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

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 700^oC), 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 Ф_н > 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 E_m^v 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 E_mⁱ 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

/νim = 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 C_с/кⁱ, C_kⁱ и C_пваⁱ. Для гипотетического случая, когда диффузия межузельных атомов идет из объема R_пва³ с концентрацией C_пваⁱ (Ф_н=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 R_пва³= 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. t_пваⁱ=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

/νim = 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 σ_S 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 τ_1/2 ≪ tia

всем объеме устанавливается одна концентрация i-атомов C_kⁱ ≈ 2 · 10¹⁸ см^-3, кинетика снижения которой определяется характеристическим временем t_aⁱ выхода i - атомов на поверхность образца. С другой стороны, значение τ_1/2 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 V_k и перемешиваются в нем за характеристическое время
t_к^v ≥ 2 · 10³ · t_кⁱ = 2 · 10^-2 с (4)
(см. табл. 2). С этого момента произведение концентраций C_к·ⁱ_к ≈ (C_кⁱ)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 τ_1/2:
[5x10²xδ·tiк (≈ 5x10^-2с)] < τ_1/2 ≪ tia^, (5)
где δ ≈ 10 - дисперсия характеристических времен t_к^v 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 Ф_н = 5·10¹⁶см^-2, τ_1/2 ≈ 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 ρ_Т/ρ_К (значение при температуре отжига отнесено к исходному значению - при комнатной температуре) имеет характерные максимумы при температурах отжига 320 и 470^oC (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 - 600^oC (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".

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.

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.