СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ n-ТИПА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G21G1/06 

Изобретение относится к области ядерной технологии получения поли- и монокристаллического кремния n-типа и имеет целью резкое расширение возможностей регулирования структуры и, через нее, - электрофизических свойств полупроводникового кремния и устройств на его основе.

В настоящее время ядерное легирование кремния n-типа осуществляют путем нейтронного облучения слитка кремния нужных габаритов и качества в ядерном реакторе или на другой ядерно-физической установке, когда основной ядерной реакцией является реакция на стабильном изотопе ³⁰Si, содержащемся в естественной смеси изотопов в количестве 3,12%:

где n - нейтрон, γ - гамма-излучение при захвате нейтрона; β^- - бета-частица с энергией 2,5 МэВ, испускаемая со временем полураспада 157,3 мин компаунд-ядром ³¹Si, ³¹P - легирующая примесь - фосфор, являющийся продуктом ядерной реакции (И.М. Греськов, С.П. Соловьев, В.А. Харченко. "Ядерное легирование полупроводников. Обзорная информация" НИИТЭХИМ, Москва, 1982 г., с. 19; В.А. Харченко, С.П. Соловьев - Известия АН СССР, Сер. Неорганические материалы, 7, N 12, 2137, 1971 г.).

Главный недостаток данного прототипа - ограничение нормы флюенса нейтронов и, следовательно, степени легирования фосфором вследствие накопления комплексных радиационных дефектов, которые не устраняются пострадиационным термическим отжигом облученного слитка и существенно снижают электрофизические свойства кремния. Норму флюенса ограничивают также в связи с неизбежной для ядерной технологии наведенной радиоактивности слитка.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что исходное кремниевое сырье обогащают стабильным изотопом ³⁰Si в N раз, получают из обогащенного сырья известным способом слиток нужных габаритов и качества и проводят в ядерном реакторе или на другой ядерно-физической установке легирование слитка по реакции (1). При этом могут быть обеспечены два варианта способа получения ядерно-легированного кремния n-типа, для которых пострадиационные операции - дезактивация слитка, его дозиметрический контроль, отжиг радиационных дефектов, улучшающий и стабилизирующий электрофизические свойства слитка, проводят так же, как предусмотрено прототипом. При этом оба варианта способа обеспечивают достижение одного и того же технического результата - снижение концентрации комплексных радиационных дефектов и, соответственно, улучшение электрофизических свойств кремния.

Вариант 1.

Снижая в N раз флюенс нейтронов по сравнению с вышеназванным прототипом, получают в свежеоблученном материале в N раз меньшую концентрацию остаточных комплексных радиационных дефектов и соответствующее повышение электрофизических характеристик кремния.

Вариант 2.

При сохранении нормы флюенса, установленного для прототипа, повышение в N раз содержания в кремнии изотопа ³⁰Si ведет к увеличению в N раз концентрации равномерно распределенной в кремнии донорной примеси - ³²P, т.е. концентрации носителей заряда. Для этого способа требуется принятие мер по устранению в спектре нейтронов высокоэнергетической части, с которой связано образование в веществе комплексных радиационных дефектов. Требуемое изменение спектра нейтронов достигается применением известных модераторов из бериллия или других материалов с малым атомным весом; модераторы устанавливают в облучательном канале. Физическим обоснованием этого пути являются электронномикроскопические и рентгеноструктурные исследования распределения комплексных радиационных дефектов в кристаллических веществах в зависимости от энергии бомбардирующих ядерных частиц (K. Mercle-Report AEPE-R5269, Harwell, 1966; M. L. Jenkins, C.A. English-Journ. Nucl. Mat. 108-109, 46, 1982; В.В. Кирсанов "Комплексы точечных дефектов в облученных кубических металлах, распределение их по размерам", Препринт НИИАР, П-60, Мелекесс, 1970 г.). Это распределение подчиняется закону Релея:

где d₀ - диаметр дефекта, Δ - мода распределения (для нейтронов спектра деления ). Также убедительно показано, что при уменьшении энергии бомбардирующих частиц мода распределения резко сдвигается в сторону меньших размеров дефектов. Полностью термализованные нейтроны комплексных радиационных дефектов практически не создают.

Вследствие появляющегося для обогащенного изотопом ³⁰Si слитка резерва по флюенсу технолог получает возможность маневра при реализации первого или второго вариантов. Количественная сторона при определении компромисса между первым и вторым вариантами обеспечивается набором графиков или таблиц зависимости тех или иных контролируемых параметров от режима облучения и отжига.

Для обоих вариантов (N 1 и N 2) справедливо утверждение: так как комплексные радиационные дефекты действуют на ряд важных физических свойств кремния как инородные примеси, наивысший результат при его ядерном легировании обеспечивается для максимального обогащения стабильным изотопом ³⁰Si. Переход от полиизотопного состава кремния (²⁸Si - 92,18%, ²⁹Si - 4,71%, ³⁰Si - 3,12%) к моноизотопному ³⁰Si само по себе, т.е. без нейтронного облучения, действует в том же направлении, так как в этом случае в колебательном спектре кристалла устраняются частоты, обусловленные различием атомных весов изотопов.

