провели те же измерения, что и в примерах 1 и 2.

Пример 4. Выращивали эпитаксиальные пленки из газовой фазы на подложках, вырезанных из монокристаллов, полученных предлагаемым способом (примеры 1 и 2). Подложки имели УС=0,01 Омсм и ориентацию 111. Толщина подложек 500 мкм. Эпитаксиальные слои осаждались при разложении трихлорсилана при температуре 1100^oС. Толщина эпитаксиальных слоев р-типа проводимости была 40 мкм, УС 50 Омсм. Такие же эпитаксиальные слои были вырезаны из монокристаллов, выращенных из расплавов, сформированных из высококачественного сырца (марки КП-1). На полученных эпитаксиальных слоях определяли примесный состав в окрестностях межфазовой границы эпитаксиальный слой - подложка, применяя метод послойного удаления слоев. Установлено, что вблизи межфазовой границы в эпитаксиальных слоях, вырезанных на подложках из кремния, полученных предлагаемым способом, бора не было обнаружено. Вблизи межфазовой границы в эпитаксиальных слоях, выращенных из кремния, легированного только сурьмой (аналога), концентрация бора была больше 610¹⁴ см^-3. Следы бора были обнаружены вблизи межфазовой границы с подложкой, вырезанной из монокристаллов, полученных из расплава, сформированного только из сырца марки КП-1.

Пример 5. Выращивали монокристаллы, как в примерах 1 и 2. Только вводили германий, легированный фосфором, с УС=0,05 Омсм. Остальные условия не меняли. Результаты представлены в таблице.

Пример 6. Выращивали монокристаллы, как в примерах 1 и 2. Только вводили германий, легированный цирконием, с концентрацией 0,001 мас.%. Результаты представлены в таблице.