СПОСОБ ТЕРМОБАРИЧЕСКОГО ОТЖИГА КОМПЛЕКСНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВАХ Российский патент 1999 года по МПК C30B31/20 C30B33/00 H01L21/26 C30B29/06 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной технологии поли- и монокристаллических полупроводниковых материалов со сниженной концентрацией комплексных радиационных дефектов, которые используются в базовых элементах микроэлектроники. Целью изобретения является максимально глубокая очистка ядерно- легированного полупроводникового материала от комплексных радиационных дефектов. Качественно новый по сравнению с прототипом (DE, 2516514 A, SIMENS AG, 05.01.78, B 01 J 17/34) результат достигается тем, что 1) термический отжиг проводится в процессе ядерного легирования, а не после него, в связи с чем отжигу подвергаются свежеобразованные радиационные дефекты, которые не успевают объединиться в комплексы друг с другом или с атомами примеси; по предлагаемому способу также происходит отжиг тех свежеобразованных комплексных радиационных дефектов, которые имеют температуру диссоциации ниже температуры облучения ядерными частицами; 2) одновременно с облучением и термическим отжигом слиток подвергают всестороннему давлению, которое превышает давление в зоне смещения атомов, окружающей единичный каскад атомных столкновений, и способно вызвать диссоциацию комплексных радиационных дефектов, служащих постоянными стоками простых радиационных дефектов.

Применение в процессе ядерного легирования полупроводниковых материалов термобарического отжига имеет экспериментальные и теоретические обоснования, полученные при исследовании материалов другого типа. Так, проведение в процессе облучения термического отжига диффузионно-активных дефектов при нормативной температуре T_N, установленной для пострадиационного отжига (A.C. Damask, Patent USA N 3/193/678, 1965, 5 (10)), обеспечивает массоперенос в упорядочивающемся сплаве CuZn, до момента ухода этих дефектов в постоянные стоки (дислокации, границы блоков мозаики), примерно на порядок больший, чем массоперенос в случае схемы "облучение тем же флюенсом при пониженной температуре (в данном эксперименте - при комнатной), затем пострадиационный отжиг при температуре T_N", в последнем случае имеет место более высокая стартовая концентрация диффузионно-активных дефектов и, как следствие, их объединение в "сидячие" комплексы. В том случае, когда облучение проводят при температуре T_N, вероятность избежать встречи и объединения простых радиационных дефектов перед их уходом в постоянные стоки более высока. Кроме того, в случае высокотемпературного облучения происходит отжиг тех комплексных радиационных дефектов, которые имеют температуру диссоциации ниже T_N.

Таким образом преодолевается один из недостатков прототипа (см. выше - DE 2516514), связанный тем, что процесс ядерного легирования полупроводниковых материалов разбит на две стадии: на первой производят при температурах, примыкающих к климатическому диапазону, собственно ядерное легирование (облучение), а на второй, пострадиационной, проводят термический отжиг, который способен устранить лишь относительно легкодиссоциирующие и легкоподвижные дефекты.

Сведения об экспериментах по применению высоких всесторонних давлений с целью разрушения комплексных дефектов в изотропных кристаллических веществах в процессе их облучения в патентной литературе отсутствуют. Так, проведенные за рубежом эксперименты (B.R.Richards, E.A.Kellett - Journ. Nucl. Mater., 25, N 1, p.45, 1968) показали, что рост отношения кристаллических осей c/a в блоках анизотропного графита, на которые перед облучением были одеты стальные бандажи, существенно снижен. Теоретические оценки давления, развиваемого в зоне смещений, окружающей единичный субкаскад атом-атомных столкновений и возникающей при облучении реакторными нейтронами, составляет приблизительно 100 кбар (G.H. Kinchin, R.S.Pease - Rep. Progr. Phys., 18, p.l, 1995; A.Seeger - In: Lattice Defects and Their Interaction, 1967, p. 181). Комплексообразование в области субкаскада атом-атомных столкновений может быть заторможено или полностью снято при всестороннем давлении, величина которого сравнима с названным выше. Технически это осуществляют помещением слитка полупроводникового поли- или монокристаллического материала в сосуд высокого давления, подключенный к гидрокомпрессионной установке, заливкой и кристаллизацией висмутовой (или из висмутового сплава) оболочки вокруг слитка полупроводникового материала с приблизительно равными стенкой оболочки и диаметром слитка, помещением сосуда высокого давления в облучательный канал ядерно-физической установки, поднятием гидростатического давления в сосуде до 25 кбар, когда в висмуте (или сплаве) происходит полиморфное превращение и всестороннее давление на слиток увеличивается приблизительно в 4 раза в соответствии с известным способом (A.Bobrovski - Patent USA N 3.156.974, 1964), поднятием температуры сосуда высокого давления до величины T_N и проведением по установленному дозно-временному регламенту ядерного легирования слитка полупроводникового материала. Далее, в обратной последовательности выполняют названные выше операции, которые на финише дополняются дозиметрическим контролем сосуда высокого давления, его дезактивацией, выплавлением висмута (или его сплава), снятием поверхностного слоя со слитка полупроводникового материала, его резкой.