Пример N 1.

Предлагаемый вариант N 1 получения ядерно-легированного кремния n-типа реализован на экспериментальном канале ядерного реактора на стандартных слитках кремния с естественной смесью стабильных изотопов, полученных методом бестигельной плавки, при значениях флюенса нейтронов 7•10²⁰ см^-2 получена концентрация носителей заряда 2,5•10¹⁷ см^-3; в то же время для 20-граммового слитка кремния с размерами примерно 60х12 мм, содержание в котором стабильного изотопа ³⁰Si увеличено с 3,12% до 15%, т.е. приблизительно в 5 раз, получена та же концентрация носителей заряда после облучения флюенсом 1,5•10²⁰ см^-2. График зависимости концентрации носителей заряда от флюенса нейтронов, где для обогащенного слитка кремния получены две экспериментальные точки, дан на чертеже. Таким образом, отношение значения флюенсов близко к обратной величине отношения содержания названного изотопа в облученных слитках, взятых для эксперимента. Это свидетельствует о правильности технического решения и практической ценности предложенного способа.

Пример N 2.

Вариант N 2 получения ядерно-легированного кремния n-типа реализован в том же эксперименте, что и вариант N 1, результаты которого приведены на чертеже. Из зависимости концентрации носителей заряда от флюенса нейтронов (например, для одного и того же значения Ф_Н = 10¹⁸ см^-2) видно, что эта концентрация приблизительно в 5 раз выше для слитка кремния, обогащенного в 5 раз изотопом ³⁰Si, по сравнению со слитком с естественной смесью изотопов. Таким образом, обогащение кремния в N раз изотопом ³⁰Si приводит после его облучения нейтронами к более высокой (в N раз) степени его легирования фосфором, т. е. вариант N 2 позволяет получать высокое пересыщение кремния фосфором при равномерном его распределении в объеме кристалла. При этом использование в данном варианте способа модератора спектра нейтронов позволяет уменьшить долю нейтронов высокой энергии и, соответственно, снижает число комплексных радиационных дефектов.

Предложен способ получения ядерно-легированного кремния n-типа, при котором слиток исходного кремния обогащают в N раз стабильным изотопом ³⁰Si и облучают нейтронами. По основной ядерной реакции (n, γ) на стабильном изотопе ³⁰Si, содержащемся в естественной смеси изотопов кремния, получают нужную концентрацию донорной примеси ³¹P. Затем проводят дезактивацию слитка, его дозиметрический контроль, а также для удаления значительной части радиационных дефектов и стабилизации электрофизических свойств материала - его термический отжиг. Способ может быть реализован в двух вариантах. Согласно первому варианту снижают в N раз норму флюенса нейтронов и, тем самым, во столько же раз концентрацию комплексных радиационных дефектов. Согласно второму варианту сохраняют норму флюенса, установленную для облучения кремния с естественной смесью изотопов, получают в N раз большую концентрацию донорной примеси ³¹P и соответственно концентрацию носителей заряда. Для уменьшения количества комплексных радиационных дефектов при реализации второго варианта способа с помощью модератора спектра нейтронов уменьшают долю нейтронов высокой энергии. Технический результат заключается в уменьшении числа комплексных радиационных дефектов, не устраняемых пострадиационным термическим отжигом облученного слитка, и улучшении электрофизических свойств кремния. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения ядерно-легированного кремния n-типа, при котором слиток исходного кремния облучают нейтронами и по основной ядерной реакции (n, γ) на стабильном изотопе ³⁰Si получают нужную концентрацию донорной примеси ³¹P, проводят дезактивацию слитка, его дозиметрический контроль, а также для удаления значительной части радиационных дефектов и стабилизации свойств материала его термический отжиг, отличающийся тем, что исходный кремний до его облучения обогащают в N раз стабильным изотопом ³⁰Si и снижают в N раз флюенс нейтронов и, тем самым, концентрацию комплексных радиационных дефектов, не поддающихся термическому отжигу. 2. Способ получения ядерно-легированного кремния n-типа, при котором слиток исходного кремния облучают нейтронами и по основной ядерной реакции (n, γ) на стабильном изотопе ³⁰Si получают нужную концентрацию донорной примеси ³¹P, проводят дезактивацию слитка, его дозиметрический контроль, а также для удаления значительной части радиационных дефектов и стабилизации свойств материала его термический отжиг, отличающийся тем, что исходный кремний до его облучения обогащают в N раз стабильным изотопом ³⁰Si и при сохранении флюенса нейтронов с помощью модератора спектра нейтронов уменьшают долю нейтронов высокой энергии, ответственных за образование комплексных радиационных дефектов.