СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ p-n ПЕРЕХОДОВ В КРЕМНИИ Российский патент 2008 года по МПК H01L21/265 

Область техники

Представленное изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и устройств. Изобретение может использоваться в качестве способа формирования p-n переходов в кремнии при изготовлении различных полупроводниковых устройств для применения в области электроники, оптоэлектроники, бытовой электроники и информационных технологий.

Уровень техники

Известны способы создания в объеме полупроводника областей разного типа проводимости, в том числе p-n переходов, необходимых для большинства современных полупроводниковых приборов, основанные на легировании кристалла. Легирование или, иначе говоря, введение в кристалл примеси обычно осуществляют с помощью одного из трех процессов: диффузия, ионное внедрение (имплантация), радиационное облучение. При диффузионном и ионном легировании примесь вводят извне, при радиационном легировании примесь генерируют в объеме кристалла непосредственно из атомов легируемого материала. Эти традиционные процессы и способы легирования полупроводников имеют общие существенные недостатки [1-3]:

- необходимость высоких температур: так, диффузионное легирование обычно проводят при температуре более 1100°С, а при ионном и радиационном легировании необходим последующий отжиг возникших дефектов;

- загрязнение кристалла новыми примесями;

- загрязнение окружающей среды: все легирующие примеси ядовиты, поэтому операции легирования являются экологически вредными.

Известен способ формирования p-n перехода в полупроводниковой пластине, состоящий в диффузионном введении примеси n-типа (p-типа) в пластину из материала p-типа (n-типа) проводимости [1]. Недостаток способа заключается в том, что он сопровождается генерацией в кристаллическом материале пластины значительного количества структурных дефектов. Кроме того, необходимость использования высоких температур (вплоть до 1100-1350°С) при диффузионном легировании согласно [1] препятствует получению резких p-n переходов.

Прототипом предлагаемого способа является способ формирования p-n перехода в образце кремния путем ионной имплантации легирующей примеси в пластину из кремния [4]. Способ состоит во введении в пластину легирующих примесных атомов путем обработки ее поверхности соответствующими легирующими ионами с энергией от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ и последующем высокотемпературном отжиге возникших дефектов при температуре 700-800°С. В частности, для получения n-области в пластине полупроводникового материала p-типа поверхность пластины обрабатывают ионами n-примеси. Недостатки способа состоят в сложности его осуществления, сопутствующем образовании в пластине структурных дефектов, областей разупорядочения решетки, а при больших дозах высокоэнергетических ионов аморфизованных слоев. Последующий высокотемпературный отжиг устраняет только часть образовавшихся дефектов. Кроме того, он размывает созданный ионной обработкой p-n переход. Еще один недостаток этого способа состоит в загрязнении кристалла и окружающей среды новыми примесями.

Раскрытие изобретения

Целью заявляемого способа является упрощение, удешевление и повышение химической чистоты процесса формирования p-n перехода в образце кремния за счет использования нового физического эффекта быстрого низкотемпературного перераспределения примеси в полупроводнике, обеспечивающего:

- устранение необходимости внешнего легирования;

- резкое снижение температуры процесса (от 1000°С практически до комнатной температуры);

- предотвращение загрязнений кристалла и окружающей среды новыми примесями, ухудшающими свойства кристалла и отравляющими окружающую среду.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе [4], включающем обработку поверхности пластины ионами, указанную обработку проводят не легирующими пластину ионами: ионами газов VIII группы Периодической таблицы, азота или водорода; обработку проводят пучком ионов, предпочтительно либо через маску, либо сфокусированным пучком ионов; энергия ионов составляет от 0,01 до 50 кэВ; время обработки составляет от 1 с до 300 мин; плотность тока ионов составляет от 0,01 до 100 мА/см²; частота пульсации ионного тока составляет от 0,1 до 100 МГц; температура пластины во время обработки составляет от 0°С до 350°С. Высокотемпературный отжиг пластины после ионной обработки не производят.

Сущность предлагаемого способа формирования p-n перехода в образце кремния состоит в том, что изменение типа проводимости объемной области образца с образованием p-n перехода происходит в результате перераспределения примесей, уже имеющихся в образце до обработки ионами. Этим он отличается от способов диффузионного и ионного легирования, где изменение типа проводимости и образование р-n перехода в образце происходят в результате внедрения в него атомов другой легирующей примеси извне. И этим он отличается также от способов радиационного легирования, где легирующую примесь генерируют в объеме кристалла.

Сравнение предлагаемого способа с известным способом ионного легирования [4] показывает, что в обоих способах происходит внедрение ионов в приповерхностные слои обрабатываемого образца, поскольку такое внедрение (введение в полупроводниковые материалы дополнительных химических элементов) происходит практически при любой энергии бомбардирующих ионов, начиная с нескольких эВ [3, 4]. Однако между этими процессами существуют принципиальные отличия.

