СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЕВ Р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ НА КРИСТАЛЛАХ InAs Российский патент 2015 года по МПК H01L21/265 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InAs 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).

Известен способ изготовления слоев p-типа проводимости на InAs диффузией атомов кадмия (Mark Е. Greiner, Charles I. Martin Indium Arsenide Photovoltaic Detectors, Advances in Fabrication and Performance. Proc. SPIE, 1986 г., c.686.). Недостатком способа является невозможность изготовления локальных слоев для планарных p-n-переходов из-за отсутствия маскирующих пленок при диффузии кадмия, а также получения слоев p-типа с требуемой концентрацией и толщиной.

Также известно, что легированные слои p-типа проводимости в InAs могут быть изготовлены имплантацией ионов Cd⁺ (Акимченко И.П., А.В. Панчина и др. Спектры фотоЭДС InAs, имплантированного ионами Cd⁺. Краткие сообщения по физике. - Труды ФИАН, 1980 г., №7, с.3-7.). Однако, из-за высокой степени дефектности, произведенной таким "тяжелым" ионом, как Cd⁺ последующий отжиг не позволяет уменьшить ее в такой мере, чтобы соответствовать по структурному совершенству диффузионным слоям или слоям, полученным имплантацией «легких» ионов, таких как Ве⁺ или Mg⁺.

Известен способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InAs (Астахов В.П., Дудкин В.Ф., Данилов Ю.А., Лесников В.П., Сидорова Г.Ю., Суслов Л.А., Таубкин И.И., Эскин Ю.М. Планарные фотодиоды на основе материала InAs. - Письма в Журнал технической физики, 1992 г., т.18, №3, с.1-5.), включающий имплантацию ионов Ве+ и стационарный отжиг. Недостатком способа являются высокие температуры отжига и недостаточное совершенство слоев.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и принятый за прототип способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InAs (Патент РФ на изобретение №2045107. Астахов В.П., Данилов Ю.А., Давыдов В.Н., Лесников В.П., Дудкин В.Ф., Сидорова Г.Ю., Таубкин И.И., Трохин А.С. Способ изготовления планарных p+-n-переходов на кристаллах InAs n-типа проводимости.), включающий имплантацию ионов Ве⁺ с энергией (30÷100) кэВ и дозой (10¹³÷3·10¹⁴) см^-2 и постимплантационный отжиг при температурах (550÷600)°C. Недостатками прототипа являются также высокие температуры отжига и недостаточное совершенство слоев.

Задачей, решаемой предложенным способом, является получение слоев с наилучшими структурными свойствами при более низких температурах постимплантационного отжига.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является улучшение структурного совершенства за счет подбора режима постимплантационного отжига.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InAs, включающем имплантацию ионов Ве⁺ с энергией (30÷100) кэВ и дозой (10¹³÷3·10¹⁴) см^-2 и постимплантационный отжиг, отжиг проводят в две стадии с длительностью каждой (10÷20) с: первая - при температуре T₁=400÷450°C, вторая - при температуре Т₂=500÷550°C.

Использование двухстадийного режима отжига объясняется тем, что в имплантированных слоях имеются, как правило, два типа дефектов: простые (на основе вакансий) и сложные (комплексы на основе вакансий и межузельных атомов), которые отжигаются соответственно при более низких (в нашем случае 400÷450°C) и более высоких (в нашем случае 500÷550°C) температурах. Наиболее эффективно отжиг происходит тогда, когда сначала отжигаются простые, а затем - сложные дефекты, поскольку применение сразу более высокой температуры приводит к развалу обоих типов дефектов одновременно и резкому увеличению при этом числа простейших дефектов, на основе которых в данных условиях могут образовываться новые сложные дефекты.

Длительность отжига на каждой стадии снизу (10 с) ограничена необходимостью продуктам распада достичь поверхности и рекомбинировать на ней, а сверху (20 с) - необходимостью не дать развиться процессу испарения мышьяка из кристалла.

