СПОСОБ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В НЕЙТРОННО-ЛЕГИРОВАННОМ КРЕМНИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ОБЛУЧЕНИИ Российский патент 2001 года по МПК H01L21/263 

Описание патента на изобретение RU2162256C1

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной технологии производства элитного кремния n-типа со сниженной концентрацией радиационных дефектов и может быть использовано при производстве других полупроводниковых материалов.

В настоящее время производство нейтронно-легированного кремния (НЛК) n-типа осуществляется путем облучения слитка или комплекта пластин нужных габаритов и качества в атомном реакторе непрерывного действия, когда реализуется цепочка ядерных реакций, начинающаяся с реакций (n,γ) на стабильном изотопе 30Si, содержащемся в естественной смеси изотопов кремния в количестве 3,12%:
30Si(n,γ)31Si_→β- 1,8МэВ/157,3 мин._→31p, (1)
где β - распад трансмутанта 31Si идет с периодом полураспада 157,3 мин, при энергии частиц 1,8 МэВ; сечение (n,γ) - реакции 0,116 барна (И.М. Греськов, С. П. Соловьев, В.А. Харченко - "Ядерное легирование полупроводников. Обзорная информация", Москва, НИИТЭХИМ, 1982 г.).

Главный недостаток данного прототипа - ограничение нормы флюенса нейтронов и, следовательно, степени легирования фосфором вследствие накопления комплексных радиационных дефектов, которые не устраняются в необходимой мере пострадиационным термическим отжигом НЛК; более того, отжиг, проводимый при повышенных температурах (до 700oC), связан с нежелательной миграцией примесей и точечных дефектов, что вносит свою лепту в снижение электрических свойств НЛК.

Сущность предлагаемого способа снижения концентрации радиационных дефектов в НЛК, а именно - вакансий, создающих комплексы с 31P - примесью (E - центры), с 16O - примесью (A - центры) и некоторые другие, заключается в том, что нейтронное облучение проводят в так называемых импульсных реакторах самогасящего действия (ИРСД) (Е.П. Шабалин " Импульсные реакторы на быстрых нейтронах", Москва, Атомиздат, 1976 г., с. 16-17, 216, 235-237) или в высокопоточном реакторе непрерывного действия путем быстрого ввода в зону облучения и вывода оттуда облучаемого образца ("пневмопочта"). В момент действия нейтронного импульса с величиной флюенса Фн > 1016 см2 резко возрастает вероятность взаимной аннигиляции вакансий (v) и межузельных атомов (i-атомов).

Обоснование предлагаемого способа снижения концентрации радиационных дефектов в НЛК включает:
сведения о пространственно-временных характеристиках процесса генерации в кремнии радиационных дефектов, наработанного при облучении фосфора, а также "металлургического" кислорода (см. табл. 1);
сравнительную оценку эффекта взаимной аннигиляции вакансий и межузельных атомов для режима нейтронного облучения по прототипу и для режима по предлагаемому способу;
экспериментальную проверку аннигиляции при импульсном нейтронном облучении.

В связи с тем, что значения энергии активации Emv миграции вакансий, которые находятся в кремнии в зарядовых состояниях 0; 1 и 2, составляют ряд 0,33; 0,25 и 0,18 эВ, в то время как энергия активации Emi миграции межузельных атомов близка к нулю, вакансии в течение времени 10-7 с, когда межузельные атомы уже совершают массовый исход из субкаскада (В.П. Кожевников, В.В. Михнович - ЖТФ, 53. N 7, с. 1364, 1983 г.), можно считать "сидячими": отношение частот перескоков имеет νvm

im
= 2·10-3. Считается (A.Seeger - "Lattice Defects and Their Interactions", 1967, p.181; см. также в кн.: В.В. Кирсанов, А.Л. Суворов, Ю.В. Трушин - "Процессы радиационного дефектообразования в металлах", Москва, Энергоатомиздат, 1985 г., с. 14), что после аннигиляции ближних пар "вакансия - межузельный атом" из субкаскада уходит примерно 20-30% межузельных атомов. Отсюда следует, что имеет место записанная в табл. 2 последовательность значений характеристического времени ti достижения концентраций межузельных атомов Cс/кi, Cki и Cпваi. Для гипотетического случая, когда диффузия межузельных атомов идет из объема Rпва3 с концентрацией Cпваiн=1012см-2), расположенного в среднем сечении пластины толщиной а= 400 мкм, приведено характеристическое время, соответствующее моменту массового выхода i-атомов на внешнюю поверхность пластины. При постоянном значении коэффициента диффузии Дi, т.е. при постоянной температуре облучения, диффузионная длина приблизительно равна или для нашего случая:

Здесь V - объем, который центрируется дефектом (с/к, к, точка старта ПВА) или же ограничен свободными поверхностями на расстоянии а от точки старта ПВА.

Так как производство НЛК по прототипу осуществляют в каналах атомных реакторов с плотностью потока тепловых нейтронов Фн ≈ 1012см-2с-1, окружение некоего выбранного объема Rпва3= 8 мкм3 (см. табл.1) такими же объемами, центрированными другими ПВА, завершается примерно через 1 секунду. Из таблицы 2 следует, что за этот промежуток времени "ветер i-атомов", порожденный в центре данного объема, способен неоднократно (т.к. tпваi=2·l10-2c) пересечь соседние пустующие объемы и рассеяться. Идущий вдогонку за i-атомами, с большим отставанием (отношение частот перескоков вакансий и межузельных атомов νvm

im
= 2·10-3, поток "собственных" вакансий не способен к тому, чтобы произвести значительное количество актов аннигиляции. Вывод тривиален: экспериментатор не в состоянии повлиять на процессы аннигиляции, происходящие в изолированных субкаскадах - каскадах. Единственный способ получить значительный эффект аннигиляции - увеличить на несколько порядков плотность потока нейтронов . Оценку предельной величины флюенса за один импульс можно получить, плотно заполняя весь объем кремния каскадами. В обозначениях таблиц 1 и 2 этому жесткому требованию отвечает равенство или

где A,ρ и σS и - соответственно атомный вес, плотность и сечение рассеяния нейтронов кремнием, N0 - число Авогардо.

Во время действия на кремний нейтронного импульса с флюенсом и длительностью на полувысоте τ1/2 ≪ tia

всем объеме устанавливается одна концентрация i-атомов Cki ≈ 2 · 1018 см-3, кинетика снижения которой определяется характеристическим временем tai выхода i - атомов на поверхность образца. С другой стороны, значение τ1/2 не должно быть слишком малым, т.к. сосредоточенные в субкаскадах вакансии, характеризующиеся примерно в 2·103 раз меньшей частотой перескоков в кристаллической решетке, чем i-атомы, заполняют объем Vk и перемешиваются в нем за характеристическое время
tкv ≥ 2 · 103 · tкi = 2 · 10-2 с (4)
(см. табл. 2). С этого момента произведение концентраций Cк·iк ≈ (Cкi)2 выходит на предельное значение, что и определяет максимальный эффект спонтанной аннигиляции i-атомов и вакансий. Таким образом, для осуществления предложенного способа снижения концентрации радиационных дефектов в НЛК требование (3) по флюенсу нейтронов должно быть дополнено требованием (5) по длительности нейтронного импульса на полувысоте τ1/2:
[5x102xδ·tiк
(≈ 5x10-2с)] < τ1/2 ≪ tia
, (5)
где δ ≈ 10 - дисперсия характеристических времен tкv разнозаряженных вакансий.

Одним из ИРСД, удовлетворяющих этим требованиям, является реактор ИГР, разработанный и пущенный в эксплуатацию И.В. Курчатовым, С.М. Фейнбергом, Н. А. Доллежалем и др. ("Импульсный графитовый реактор ИГР", "Атомная энергия", 1964 г. , т.17, вып. 6, с. 463-474). Самым надежным руководством для проведения процесса аннигиляции i-атомов и вакансий в НЛК является построение по экспериментальным данным (например, по изохронному отжигу E- и A- центров в НЛК) графиков зависимости эффекта от режима облучения на конкретном импульсном источнике нейтронов.

Если требуется наработка донорной примеси - фосфора P - больше той, которая обеспечивается за один нейтронный импульс, процедуру импульсного облучения осуществляют неоднократно, пока не будет набран нужный флюенс нейтронов.

