СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЕВ p-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ НА КРИСТАЛЛАХ InSb Российский патент 2013 года по МПК H01L31/18 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InSb n-типа проводимости (изготовление p-n-переходов), фототранзисторов (изготовление базовых областей на кристаллах n-типа проводимости и эмиттеров и омических контактов на кристаллах p-типа проводимости), фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости (омические контакты).

Известно, что легированные слои p-типа проводимости в InSb могут быть изготовлены имплантацией ионов Cd⁺, Mg⁺ и Ве⁴⁺. При этом лучшими структурными и электрофизическими свойствами обладают слои, полученные имплантацией ионов Be⁺-самого легкого иона этой группы элементов, производящего меньше всего нарушений в кристаллической решетке InSb. Известно также (см. И.Г.Стоянова, Н.А.Скакун, А.С.Трохин. Журнал «Поверхность: Физика химия механика», 1988 г., №8, стр.144-146. «Локализация атомов бериллия в кристаллической решетке антимонида индия при ионной имплантации»), что атомы бериллия уже при имплантации занимают узлы подрешетки In и становятся электрически активными. Однако радиационные дефекты, имеющиеся в имплантированном слое, проявляют себя как доноры, компенсирующие дырочную проводимость и уменьшающие концентрацию дырок р. При последующем отжиге концентрация дефектов уменьшается, в результате чего улучшаются структурные и электрофизические свойства слоя и значение p возрастает. При этом чем более совершенным становится слой, тем больше будет значение p, стремясь к значению концентрации атомов бериллия в слое.

Из этого следует, что при фиксированных энергии и дозе имплантации ионов Ве⁺ достижение наибольшего значения p соответствует наилучшим структурным и электрофизическим свойствам легированного слоя. Таким образом, успех создания слоев p-типа проводимости в InSb при имплантации ионов Ве⁺ определяется эффективностью постимплантационного отжига. Наиболее технологичным и уже показавшим свои преимущества является импульсный отжиг излучением галогенных ламп.

Известен способ изготовления слоев p-типа проводимости при создании p-n-переходов на кристаллах InSb n-типа проводимости, включающий имплантацию ионов Be⁺ с энергией 20÷100 кэВ и дозой (5·10¹¹÷6·10¹⁴) см^-2 и последующий отжиг импульсами излучения галогенных ламп с длительностью (0,8÷10)с при плотности мощности излучения (50÷100) Вт/см² (см. патент РФ №2056671, МПК H01L 21/265 опубл. 20.06.1996 г.). Недостатком способа является наличие остаточных радиационных дефектов n-типа, ухудшающих структурные и электрофизические свойства слоя и уменьшающих концентрацию дырок, обусловленную электрически активными атомами Be.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и принятый за прототип способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InSb, включающий имплантацию ионов Be⁺ с энергией не более 40 кэВ и дозой не более 10¹⁴ см^-2 и последующий импульсный отжиг излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр в атмосфере осушенного аргона или азота с длительностью импульса (1-10)с и температурой образца Т=(350÷370)°С со скоростью нарастания температуры (15÷350) град/с и скоростью охлаждения после отжига не более 10 град/мин (см. Астахов В.П. и др. «Применение импульсного лампового отжига в технологии изготовления фотодиодов из антимонида индия». Научно-технический сборник «Вопросы оборонной техники», серия 11, вып.1-2 /136-237/, стр.18-22, 1993 г.). Недостатком прототипа является также наличие остаточных радиационных дефектов, ухудшающих структурные и электрофизические свойства слоя и уменьшающих концентрацию дырок в слое.

Предлагаемый способ изготовления решает задачу уменьшения остаточных радиационных дефектов в получаемом слое.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является улучшение структурных и электрофизических свойств слоев p-типа проводимости, получаемых на кристаллах InSb.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InSb, включающем имплантацию ионов Be⁺ с энергией не более 40 кэВ и дозой не более 10¹⁴ см^-2 и последующий импульсный отжиг излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр в атмосфере осушенного аргона или азота с нагревом образца до температуры отжига со скоростью (15÷350) град/с и охлаждением после отжига со скоростью не более 10 град/мин, отжиг проводят в две стадии: первая - при температуре T₁=(300-320)°C с длительностью отжига τ₁=(40÷120) с, вторая - при температуре Т₂=(385÷400)°C с длительностью отжига τ₂=(10÷20) с.

Отжиг дефектов в две стадии объясняется наличием в имплантированном слое двух типов радиационных дефектов - простых, отжигающихся при температурах T₁ и более сложных, отжигающихся при температурах Т₂>T₁. Выдержки при температурах T₁ и Т₂ в течение соответствующих значений τ₁ и τ₂ необходимы для завершения процессов диффузии к поверхности кристалла продуктов распада этих дефектов - точечных дефектов. Необходимость проведения сначала первой стадии отжига при температурах T₁, а затем второй стадии при температурах T₂>T₁, вызвана тем, что переход ко второй стадии, минуя первую, вызывает одновременный распад сразу 2-х типов дефектов. Это резко увеличивает концентрацию точечных дефектов и повышает вероятность их взаимодействия с образованием новых сложных дефектов. При постадийном повышении температуры, когда отжигается сначала один тип дефектов, а затем - другой, образование новых сложных дефектов менее вероятно благодаря меньшим концентрациям точечных дефектов при температурах отжига. Нижние значения указанных интервалов температур T₁ и Т₂ определяются началом распада своего вида дефектов, а верхние - завершением этого процесса. Превышение верхнего значения интервала T₂ приводит к активации процессов разложения более сложных дефектов, взаимодействию всех типов имеющихся дефектов и образованию новых сложных дефектов. Превышение верхнего значения интервала Т₁ приводит к активации испарения атомов Sb из кристалла и связанному с этим образованию также новых сложных дефектов. Уменьшение нижних значений указанных интервалов τ₁ и τ₂ приводит к тому, что точечные дефекты, образующиеся при распаде соответствующих типов дефектов, не успевают стечь к поверхности, а превышение верхних значений - к проявлению диффузионных процессов, связанных с испарением атомов Sb и приводящих к формированию новых дефектов.

