СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ P-N-ПЕРЕХОДА, ЛЕГИРОВАННОГО ЭЛЕМЕНТАМИ ИЛИ ИЗОТОПАМИ С АНОМАЛЬНО ВЫСОКИМ СЕЧЕНИЕМ ПОГЛОЩЕНИЯ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/225 

Изобретение относится к области ядерной технологии получения р-п-переходов и может быть использовано для получения в пластине полупроводника, в том числе больших размеров (300 мм и более), тонкого легированного слоя.

В практике изготовления р-п-переходов на кремниевых пластинах из постоянного источника диффузии преобладает двухстадийный процесс (А.И. Курносов, В.В. Юдин. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Высшая школа, 1979 г., с. 127). Вначале проводят из постоянного источника насыщение легирующей примесью тонкого поверхностного слоя пластины (источник и пластина нагреты до одной и той же температуры ~ 1200^oC). Перед проведением второй стадии с поверхности охлажденных пластин, со стороны загонки примеси, удаляют микрослой, содержащий окислы и другие дефекты, и создают новый более плотный защитный слой SiO₂.

Вторая стадия - разгонка при повышенной температуре (~ 1300^oC) легирующей примеси под защитным слоем SiO₂ и выравнивание ее концентрации по заданному профилю.

Уязвимым местом данного прототипа является высокотемпературный нагрев всей пластины вместе с источником легирующей примеси, в то время как идеальным был бы нагрев вещества на стыке твердого диффузанта и пластины. Другим недостатком прототипа применительно к пластинам больших размеров является высокотемпературное термостатирование больших объемов и защита от вредных компонентов нагретой среды всей пластины с р-п-переходом.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании того обстоятельства, что ряд легирующих элементов и стабильных изотопов имеют аномально высокие значения сечения поглощения тепловых нейтронов, в связи с чем при облучении сборки "полупроводниковая пластина + диффузант" в реакторе на тепловых нейтронах развиваются именно на стыке пластины и диффузанта необходимые высокие температуры. Для 19-ти элементов и изотопов, исключая редкоземельные металлы и актиноиды, сечения поглощения тепловых нейтронов (в барнах) приведены ниже (Д.Б. Хайзингтон. Основы ядерной техники. М.: Госатомиздат, 1961, с. 364-384).

Элементы и стабильные изотопы, распространенность в естественной смеси, сечения поглощения тепловых нейтронов (в барнах).

^Ест.Li₃ (100%) - 71 барн.

⁶Li₃ (7,5%) - 945 барн.

^Ест.B₅ (100%) - 755 барн.

¹⁰B₅ (18,7%) - 4010 барн.

²⁷Al₁₃ (100%) - 0,23 барн.

^Ест.Si₁₄ (100%) - 0,13 барн.

³¹P₁₅ (100%) - 0,19 барн.

^Ест.Ge₃₂ (100%) - 2,35 барн.

⁷³Ge₃₂ (7,67%) - 13,7 барн.

^Ест.Se₃₄ (100%) - 11,8 барн.

⁷⁶Se₃₄ (9,02%) - 82, барн.

⁷⁷Se₃₄ (7,58%) - 40 барн.

^Ест.Cd₄₈ (100%) - 2550 барн.

¹¹³Cd₄₈ (12,26%) -20800 барн.

^Ест.In₄₉ (100%) - 190 барн.

^Ест.Gd₆₄ (100%) - 46000 барн.

¹⁵⁷Gd₆₄ (15,68%) - 160000 барн.

^Ест.Hg₅₀ (100%) - 380 барн.

¹⁹⁹Hg₈₀ (16,84%) - 2500 барн.

Для цели, заявленной в названии предлагаемого изобретения, наибольшее значение в качестве диффузанта имеют литий (изотоп ⁶Li₃), бор (природная смесь изотопов и изотоп ¹⁰B₅), селен (изотоп ⁷⁶Se₃₄, кадмий (природная смесь и изотоп ¹¹³Cd₄₈), индий (природная смесь), ртуть (природная смесь и изотоп ¹⁹⁹Hg₈₀). Нейтронные реакции на первых двух диффузантах записываются (Д.Б. Хайзингтон, см. выше - с. 253):
⁶Li₃ + n --- > ³H₁ + ⁴He₂, Q = 4,5 МэВ; (1)
¹⁰B₅ + n ---> ⁷Li₃ + ⁴ He₂, Q --- > = 2,8 МэВ. (2)
Продукты этих реакций делят между собой кинетическую энергию Q, причем легкие ионы ³H₁ и ⁴He₂ несут энергию около 2 МэВ. Их пробеги в кремнии составляю ~ 10 мкм, т. е. по меньшей мере на порядок превышают планируемую глубину загонки легирующего элемента. Возникающий радиационно-наклепанный слой действует на процесс загонки легирующей примеси двояко: во-первых, ускоряет диффузию примеси из источника на поверхности пластины, и, во-вторых, тормозит растечку тепла из нагретого до температуры ~ 1200^oC источника диффузии легирующего элемента вследствие снижения теплопроводности верхнего слоя кремниевой пластины.

Самым надежным руководством для проведения процесса загонки легирующей примеси в пластину является построение по экспериментальным данным для конкретной (стандартной) пары "пластина + источник диффузии" зависимости глубины и профиля загонки от режима облучения этой пары в конкретном реакторном канале. То же самое относится и ко второй стадии процесса - к стадии разгонки легирующей примеси под свежим защитным слоем SiO₂, при более высокой температуре термостата.