Пример.

Предлагаемый способ снижения концентрации радиационных дефектов в НЛК реализован путем облучения и последующего сравнения друг с другом пар кремниевых пластин диаметром 30 мм и толщиной 400 мкм, вырезанных из одного слитка, полученного по методу Чохральского. Состав и концентрация примесей имели характерные для марки кремния КЭФ 0,5 значения. Одна пара пластин облучена в центральном канале реактора импульсным потоком нейтронов с параметрами Фн = 5·1016см-2, τ1/2 ≈ 0,1 с. Кремниевые пластины были помещены внутри "сэндвича", составленного из 3-х дисков из окиси бериллия диаметром 46 мм при толщине каждого по краю диска 20 мм. Каждая кремниевая пластина из данной пары была помещена в герметичную заполненную аргоном, тонкостенную пластмассовую кассету и, следовательно, не имела контакта с BeO - замедлителем.

Другую пару кремниевых пластин в идентичной сборке облучали тем же флюенсом нейтронов в томике реакторе, но в непрерывном режиме, с плотностью потока нейтронов = 7·1010 см-2 с-1, имеющего примерно то же кадмиевое отношение. Длительность облучения этой пары составила около 200 часов.

Результаты холловских измерений концентрации носителей заряда, пропорциональной величине наработки донорной примеси - 31P в облученных кремниевых пластинах, практически совпали для всех 4-х пластин: N = (3,05 ± 0,03) · 1013 см-2. Это согласуется с результатами измерений N в НЛК в широком диапазоне флюенсов (см., например, сб. "Трансмутационное легирование полупроводников" под ред. профессора Л.С. Смирнова, г. Новосибирск, 1992 г., вып. 1, с. 57). Резкое различие воздействия короткоимпульсного облучения и длительного облучения тем же флюенсом, но при плотности потока нейтронов, приблизительно на 7 порядков меньшей, чем в первом случае, проявляется на кривых пострадиационного изохронного (выдержка в каждой точке 15 мин) отжига. Если для кремния, облученного по способу прототипа, т.е. в непрерывном режиме, относительное значение омического сопротивления ρТК (значение при температуре отжига отнесено к исходному значению - при комнатной температуре) имеет характерные максимумы при температурах отжига 320 и 470oC (Е - центры), то для образцов, облученных по способу предлагаемого изобретения, т.е. в режиме мощного нейтронного импульса, оба эти максимума примерно наполовину сглажены, а угол спада кривой относительной величины омического сопротивления в зависимости от температуры пострадиационного изохронного отжига в области температур 500 - 600oC (начало отжига A - центров) примерно в 3 раза меньше.

Таким образом, пострадиационный отжиг кремния, подвергнутого вышеописанному импульсному нейтронному облучению, может проводиться по облегченному режиму (снижается время выдержки при данной температуре отжига, сужен интервал температурного отжига) или, по выбору, может не проводиться в этом интервале вовсе.

Анализ патентной литературы показал, что предложенный способ обладает элементами новизны и соответствует критерию "изобретательский уровень".