Реализовать быстрый (секундный) отжиг наиболее удобно с помощью нагрева излучением галогенных ламп на промышленных установках фотонного отжига, например, типа «Оникс». При этом, как правило, используется кремниевый фильтр для того, чтобы отсечь коротковолновую составляющую излучения, присутствие которой приводит к перегреву тонкого (0,1-0,2 мкм) приповерхностного слоя и появлению в нем закалочных центров, ухудшающих структурные и электрофизические свойства слоя.

Эта техника является наиболее технологичной и наименее энергозатратной по сравнению с двухзонными печами, применяемыми при стационарном (десятки минут) отжиге для создания избыточного давления летучего компонента соединений A_IIIB_V.

Для определения режимов наиболее эффективного отжига был проведен ряд экспериментов на кристаллах InAs n-типа проводимости с исходной концентрацией доноров ~3·10¹⁶ см^-3. Для создания слоев p-типа проводимости в пластины проведена имплантация ионов Ве⁺ с энергией 40 кэВ и дозой 1,2·10¹⁴ см^-2. Отжиг проводился на установке с галогенными лампами типа «Оникс» через кремниевый фильтр в атмосфере аргона в одно - и двухстадийном режимах при различных температурах и длительностях отжига на каждой стадии. Скорость нагрева до температуры отжига составляла 8,5°C/с, скорость охлаждения - (8÷10)°C/мин. Оценочным параметром структурных свойств слоя является значение напряжения термо-эдс U_тэдс, измеренное с точностью 1 мВ, и концентрация дырок p в легированном слое, рассчитанная подстановкой значения U_тэдс в формулу

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

При этом считается, что степень структурного совершенства пропорциональна значениям p.

Результаты экспериментов по одно- и двухстадийному отжигу при длительности каждой стадии (10÷20) с представлены графически на чертеже как зависимость концентрации дырок p от температур одностадийного и второй стадии двухстадийного отжигов, где 1 - одностадийный отжиг, 2 - двухстадийный отжиг при T₁=400÷450°C, 3 - двухстадийный отжиг при T₁=350°C, 4 - значения p по способу-прототипу, 5 - теоретический предел p. При длительности стадий за пределами указанного интервала получались меньшие значения p. Представлены также значения p, соответствующие теоретическому пределу и способу-прототипу.

Как видно из чертежа, заявленный двухстадийный режим с температурой первой стадии 400÷450°C и температурой второй стадии в диапазоне (500÷600)°C обеспечивает наибольшие значения p, близкие к теоретическому пределу - средней концентрации дырок в легированном слое (р_ср.=3,5·10¹⁸ см^-3) и превышает значение, соответствующее прототипу (2·10¹⁸ см^-3). Снижение температуры первой стадии за 400°C уменьшает значения p, делая их соответствующими значениям, полученным при менее эффективном одностадийном отжиге.

Таким образом, представленные экспериментальные результаты показывают, что, по сравнению с прототипом, предложение позволяет снизить значения температуры постимплантационного отжига от (550÷600)°C до (500÷550)°C и улучшить структурные свойства слоев в такой мере, которая соответствует увеличению концентрации дырок в легированном слое при Т=77 К в ~1,5 раза.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InAs n-типа проводимости, фототранзисторов, фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости. Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InAs включает имплантацию ионов Ве⁺ с энергией (30÷100) кэВ и дозой (10¹³÷3·10¹⁴) см^-2 и постимплантационный отжиг в две стадии с длительностью каждой (10÷20) секунд, первая - при температуре T₁=400÷450°C, вторая - при температуре Т₂=500÷550°C. За счет наиболее эффективного отжига, при котором сначала отжигаются простые, а затем сложные дефекты, происходит улучшение структурного совершенства слоев. 1 ил.

Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InAs, включающий имплантацию ионов Be⁺ с энергией (30÷100) кэВ и дозой (10¹³÷3·10¹⁴) см^-2 и постимплантационный отжиг, отличающийся тем, что отжиг проводят в две стадии с длительностью каждой (10÷20) с: первая - при температуре T₁=(400÷450)°C, вторая - при температуре T₂=(500÷550)°C.