Нижняя граница времени t_min пребывания в нейтронном поле сборки "кремния пластина + твердый источник диффузии "бора" для скачка температуры ΔT = 1200^oC просто устанавливается для случая, когда утечкой тепла из слоя, насыщенного легирующим элементом, можно пренебречь:

Здесь - обозначены выше, N₀ - число Авогадро, A - атомный вес элемента или изотопа, C - его теплоемкость в твердой фазе, σ - сечение захвата тепловых нейтронов, Q - энергия реакции из уравнения (2). При указанном выше допущении значение t_min не зависит от толщины твердофазного источника диффузии, так как линейную зависимость от массы источника имеют как количество энергии, необходимой для повышения его температуры, так и макросечение ядерной реакции захвата нейтронов. Наиболее близким к действительности выражение (3) должно быть в случае облучения сборки "пластина + источник диффузии" в импульсном уран-графитовом реакторе (М.И. Кувшинов, В. Ф. Колосов, А. М. Воинов, И.Г. Смиронов - В сб. "Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Импульсные реакторы и критсборки", М, 1988 г., вып. 1, с. 3).

Образующийся по реакции (2) литий не только вносит определенный вклад в радиационно-ускоренную диффузию бора на всех стадиях изготовления р-п-перехода, но и влияет непосредственно на величину р-проводимости в переходе. Оценка показывает, что для последний эффект незначителен: доля атомов лития относительно количества бора в источнике и р-слое (постоянном или истощаемом) составляет

где время выдержки t_выд. время выдержки t_выд. обычно меньше 4•10³ с, т. е. составляет около часа.

Пример.

Диски из монокристаллического кремния п-типа, имеющего параметры - Д = 5,1 см, Np = 10¹⁷ cм³ и ρ = 7,5 Oм•cм, складывали попарно, размещая между дисками, по центру, круглые прокладки диаметром 4,7 см, толщиной 1 мм из спрессованного и спеченного бора. Сборки уплотняли по периметру. Несколько таких сборок помещали в герметичный вакуумированный контейнер и опускали на 1,0 - 1,1 часа в облучательный канал работающего реактора После облучения сборку механическим способом разделяли на отдельные два диска, поверхности которых со стороны источника диффузии сошлифовывали и полировали. Часть сборок использовали для определения методом сферического шлифа профиля распределения бора на стадии его загонки. Типичное распределение показано на чертеже (кривая a).

После создания на подготовленной поверхности облученного диска плотного SiO₂ - покрова, защищающего обогащенный бором поверхностный слой, диски облучали в термостате в вакууме при Т = 1300^oC в течение 50 мин. Профиль распределения бора, как результат проведения второй стадии диффузии - разгонки, показан на чертеже (кривая б). Испытания такого диска при энергетической освещенности Е = 180 Вт см^-2 от источника "A" показали, что развивается ЭДС до 0,55 В, что характерно для солнечных элементов с "резким" р-п-переходом.

Приведенный пример подтверждает правильность технического решения, имеющего целью производство диффузионных р-п-переходов в полупроводниковых пластинах больших размеров посредством локального высокотемпературного разогрева источника диффузии и прилегающего слоя в пластине нейтронным облучением.

В патентной литературе, как показал проведенный поиск, предложенный способ отсутствует, в связи с чем этот способ обладает элементами новизны и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Использование: технология получения р-n-переходов. Сущность изобретения: в способе изготовления р-n-перехода, легированного элементами или стабильными изотопами с аномально высоким сечением поглощения тепловых нейтронов (литий, бор и другие), диффузионную загонку легирующей примеси осуществляют путем помещения сборки "пластина основного материала + источник диффузии" в облучательный канал атомного реактора импульсного или непрерывного действия, в результате чего происходит локальный разогрев до высоких температур источника и поверхностного слоя пластины. Промежуточные операции -подготовку диффузионной пары, нанесение защитного SiO₂ - покрова на р-n-переход и т.д. - производят известным способом. Техническим результатом изобретения является локализация высокотемпературного нагрева на стыке твердого диффузанта и пластины, исключение необходимости термостатирования больших объемов и защиты от вредных компонентов нагретой среды всей пластины с р-n-переходом. 1 ил.

Способ изготовления р-п-перехода, легированного элементами или изотопами с аномально высоким сечением поглощения нейтронов, по которому пластину основного полупроводникового материала посредством диффузии из размещенного на ее поверхности твердофазного источника насыщают при повышенной температуре в тонком слое легирующей примесью с противоположным по отношению к материалу пластины типом проводимости, после загонки примеси удаляют с поверхности охлажденной пластины остатки источника вместе с приповерхностным тончайшим слоем и создают на этой поверхности плотный защитный SiO₂-покров, проводят разгонку из приповерхностного слоя легирующей примеси посредством выдержки в термостате в вакууме при нагреве до более высокой, чем при загонке, температуре, формируя требуемый профиль распределения примеси, отличающийся тем, что нагрев на стадии загонки легирующей примеси производят на атомном импульсном реакторе или высокопоточном реакторе непрерывного действия в интенсивном потоке тепловых нейтронов, вызывающих при взаимодействии с диффузантом ядерные реакции с большим выделением энергии и локальным разогревом источника диффузии и поверхностного слоя пластины.