Похожие патенты RU2162256C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ n-ТИПА (ВАРИАНТЫ) 1998
  • Прохоров А.М.
  • Петров Г.Н.
  • Лященко Б.Г.
  • Гарусов Ю.В.
  • Шевченко В.Г.
RU2145128C1
СПОСОБ ТЕРМОБАРИЧЕСКОГО ОТЖИГА КОМПЛЕКСНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВАХ 1998
  • Прохоров А.М.
  • Петров Г.Н.
  • Лященко Б.Г.
  • Гарусов Ю.В.
  • Шевченко В.Г.
RU2141544C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ ДЕТЕКТОРОМ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ 2008
  • Варлачев Валерий Александрович
  • Солодовников Евгений Семенович
RU2379713C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ P-N-ПЕРЕХОДА, ЛЕГИРОВАННОГО ЭЛЕМЕНТАМИ ИЛИ ИЗОТОПАМИ С АНОМАЛЬНО ВЫСОКИМ СЕЧЕНИЕМ ПОГЛОЩЕНИЯ НЕЙТРОНОВ 1999
  • Прохоров А.М.
  • Петров Г.Н.
  • Лященко Б.Г.
  • Гарусов Ю.В.
  • Шевченко В.Г.
RU2156009C1
СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ГЕРМАНИЕМ 2006
  • Колин Николай Георгиевич
  • Меркурисов Денис Игоревич
  • Бойко Владимир Михайлович
RU2354001C2
СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ 2000
  • Шевченко В.Г.
  • Скибин В.Ф.
  • Счеславский В.П.
  • Дмитриев В.В.
  • Гарусов Ю.В.
  • Шмаков Л.В.
RU2193609C2
СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ 2000
  • Шевченко В.Г.
  • Шмаков Л.В.
  • Лебедев В.И.
  • Чумаченко Г.А.
  • Трунов В.А.
  • Булкин А.П.
RU2193610C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛЮЕНСА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ДЕТЕКТОРОМ 2013
  • Варлачев Валерий Александрович
  • Головацкий Алексей Васильевич
  • Емец Евгений Геннадьевич
  • Солодовников Евгений Семенович
RU2523611C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО СВЕТОФИЛЬТРА 2006
  • Шульгин Борис Владимирович
  • Черепанов Александр Николаевич
  • Иванов Владимир Юрьевич
  • Анипко Алла Владимировна
  • Райков Дмитрий Вячеславович
  • Ищенко Алексей Владимирович
RU2315231C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НИТРИДОВ III-ГРУППЫ 2006
  • Колин Николай Георгиевич
  • Меркурисов Денис Игоревич
  • Бойко Владимир Михайлович
RU2354000C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 162 256 C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В НЕЙТРОННО-ЛЕГИРОВАННОМ КРЕМНИИ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ОБЛУЧЕНИИ

Использование: в производстве легированного кремния. Технический результат - снижение концентрации радиационных дефектов. Сущность: в способе согласно изобретению облучение проводят не в реакторе непрерывного действия, а в высокопоточном импульсном реакторе, когда флюенс за один импульс приближается к 1017 см-2, а длительность импульса на полувысоте составляет от сотой секунды до сотых долей характеристического времени выхода межузельных атомов на поверхность образца, пострадиационный отжиг проводят по облегченному режиму или не проводят совсем. 2 табл.

Формула изобретения RU 2 162 256 C1

Способ снижения концентрации радиационных дефектов в нейтронно-легированном кремнии, при котором исходный кремний полупроводниковой чистоты для его легирования донорной примесью - фосфором 31Р облучают нейтронами и по основной ядерной реакции (n, γ) на стабильном изотопе 30Si получают нужную концентрацию донорной примеси, проводят дозиметрический контроль облученных образцов, отличающийся тем, что облучение до заданной нормы флюенса проводят в импульсном высокопоточном реакторе, при котором флюенс за один импульс составляет около 1017 см-2, а длительность импульса на полувысоте - от сотой секунды до сотых долей характеристического времени выхода межузельных атомов на поверхность образца, вследствие чего резко возрастает вероятность аннигиляции межузельных атомов и вакансий во встречных потоках, а пострадиационный отжиг кремния, подвергнутого такому импульсному облучению, проводят по облегченному режиму: снижают время выдержки при данной температуре, сужают интервал температур отжига или, по выбору, не проводят, в некотором интервале, вовсе.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2162256C1

Греськов И.М
и др
Ядерное легирование полупроводников
Обзорная информация
- М.: НИИТЭХИМ, 1982
СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ 1994
  • Варлачев В.А.
  • Солодовников Е.С.
  • Фотин А.В.
  • Цибульников Ю.А.
RU2089011C1
Устройство для выбора непрерывного сигнала по принципу "большинства" 1974
  • Галушкин Анатолий Сергеевич
  • Горбунов Юрий Николаевич
  • Исаев Валерий Петрович
  • Любинский Натан Борисович
  • Самохвалов Василий Павлович
SU506020A2

RU 2 162 256 C1

Авторы

Прохоров А.М.

Петров Г.Н.

Лященко Б.Г.

Гарусов Ю.В.

Шевченко В.Г.

Даты

2001-01-20Публикация

1999-09-06Подача