Для определения оптимальных значений режимов отжига был проведен ряд экспериментов на кристаллах InSb n-типа проводимости с исходной концентрацией доноров ~10¹⁵ см^-3. Для создания слоев p-типа проводимости в пластины проведена имплантация ионов Be⁺ с энергией 30 кэВ и дозой 6*10¹³ см^-2. Отжиг проводился на установке с галогенными лампами типа «Оникс» через кремниевый фильтр в одно-, двух- и трехстадийном режимах при различных температурах и длительностях стадий в атмосфере осушенного аргона. Скорость нагрева до температуры отжига составляла (60÷70) град/с, скорость охлаждения - (8÷10) град/мин. Оценочным параметром структурных и электрофизических свойств слоя являлось значение напряжения термо-э.д.с и, пэдс, измеренное с точностью 1 мВ, и концентрация дырок в легированном слое, рассчитанная подстановкой значения U_тэдс в формулу

,

где k - постоянная Больцмана, е - элементарный заряд, N_ν - плотность состояний в валентной зоне, ΔT - разность температур нагреваемого и ненагреваемого зондов.

U_тэдс измерялось с помощью прижимных нагреваемого и ненагреваемого зондов на пластинах, залитых жидким азотом, при постоянной температуре нагреваемого зонда. По знаку U_тэдс определялся тип основных носителей заряда в слое. Аналогичные измерения произведены на слоях, изготовленных по способу-прототипу.

Результаты экспериментов представлены в таблице и они сводятся к следующему.

Выполнение всех условий предложения (в таблице выделено жирным шрифтом), включая значения интервалов параметров T₁=(300÷320)°С, T₂=(385÷400)°С, τ₁=(40÷120)с, τ₂=(10÷20) с, приводит к получению наибольших значений U_тэдс=(45÷46) мВ и p=(2,1÷2,24)*10 см¹⁸ м^-3, причем p соответствует среднему значению, определяемому дозой имплантации (по расчету р~2,1·10¹⁸ см^-3). Уход хотя бы одного параметра за пределы значений указанных интервалов на 10°С для T₁ и Т₂ и (5-10) с для τ₁ и τ₂, приводит к уменьшению U_тэдс на (2÷5) мВ и p - на (20-30)%. Увеличение ухода параметров приводит к дальнейшему уменьшению значений U_тэдс и р.

Все эти результаты не зависят от того, в какой момент времени после окончания импульса первой стадии длительностью τ₁ начинается нагрев для проведения второй стадии.

Увеличение числа стадий ни при каких условиях не позволяет улучшить результат, получаемый по предложению.

Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что наилучшие структурные и электрофизические свойства легированных слоев получаются при реализации предложения. При этом значения U_тэдс в ~2,5 раза, а p - в 7 раз превосходят значения, полученные по способу-прототипу (U_тэдс=18 мВ, p=2,5·10¹⁷ см^-3), что свидетельствует о значительном преимуществе предложения перед прототипом.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InSb n-типа проводимости (изготовление p-n-переходов), фототранзисторов (изготовление базовых областей на кристаллах n-типа проводимости и эмиттеров и омических контактов на кристаллах p-типа проводимости), фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости (омические контакты). В способе изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InSb, включающем имплантацию ионов Be⁺ с энергией не более 40 кэВ и дозой не более 10¹⁴ см^-2 и последующий импульсный отжиг излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр в атмосфере осушенного аргона или азота с нагревом образца до температуры отжига со скоростью 15-350 град/с и охлаждением после отжига со скоростью не более 10 град/мин, при этом отжиг проводят в две стадии: первая - при температуре 300-320°C с длительностью отжига 40-120 с, вторая - при температуре 385-400°C с длительностью отжига 10-20 с. Изобретение обеспечивает улучшение структурных и электрофизических свойств получаемых слоев, так как в этом случае наиболее эффективно отжигаются как простые, при более низких температурах, так и сложные, при более высоких температурах, радиационные дефекты, отжиг в течение указанного времени необходим для завершения процессов диффузии к поверхности кристалла продуктов распада этих дефектов - точечных дефектов. 1 табл.

Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InSb, включающий имплантацию ионов Be⁺ с энергией не более 40 кэВ и дозой не более 10¹⁴ см^-2 и последующий импульсный отжиг излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр в атмосфере осушенного аргона или азота с нагревом образца до температуры отжига со скоростью 15-350°/с и охлаждением после отжига со скоростью не более 10°/мин, отличающийся тем, что отжиг проводят в две стадии: первую - при температуре 300-320°C с длительностью отжига 40-120 с, вторую - при температуре 385-400°C с длительностью отжига 10-20 с.