Пример
Предлагаемый способ термического отжига комплексных радиационных дефектов в ядерно-легированных полупроводниковых материалах был реализован на экспериментальном стенде. Слиток кремния частотой 99,9997%, на который кристаллизовался чистый висмут, образовавший 5-сантиметровую рубашку, помещали в сосуд высокого давления (СВД), подключенный к гидрокомпрессионной установке на 30 кбар. Затем СВД загружали в облучательный канал реактора, включали гидрокомпрессор, давали давление в СВД до ~25 кбар, когда срабатывал механизм 4-кратной мультипликации давления по А.Бобровскому (патент США N 3.156.974, 1964 г. ), и набирали флюенс нейтронов ~10¹⁹ см^-2. Аналогичная процедура облучения была осуществлена на 3-х идентичных слитках кремния, окруженных рубашкой из висмута и стенками СВД, без воздействия на слиток высокого давления, т.е. при остановленном гидрокомпрессоре.

Обе партии облученных слитков отжигали в кремниевых тиглях в атмосфере чистого аргона в течение 12-ти часов при температуре 650^oC. Сопоставление этих двух партий образцов показало прежде всего большое различие в значениях времени жизни носителей заряда: если для слитка, подвергавшегося в процессе облучения всестороннему сжатию ~ 100 кбар, t≥160 мкс, то для других трех слитков, не подвергавшихся высокобарическому отжигу в процессе облучения, время жизни находится в пределах 55≤t≤100 мкс. Таким образом, эффект высокобарического отжига кремния в процессе его ядерного легирования фосфором является очевидным.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что описанный способ термобарического отжига ядерно-легированных полупроводниковых кристаллических веществ в ней не отражен, обладает элементами новизны и положительным эффектом, что позволяет считать предложенный способ обладающим "изобретательским уровнем".

Изобретение может быть использовано в ядерной технологии. Слиток поли- или монокристаллического полупроводникового материала помещают в сосуд высокого давления, подключенный к гидрокомпрессионной установке, заливают и кристаллизуют висмутовую или из висмутового сплава оболочку вокруг слитка полупроводникового материала с приблизительно равными по величине стенкой оболочки и диаметром слитка, помещают сосуды высокого давления в облучательный канал ядерно-физической установки, поднимают давление до полиморфного превращения в висмуте или в висмутовом сплаве, поднимают температуру сосуда до нормативной температуры отжига, проводят ядерное легирование слитка полупроводникового материала по установленному дозно-временному регламенту, далее, в обратной последовательности, выполнят названные выше операции, которые на финише дополняют дозиметрическим контролем сосуда высокого давления, его дезактивацией, выправлением висмута или висмутового сплава, снятием поверхностного слоя со слитка полупроводникового материала, его резкой. Высокобарический отжиг способствует разрушению комплексных дефектов, возникающих в процессе нейтронной активации.

Способ термобарического отжига комплексных радиационных дефектов в ядерно-легированных полупроводниковых поли- и монокристаллических материалах, отличающийся тем, что слиток поли- или монокристаллического полупроводникового материала помещают в сосуд высокого давления, подключенный к гидрокомпрессионной установке, заливают и кристаллизуют висмутовую или из висмутового сплава оболочку вокруг слитка полупроводникового материала с приблизительно равными по величине стенкой оболочки и диаметром слитка, помещают сосуд высокого давления в облучательный канал ядерно-физической установки, поднимают давление до полиморфного превращения в висмуте или в висмутовом сплаве, поднимают температуру сосуда до нормативной температуры отжига, проводят ядерное легирование слитка полупроводникового материала по установленному дозно-временному регламенту, далее, в обратной последовательности выполняют названные выше операции, которые на финише дополняют дозиметрическим контролем сосуда высокого давления, его дезактивацией, выплавлением висмута или висмутового сплава, снятием поверхностного слоя со слитка полупроводникового материала, его резкой.