Способ термообработки полупроводников и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК C30B33/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, связанной с прои водством полупроводниковых приборо и интегральных микросхем, и может быть использовано для улучшения их качества. Применяемые в настоящее время полупроводниковые материалы имеют неконтролируемые примеси и дефекты которые ограничивают подвижность основных носителей тока и приводят к уменьшению граничной частоты уСи ления транзисторов и уменьшению коэффициента усиления транзисторов к уменьшению быстродействия интегр льных схем и т.д. Известен способ удаления дефектов кристаллической структуры в полупроводниковых пластинах, включающий их предварительную шлифовку абразивом с последующей их термооб работкой в атмосфере, содержащей кислород Cll. Однако при этом способе возможн загрязнение поверхностного слоя пластин. Наиболее близким к изобретению является способ термообработки полупроводников , включающий нагрев образца и воздействие на него элект рического поля. Способ осуществляю в устройстве, включающем контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического поля, и нагреватель L21. Недостатком известного способа и устройства является большая длительность процесса при высоких температурах, что приводит к структурным нарушениям в кристаллах и не обеспечивает хороших электро 1изичес ких свойств, в частности достаточно высокой подвижности носителей тока, Целью изобретения является увеличение подвижности носителей тока Цель достигается тем, что согласно способу термообработки полупроводников, включающему нагрев образца и воздействие на него электри ческого поля, обработку ведут в ионизированной среде при пропускани через образец тока напряжением не более 300 В. С этой целью устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, снабжено цилиндром для ионизированной среды, который убтано лен под контейнером, внутри по оси цилиндра размещен электрически изолированный электрод, а в верхней части цилиндр имеет форму усечен-ного конуса для подачи ионизирован.ной среды по периферии образца. На фиг.1 приведена схема обработки образца в виде пластины; на . фиг.2 - схема обработки образца в виде стержня; на фиг.З - устройство, продольный разрез; на фиг.4 схема измерения подвижности методом Ван-дер-Пау. Образец 1 в виде пластины или стержня подключается к отрицательному полюсу генератора постоянного тока и размещается в-электролите 2, а анод 3 подключен к положительному полюсу. Накладки 4 выполнены из металла, хброшо проводящего электрический ток. Устройство (Лиг.З) содержит механизм опрессовки полупроводниковых образцов 5 и контейнер 6 для их размещения. С помощью механизма опрессовки полупроводниковый образец 1 прижимается к опорной шайбе 7 с определенным усилием, исключающим ее разрушение. Для выполнения этой задачи в механизме предусмотрены упругая шайба 8, гидравлический цилиндр 9 с плавным ходом, упругие элементы и ограничители хода. G помощью расположенных в контейнере узлов и агрегатов ионизированная среда.подводится к наружной поверхности образца 1. Цилиндр 10 служит источником ионизированной среды,, в котором ионизированная среда размещается, поступая из агрегата 11. Через цилиндр 10 также осуществляется циркуляция ионизированной среды, которая собирается в резервуаре 12 и вновь подается агрегатом 11 .в цилиндр 10. В полости цилиндра располагается шток 13, выполненный из электроизоляционного материала. Он снабжен в центральной части электродом 14, с помощью которого образец 1 подключается к отрицательному полюсу генератора постоянного тока. Сам цилиндр 10 подключается к положительному полюсу генератора. Шток 13 перекрывает большую часть поверхности образца 1, предотвращая контакт с ионизированной средой. Между штоком 13 и цилиндром 10 в верхней части образуется узкая щель, через которую истекает ионизированная среда, которая омывает кольцевую площадку образца- 1 небольшой ширины, благодаря тому, что в верхней, части цилиндр 10 имеет форму усеченного конуса. Пример. Устройство работает следующим образом. В качестве ионизированной среды используют водный раствор поташа (KgCOg) в концентрации 250 г на 1 л, который загружают в цилиндр 10. Образец в виде пластины из кремния КЭФ 0,3/0,1 толщиной 1,25 мм и диаметром 40 мм имеет уд.