В известном способе ионной имплантации бомбардирующие ионы примесей:

- вводятся или внедряются не только в приповерхностную, но и в объемную область образца, практически на глубину требуемого p-n перехода. Для такого глубокого введения требуются высокие энергии бомбардирующих ионов, обычно десятки, сотни и тысячи кэВ;

- служат дополнительным донорным (акцепторным) химическим элементом, который изменяет акцепторный (донорный) тип проводимости того объема полупроводника, в который он введен, что приводит к образованию у границы этого объема p-n перехода. Поэтому в качестве таких ионов используются ионы легирующих донорных или акцепторных примесей.

В отличие от этого бомбардирующие ионы в предлагаемом способе:

- вводятся только в приповерхностную область образца на глубину, во много раз меньшую, чем у требуемого p-n перехода. Для такого приповерхностного введения используются низкие энергии бомбардирующих ионов: от 0,01 до 50 кэВ;

- не служат дополнительным(и) химическим(и) элементом(ами), который(ые) изменяет(ют) тип проводимости полупроводника. Сами они не являются для данного образца ни донорами, ни акцепторами, а служат как бы катализатором процесса перераспределения акцепторных (донорных) примесей, уже имеющихся в полупроводнике. В качестве таких ионов используют ионы нелегирующих примесей: ионы газов VIII группы, азота или водорода.

Физический механизм этого процесса в общих чертах состоит в следующем. Облучение образца нелегирующими ионами в предлагаемых режимах генерирует направленный от поверхности в объем образца поток межузельных атомов кремния Si_I. Благодаря очень высокой диффузионной подвижности Si_I даже при низких температурах через короткое время формируется устойчивый неоднородный профиль их распределения в образце. Равновесная концентрация Si_I при низких температурах крайне низка, поэтому в образце со сгенерированными Si_I создается огромное пересыщение. Возникшее пересыщение Si_I приводит к резкому увеличению межузельного компонента обычных примесей замещения. Путем реакций выбивания примеси из узлов кристаллической решетки в междоузлия и обратно устанавливается динамически равновесное соотношение концентраций межузельных и находящихся в узлах решетки атомов примеси. Это соотношение пропорционально пересыщению Si_I. Поэтому примесь замещения будет перераспределяться при низких температурах, накапливаясь в области образца с меньшим значением концентрации Si_I.. В результате в образце происходит локальная инверсия проводимости и формируется инверсный p-n переход, глубина которого нелинейно зависит от времени облучения.

Таким образом, предлагаемый способ основан на принципиально новом физическом эффекте быстрого низкотемпературного перераспределения примеси в полупроводнике. Предпосылкой для него является тот факт, что реальные кристаллы кремния всегда являются в той или иной мере компенсированными, то есть содержат как донорные, так и акцепторные примеси. Поэтому в них фактически уже есть все необходимое для создания областей разного типа проводимости, нужно лишь перераспределить имеющиеся примеси. Это перераспределение обеспечивается облучением образца нелегирующими ионами в заданных режимах, вызывающих генерацию в образце направленного от поверхности вглубь образца потока собственных межузельных атомов.

Указанные в прилагаемой формуле изобретения предпочтительные диапазоны параметров, обеспечивающих осуществление заявленного способа и достижение упомянутых выше результатов, выбраны экспериментально.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой РЭМ микрофотографии в режимах вторичной эмиссии и EBIC инверсного p-n перехода на сколах пластин из Si (фиг.1а-d), а также зависимость глубины Х_d перехода от продолжительности t облучения пластин из Si ионами Ar (фиг.1е). Все пластины были облучены с левой стороны, а время облучения t соответственно составляло: 30 мин (фиг.1а), 45 мин (фиг.1d), 60 мин (фиг.1е), 90 мин (фиг.1d). Более темная вертикальная полоса на фиг.1a-d представляет собой изображение такого p-n перехода.

Фиг.2 представляет собой РЭМ микрофотографии с профилем глубины EBIC сигнала сколов пластин из кремния с двумя (фиг.2а) и тремя (фиг.2b) индуцированными ионным облучением p-n переходами после двойного облучения. Более темные вертикальные полосы представляют собой изображения таких p-n переходов. Более светлая горизонтальная полоса показывает нулевой уровень сигнала.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

ПРИМЕР 1.

