СПОСОБ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 2005 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии для формирования в кристаллах областей с различным типом и величиной электропроводности с помощью имплантации ионов средних (10-5000 кэВ) энергий.

Известен способ ионно-лучевого легирования кристаллов [1], включающий внедрение ускоренных ионов в упруго деформированный изгибом кристалл. Этот способ позволяет легировать полупроводники при комнатной температуре за счет увеличения концентрации электрически активной примеси, которая переходит в узлы кристаллической решетки из междоузельных положений под действием неоднородного по толщине кристалла поля упругих напряжений. Недостаток способа [1] в том, что при его реализации сохраняется высокая неоднородность распределения электрически активной примеси по объему легированного слоя, обусловленная структурной неоднородностью кристалла, связанной как с исходными, так и с радиационными дефектами, образовавшимися при имплантации. Такая неоднородность приводит к значительной дисперсии значений электрофизических характеристик по поверхности и глубине приборных слоев.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ ионно-лучевого легирования кристаллов [2], включающих внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг. Отжиг после облучения проводится для перевода внедренной примеси в электрически активное состояние и устранения радиационных дефектов. Недостаток способа [2] в том, что после постимплантационного отжига, особенно кристаллов, облученных высокими дозами ионов, сохраняются структурные дефекты и их неоднородное распределение по объему имплантированного слоя, прежде всего, вследствие трансформации радиационных дефектов в более стабильные за счет взаимодействия с ростовыми и технологическими (после абразивно-химических обработок поверхности кристаллов). Захват дефектами легирующей примеси приводит к ее частичной дезактивации, неоднородному пространственному распределению и, как следствие, к неоднородному изменению электрофизических свойств легированных слоев.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение концентрации электрически активной примеси и степени однородности распределения в легированном слое за счет снижения остаточной дефектности в кристалле.

Технический результат достигается тем, что в способе ионно-лучевого легирования кристаллов, включающем внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг, перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком, проводят отжиг.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком, проводят отжиг.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что в результате жидкостной обработки ультразвуком после облучения ионами в кристаллах происходит повышение пространственной однородности распределения концентрации исходных (ростовых и технологических) и радиационных дефектов под действием упругих волн, возбуждаемых кавитирующими пузырьками рабочей жидкости на поверхности кристалла. Упругие волны инициируют распад метастабильных комплексов радиационных дефектов и создают пересыщение по собственным точечным дефектам в приповерхностном облученном слое кристалла. Поскольку распределение источников упругих волн на поверхности кристалла стохастично, то в имплантированном слое возникает пространственно однородное динамическое поле упругих напряжений, активизирующее перестройку дефектов за счет консервативных и неконсервативных процессов. Перестраивающиеся дефекты стремятся перераспределиться в облученном слое (и в объеме кристалла) в соответствии с топологией однородного, практически с плоским фронтом, поля упругих волн. Кроме этого, упругие волны стимулируют частичное уменьшение концентрации дефектов (например, растворение ростовых и технологических микродефектов) и способствуют переходу внедренной примеси в электрически активное состояние за счет повышенной концентрации вакансий во время ультразвуковой обработки. Ограничение длительности хранения облученных ионами и обработанных ультразвуком кристаллов до отжига временем не более суток обеспечивает подавление негативных последствий релаксационных процессов, в результате которых частично может восстановиться исходная неоднородность распределения дефектов в имплантированном слое, т.е. снизиться эффективность перехода в электрически активное состояние внедряемой примеси при отжиге. Использование ультразвука с частотой 20-40 кГц позволяет реализовать заявляемый способ в стандартных промышленных моечных ультразвуковых ваннах, применяемых в технологии микроэлектроники, а также обеспечивает оптимальный и достаточно низкий уровень давления в кавитирующей жидкости, которое недостаточно для образования новых структурных дефектов.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Полупроводниковый кристалл тотально (по всей поверхности) или локально (через маски) облучают ионами необходимой легирующей примеси в заданных режимах, т.е. при определенной энергии, дозе и плотности ионного тока. Далее любым из известных методов, например четырехзондовым, измеряют поверхностное электрическое сопротивление в нескольких точках облученной поверхности кристалла и усредняют результат измерений. Затем кристалл обрабатывают в химически неактивной среде, например в деионизованной воде или спирте, ультразвуком с частотой интервала 20-40 кГц. Периодически с произвольньм временным интервалом обработку прерывают и вновь измеряют поверхностное сопротивление. Эту процедуру повторяют периодически. Обработку ультразвуком прекращают после того, как поверхностное сопротивление перестает изменяться. Следует отметить, что для однотипных по элементному составу и электрофизическим свойствам кристаллов, облученных одним сортом ионов в одинаковых режимах, длительность обработки ультразвуком может быть определена на 1-3 тестовых кристаллах и затем использоваться для всей обрабатываемой партии структур. После ультразвуковой обработки не позже, чем через сутки, кристаллы отжигают в инертной или окислительной атмосферах при температурных и временных режимах, которые задаются технологическим процессом изготовления данного типа полупроводникового изделия.

