СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЕВ р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ НА КРИСТАЛЛАХ InGaAs 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 InGaAs 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 кристаллах InGaAs диффузией атомов кадмия (см. пат. РФ №2318272, МПК H01L 31/18, опубл. 27.08.2008 г.). Недостатком способа является низкая производительность, связанная с ограниченными размерами диффузионных кварцевых ампул, большой расход ампул, ограничение диаметра пластин диаметром ампулы. К недостатку способа следует отнести сложность в изготовлении слоев p-типа проводимости с требуемой концентрацией и толщиной.

Также известно, что легированные слои p-типа проводимости InGaAs в составе гетероструктур могут быть изготовлены имплантацией ионов Be⁺ с применением последующего быстрого термического отжига при температуре 850°С в течение 30 с в атмосфере РН₃/Н₂ (см. Wulf Haussler, J.W. Walter, J. Muller. Ion Implantation into InP/InGaAs Heterostructures Grown by MOVPE. Mat. Res. Soc. Semp. Proc. (1989), Vol.147, pp.333-338). Недостатками способа являются необходимость использования взрывоопасного Н₂ и токсичного РНз, а также высокая температура отжига, при которой стимулируется испарение As, приводящее к ухудшению электрофизических свойств легированного p-слоя.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому и принятый за прототип способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InGaAs (см. S. Hata, M. Ikeda, Т. Amano, G. Motosugi, K. Kummada. Planar InGaAs/InP PINFET Fabricated by Be Ion Implantation. Electronics Letters, 1984, Vol.20, No.22, p.947-948), включающий имплантацию ионов Ве⁺ и последующий стационарный отжиг при температуре 600°С в течение 20 минут после нанесения на имплантированный слой капсулирующей пленки нитрида кремния. Недостатком способа является низкая технологичность, связанная с использованием длительного энергозатратного стационарного отжига и необходимостью нанесения и затем удаления капсулирующей пленки, которая при отжиге может создавать механические напряжения в легированном слое, приводящие к формированию дислокации, ухудшающих электрофизические свойства слоя.

Предлагаемый способ изготовления слоев p-типа проводимости позволяет получать слои с наилучшими электрофизическими свойствами и решает задачу повышения технологичности и снижения энергозатрат за счет перехода от длительного стационарного отжига с капсулирующей пленкой к секундному постимплантационному без капсулирующей пленки.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является повышение технологичности и снижение энергозатрат за счет отказа от капсулирующей пленки и снижения температуры отжига от 600°С до 570-580°С при изготовлении слоев с наилучшими электрофизическими свойствами.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InGaAs, включающем имплантацию ионов Be⁺ и постимплантационный отжиг, последний проводят при температуре 570-580°С с длительностью 10-20 с в вакууме или осушенной нейтральной атмосфере. В частном случае выполнения отжиг проводят излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр.

Заявленный режим с температурой отжига 570-580°С и длительностью 10-20 с обеспечивает наибольшие значения концентрации дырок p, близкие к расчетному значению, что свидетельствует о достижении наилучших электрофизических свойств слоя. При температурах ниже 570°С наблюдается резкое снижение значений p, что свидетельствует о недостаточности температуры для отжига радиационных дефектов, введенных при имплантации ионов Be⁺. Повышение температуры выше 580°С не приводит к росту значений p, но при этом значительно повышается вероятность разложения слоя InGaAs. Уменьшение и увеличение длительности отжига за пределы 10-20 с также приводит к снижению значений p, в первом случае - за счет недостаточности времени для стока к поверхности продуктов распада сложных дефектов, а во втором - за счет начала испарения атомов As.

Оценочным параметром электрофизических свойств слоя являлось среднее значение концентрации дырок р в легированном слое, рассчитанное по формуле

где U_mэдс - измеренное на слое напряжение термо-ЭДС, k - постоянная Больцмана, е -элементарный заряд, N_v - плотность состояний в валентной зоне, ΔT - разность температур нагреваемого и ненагреваемого зондов при измерении U_mэдс.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором приведены зависимость концентрации дырок р от температуры отжига с длительностью 10÷20с (1) и ее расчетное значение (2).

Реализовать быстрый (секундный) отжиг наиболее удобно с помощью нагрева излучением галогенных ламп на промышленных установках импульсного 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 закалочных центров, ухудшающих электрофизические свойства р-слоя. Для предотвращения окисления поверхности отжиг следует проводить либо в вакууме, либо в осушенной нейтральной атмосфере, например, азота или аргона. Это позволяет отказаться от капсулирующей пленки нитрида кремния, наносимой с применением токсичного и взрывоопасного моносилана.

Для определения оптимальных значений режимов отжига был проведен ряд экспериментов на кристаллах InGaAs в виде эпитаксиальных слоев в составе гетероструктур InGaAs/InP. Слой In_0,53Ga_0,47As n-типа проводимости с концентрацией доноров 7,9·10¹⁴ см^-3 толщиной ~ 3 мкм выращен на подложке InP методом МОС-гидридной эпитаксии. Концентрация электронов в InP~10¹⁸ см^-3. Для создания слоев In_0,53Ga_0,47As p-типа проводимости в эпитаксиальные слои структур проведена имплантация ионов Be⁺ с энергией 40 кэВ и дозой 1,2·10¹⁴ см^-2. Отжиг отдельных образцов при одной из выбранных температур из диапазона 500-600°С проводился на установке с галогенными лампами типа «Оникс» в вакууме при остаточном давлении ~10^-2 торр через кремниевый фильтр при длительности 1-30 с. Скорость нагрева до температуры отжига составляла 8,5°С/с, скорость охлаждения - 8-10°С/мин. Для получения оценочного параметра напряжение U_mэдс измерялось с точностью 1 мВ с помощью прижимных нагреваемого и ненагреваемого зондов на пластинах, залитых жидким азотом, при постоянной температуре нагреваемого зонда. По знаку U_mэдс определялся тип основных носителей заряда в слое.

Результаты экспериментов, представленные графически на чертеже, показывают, что заявленный режим с температурой отжига 570÷580°С и длительностью 10÷20 с обеспечивает наибольшие значения p, близкие к расчетному значению - средней концентрации дырок в легированном слое толщиной 0,3 мкм (р_р=4·10¹⁸ см^-3). Таким образом, совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что при реализации предложенного способа повышается технологичность изготовления легированных слоев InGaAs с наилучшими близкими к расчетным электрофизическими свойствами материала. Также преимуществом предложенного способа является снижение энергозатрат за счет уменьшения температуры и длительности отжига.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InGaAs n-типа проводимости, фототранзисторов, фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости. В способе изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InGaAs, включающем имплантацию ионов Be⁺ и постимплантационный отжиг, последний проводят при температуре 570÷580°С с длительностью 10÷20 с в вакууме или осушенной нейтральной атмосфере, что позволяет повысить технологичность и снизить энергозатраты при получении слоев с наилучшими электрофизическими свойствами. В частном случае выполнения отжиг проводят излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InGaAs, включающий имплантацию ионов Ве⁺ и последующий отжиг, отличающийся тем, что с целью повышения технологичности, снижения энергозатрат и получения слоев с наилучшими структурными и электрофизическими свойствами отжиг проводят при температуре 570÷580°С с длительностью 10÷20 с в вакууме или нейтральной осушенной атмосфере.

2. Способ изготовления слоев p-типа проводимости на кристаллах InGaAs по п. 1, отличающийся тем, что нагрев образцов при отжиге производят излучением галогенных ламп через кремниевый фильтр.