сопротивление 0,2 Ом-см и подвижность электронов 1340 с. Образец крепят с помогцью шайб 7 и 8. Глубина погружения образца в электролит по периферии 3 мм, температура на нагрева емой поверхности в конце нагрева , время нагрева 5 с, при напряжении на электродах 150 В и пло ности, тока 4 А/см. После нагрева полупроводниковая пластина в горячем состоянии извлекается из эле ролита и охлаждается на воздухе. Подвижность после обработки составила 1800 см2-/в с, что на 34% превысила исходную. В эдемента}с той же пластины на расстоянии 15 мм от нагреваемой по верхностиподвижность составила 1432 , что превысила исходную на 6,7%. В качестве ионизированной среды может быть использован концентрированНый водный раствор , NaC2, и т.д.,. их расплавы или ионизированный газ при напряжениях тока не более 300.в. .Для уменьшения напряжения тока на электродах осуществляют предварительный подогрев монокристалла до температуры не менее 400°С, При нагреве полупроводников в плазме ионизированной среды послед ние оказываются в особых, экстремальных условиях. У нагреваемой по верхности образца образуется двойной электрический слой, в состав которого входят ионы калия или нат рия, являющиеся металлами со свойс вами сильно действующих поверхност но-активных веществ, которые.могут .значительно понизить свободную по{верхностную энергию. Эффект пониже ния поверхностной энергии приводит к изменению физических свойств во всем объеме обрабатываемого образц I .1 Кроме того, у нагреваемой в плазме- ионизированной среды образц образуется электрическое поле весь высокой напряженности. Если электрическое поле вблизи поверхности металла при электролизных процесса имеет напряженность В/см, то при нагреве в электролите напряженность поля у катода еще боле значительная. Напряженность, равная В/см, является следств падения напряжения тока у катода (UK) в несколько вольт (обычно до 10-15 В). В то время как при элект ролитном нагреве у поверхности обр ца падение напряжения достигает 100-110 В. Таким образом,.кратковременная обработка полупроводнико в плазме ионизированной среды сопровождается воздействием на них резко неоднородных и нестандартных температурных и электромагнитных полей, которые играют решающую рол процессах, приводящих к ускореному изменению электрофизических свойств сплавов и полупроводников. В рассматриваемом виде нагрева электрическая энергия преобразуется у поверхности катода в тепловую, которая поступает в образец. Количество энергии, поступающей в образец, зависит от падения напряжения у катода. От величины этой же энергии зависят температура на поверхности образца, глубина проникновения температур- . ного поля в металл или полупроводник и скорость нарастания температуры в точках тела. Поэтому температура на поверхности полупроводника может изменяться в широких пределах от ( В) до температуры плавления полупроводников 936°С (германий) и 1417С (кремний) (ик,120 В). В указанном интервале температур может иметь место состояние теплового равновесия. Так для стали 40 температура теплового равновесия 900°С устанавливается при 125 В. Температура - при 150 В. От падения напряжения тока у поверхности полупроводника также зависит напряженность поля и его глубина распространения в материал образца. Экспериментальные данные показывают, что механические и электрофизические свойства материалов зависят от величины напряжения и продолжительности воздействия электрического поля. Оно является резко неоднородным и нестационарным, поскольку поле концентрируется в основном у поверхности полупроводников и формируется за определенный промежуток времени. Применительно к полупроводникам указанные положения подтверждаются рядом экспериментальных данных. Например, с помощью нагревания в электролите методом термо-ЭДС был определен тип проводимости кремния. При этом оказалось, что тип проводимости, измеренный после местного кратковременного нагревания (2-3 с) в электролите, прямо противоположен по сравнению с нагреванием обычным методом (термозондом). Таким образом, пластина кремния р-типа при нагревании в электролите определялась как п-типа и наоборот. После охлаждения пластины эффект обратимой проводимости исчезает. У германия после нагрева в электролите тип проводимости также меняется, но со своими особенностями. Если после местного нагрева в электролите кремния р-типа он становится полупроводником п-типа, а п-тип - р-типом, то германий п-типа после местного 1агрева- в электролите не меняет тип проводимости, а