Полированные пластины из p-Si толщиной 500 мкм были изготовлены из полученного методом Чохральского кристалла Si, легированного бором до концентрации порядка 10¹⁵ см^-3. Пластины с одной стороны были облучены ионами Ar в газовой плазме (энергия иона 1,5 кэВ, частота 13,56 МГц, плотность тока ионов 1 мА/см², температура образца 50°С, время обработки от 5 до 180 минут). Формирование n-области вблизи облученной поверхности пластин из p-Si после бомбардировки ионами Ar было подтверждено с помощью обычной методики термо-ЭДС (термоэлектродвижущей силы): на обработанной стороне пластины термо-ЭДС изменялась на противоположную. Формирование p-n перехода было подтверждено также данными, основанными на эффекте Холла. После этого на сколах пластин был изучен профиль распределения типа проводимости по глубине с помощью тока, индуцированного электронным лучом в сканирующем электронном микроскопе (SEM EBIC методика от англ. Scanning Electron Microscope Electron-Beam Induced Current). Для этой цели нанесением высококачественного металлического покрытия был изготовлен барьер Шотки. Такие барьеры (или мелкие p-n переходы) часто используются в SEM EBIC исследованиях микродефектов и неоднородностей кристалла. На некоторой глубине пластины ясно проявлялся n-p переход как острый пик EBIC сигнала (фиг.1а). При увеличении времени облучения с 5 минут до 180 минут глубина p-n перехода (обозначенная как Х_d) увеличивалась от 0,1 микрона до 480 микрон (фиг.1е). Глубина X_d перехода (его расстояние от обработанной поверхности пластины) была нелинейной функцией продолжительности облучения t (фиг.1е). Также наблюдалась некоторая задержка (1-15 минут) в движении перехода вглубь пластины. Когда p-n переход только начинал двигаться, а также когда он приближался к необработанной стороне пластины, скорость его движения уменьшалась. В пластине, необработанной ионами согласно настоящему изобретению, никакого перехода обнаружено не было.

ПРИМЕР 2. Эксперимент с двойным облучением.

Полированные пластины из p-Si толщиной 500 мкм были изготовлены из полученного методом Чохральского кристалла Si, легированного бором до концентрации порядка 10¹⁵ см^-3. Сначала пластины в течение 60 мин с одной (фронтальной) стороны были облучены ионами Ar в газовой плазме (энергия иона 1,5 кэВ, частота 13,56 МГц, плотность тока ионов 1 мА/см², температура образца 50°С). Затем образец в течение 45 мин снова обрабатывали с обратной стороны пластины при тех же условиях. После этого в пластине с помощью РЭМ были обнаружены два p-n перехода (фиг.2а).

ПРИМЕР 3. Эксперимент с двойным облучением.

Полированные пластины из p-Si толщиной 500 мкм были изготовлены из полученного методом Чохральского кристалла Si, легированного бором до концентрации порядка 10¹⁵ см^-3. Сначала пластины в течение 90 мин с фронтальной стороны были облучены ионами Ar в газовой плазме (энергия иона 1,5 кэВ, частота 13,56 МГц, плотность тока ионов 1 мА/см², температура образца 50°С). Затем образцы в течение 30 мин снова обрабатывали с обратной стороны пластины при тех же условиях. После этого в пластине были обнаружены с помощью РЭМ три p-n перехода (фиг.2b).

ЛИТЕРАТУРА

1. В.D.Stone. In: Impurity doping processes in silicon. Ed. Wang F.F.Y., North. Holland Publishing Company, 1981, p.244.

2. H.G.Kramer. In: Neutron-transmutation-doped silicon. Ed. Caldberg J. Plenum Press, 1981, p.207.

3. Легирование полупроводников ионным внедрением. Сборник статей, М.: Мир, 1971, с.179-191.

4а. Технология СБИС, М.: Мир.

4. Дж.Мейер и др. Ионное легирование полупроводников /кремний, германий/, М.: Мир, 1973, с.248.

5. A.N.Buzynin, A.E.Luk'yanov, V.V.Osiko, V.V.Voronkov. Non-equilibrium impurity redistribution in Si. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, В 186 (2002), p.366-370.

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и устройств и может использоваться для формирования p-n переходов в кремнии. Сущность изобретения: в способе формирования p-n перехода в кристалле кремния, включающем обработку поверхности кристалла пучком ионов, обработку поверхности кристалла выполняют пучком не легирующих пластину ионов. Способ обеспечивает упрощение, удешевление и повышение химической чистоты процесса формирования p-n перехода в образце кремния за счет использования нового физического эффекта быстрого низкотемпературного перераспределения примеси в полупроводнике. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования p-n перехода в кристалле кремния, включающий обработку поверхности кристалла пучком ионов, отличающийся тем, что обработку поверхности кристалла выполняют пучком не легирующих кристалл ионов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку выполняют через маску.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку выполняют сфокусированным пучком ионов.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку выполняют ионами газов VIII группы Периодической таблицы.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку выполняют ионами азота.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку выполняют ионами водорода.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что энергия ионов составляет от около 0,1 до около 50 кэВ.8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что время обработки составляет от около 1 с до около 300 мин.9. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что плотность тока ионов составляет от 0,01 до около 100 мА/см².10. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что частота пульсации ионного тока составляет от 0,1 до около 100 МГц.11. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что температура кристалла в форме пластины в течение обработки составляет от 0 до около 350°С.