Примеры практической реализации заявляемого способа

Пример 1. Кристаллы кремния КЭФ-4,5 (001) толщиной 460 мкм облучали ионами бора с энергией 100 кэВ дозой 1-10¹³ см^-2. Затем одну партию пластин обрабатывали по способу-прототипу [2]: после имплантации проводили отжиг при температуре 600 К в течение часа. Другую партию кристаллов обрабатывали по заявляемому способу: после облучения на установке АМЦ 1467 измеряли поверхностное сопротивление на облученной стороне в 10 точках и проводили обработку ультразвуком в изопропиловом спирте на установке УЗУ-0,25 при частоте 44 кГц. Периодически с интервалом 30 мин измеряли сопротивление облученного слоя, которое стабилизировалось после ультразвуковой обработки в течение 3,5 часа. Далее через 12 часов пластины отжигались в вакууме при Т=600 К в течение 1 часа. Результаты измерения поверхностного электрического сопротивления имплантированного слоя кристаллов, легированных по способу-прототипу и заявляемому, представлены в табл.1.

Таблица 1.
Поверхностное электрическое сопротивление кристаллов КЭФ-4,5 (001) после облучения ионами бора, обработки ультразвуком и отжигаОперацииСпособ легирования ИзвестныйЗаявляемый Поверхностное сопротивление,  СреднееДисперсия по поверхностиСреднееДисперсия по поверхностиОблучение ионами14492451456273Обработка ультразвуком--1101162Отжиг1424229872101

Как видно из табл.1, заявляемый способ позволяет даже при относительно низких температурах постимплантационного отжига существенно уменьшить как среднее значение, так и дисперсию поверхностного сопротивления. Первое свидетельствует об увеличении концентрации электрически активной примеси в кристаллах, а второе - о повышении степени однородности распределения примеси по легированному слою.

Пример 2. Кристаллы кремния КДБ-12 (001) облучались ионами фосфора с энергией 50 кэВ дозой 6-10 ¹⁵ см^-2 и обрабатывались по заявляемому способу: после имплантации по результатам измерений поверхностного электрического сопротивления проводили ультразвуковую обработку на установке УЗМУ-1 (частота 22 кГц ) в деионизованной воде в течение 2 часов. После обработки пластины отжигались в потоке аргона при 1100 К в течение 1 часа. Варьировалась длительность хранения между операциями обработки ультразвуком и отжига. Результаты измерения поверхностного сопротивления легированных слоев кристаллов с разными сроками хранения представлены в табл.2. Исходные значения сопротивления до обработки ультразвуком: среднее 4·10³ и дисперсия 6,1·10² .

Таблица 2
Влияние длительности хранения пластин КДБ-12 (001) между операциями обработки ультразвуком и отжигаДлительность хранения, часПоверхностное сопротивление,  СреднееДисперсия по поверхности4,0732811,5772818,2772321,0792924,5823127,0944731,01185234,014364

Как видно из табл.2, при хранении кристаллов между ультразвуковой обработкой и отжигом больше суток происходит увеличение как среднего, так и дисперсии поверхностного сопротивления имплантированных слоев до значений, зафиксированных на контрольных пластинах, которые не обрабатывались ультразвуком. Для контрольных кристаллов после отжига среднее значение сопротивления составляло 191 , а дисперсия 84 .

Таким образом, при реализации заявляемого способа технический результат - повышение концентрации электрически активной примеси и степени однородности ее распределения в легированном слое - достигается.

Литература

1. А.с. СССР №420015, МПК Н 01 L 7/54 от 15.03.74. "Способ ионного легирования полупроводников". Авторы: Баранова А.С., Зорин Е.И., Павлов П.В., Пашков В.И.

2. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. - М.: Мир, 1973. - c.251-278.

Использование: изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии для формирования в кристаллах областей с различным типом и величиной электропроводности с помощью имплантации ионов средних (10-500 кэВ) энергий. Технический результат: повышение концентрации электрически активной примеси и степени однородности распределения в легированном слое за счет снижения остаточной дефектности в кристалле. Сущность изобретения: в способе ионно-лучевого легирования кристаллов, включающем внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг, перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком, проводят отжиг. 2 табл.

Способ ионно-лучевого легирования кристаллов, включающий внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг, отличающийся тем, что перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком проводят отжиг.