германий р-типа после такого же нагрева меняет тип проводимости на обратный, т.е. на п-тип. В результате обычной термической обработки германия наблюдается превращение полупроводника п-типа в р-тип. Это длительный процесс при высокой температуре в атмосфере гелия. Но неизвестна возможность превращения путем терминеской обработки полупроводника р-типа в полупроводник п-типа. . ;

Таким образом, полученные данные о превращении кремния и-германия после местного нагрева fl электролите эа 2-3 с до температуры ЗОО-БОО С являются прямым доказательством влияния электромагнитного поля на существенные изменения в структуре полупроводников.

Обратимые превращения полупроводников по типу проводимости приводят к необратимымизменениям их электрофизических свойств, например г к изменению подвижности носителей заряца. Поэтому для оценки результатов термической обработки кремниевых полупроводников пи р-типов использовался сравнительный метод измерения подвижности носителей заряда.

Измерение подвижности и удельного сопротивления в элементах производились на полупроводниковых ,. кремниевых пластинах G использованием эффекта Холла модернизированным методом Ва.н-дер-11ау (фиг.4).

На поверхности образцов методом вакуумного напыления наносились 4 а;люминиевых контакта по вершинам квадрата. В этом слунае звдельное сопротивление полупроводника

| , RA«b |Rftcj A ; д „..

щина полупроводниковой пластины; п U« гч UBA

КАЬСС Подвижность носителей;заряда

.j.,d ugbifto

. чГ Т р ,

где В - индукция магнитного поля; изменение сопротивления, обусловленного магнитным полем В,

При измерениях образца до термообработки

АЪ Зва Зйо ОмА-, ЬМТл , UAc 6M&

Изменение UA.O под действием магнитного поля АОд 2,15 мВ;

2,15

0,215 Ом; Ueu , iSk bliAo - 1Q

350 мВ; d 1,25 мм; R

ВСВА Ом.

Удельное сопротивление

1 п-З (35+35.

3.a4

1,25 1U ( 2

0,694

2-10 Ом-м 0,2 Ом-см. Подвижность носителей

Of215 U-MI2.10-3 U/J.J4

Образец после термообработки измерялся в тех же режимах. При этом изменилось только д Пдо / которое составляло 2,2 мВ.Проведя аналогичные расчеты, определили подвижность носителей, которая оказалась равнойч1800 CMVB-c, т.е. увеличилась на 34%,

В зависимости от технологических режимов термообработки различные образцы показали увеличение подвижности на 6,74%; 2,75% и 18,7%.

Таким образом, из приведенных .данных следует, что предлагаемый

способ обработки, значительно отли.чается от известных способов термической обработки полупроводников. Известными способами кристаллы целиком нагреваются до 900°С и более высокой температуры, диффузионные процессы, протекающие при высокой температуре в полупроводниковых, играют основную роль,а накладываемое в отдельных случаях электрическое поле второстепенную роль

для направленного движения элементарных частиц. Эти. виды термической обработки длятся десятки часов. По предлагаемому способу основную роль в структурных изменениях играет электромагнитное ноле, сопровождающее местный нагрев полупроводНИКОВ до 300-500 С в ионизированной- среде. Длительность составляет все- го 3-7 с.

.

Предлагаемый способ термической обработки полупроводников позволяет регулировать изменение подвижностей носителей заряда в определенных пределах путем изменения напряжения на электродах, концентрации ионизированной среды поверхности- соприкоснойения полупроводника с ионизированной средой и расстояния между электродами.

1. Способ термообработки полупроводников, включающий нагрев-образца и воздействие на него электрического поля, отличающий-с я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, обработку ведут в ионизированной среде при пропускании через образец тока напряжением не более 300 в. 2. Устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца,г снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, устройство снабжено цилиндром для ионизированной среды, который установлен под контейнером, внутри по оси цилиндра размещен электрически изолированный элект(О род, а в верхней части цилиндр имеет форму усеченного конуса для подачи ионизированной среды по периферии образца. о а СП сд 4;;