Способ создания в кремнии слоев @ -типа проводимости Советский патент 1984 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к области физики и техники полупроводников, а именно к технологии получения полупроводниковых материалов и приборов . Существенным недостатком полупроводникового материалов, в том числе и кремния, является их чувствительность к действию радиации. Воздействие ядерного излучения приводит к образованию в полупроводниковом материале радиационных дефектов, которые имеют глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника что приводит к удалению электронов в п -кремнии из зоны проводимости и деградации материала /J ). Известен способ получения кремния П-типа с повышенной стойкостью к дей ствию радиации путем легирования кремния литием. Литий, введенный в кремний путем диффузии, образует мел кий донорный уровень Е-33. МэВ. Однако этот способ из-за высокой подвижности лития в кристаллической решетке кремния при ТА.;20С°С практ чески не может быть использован для создания тонких слоев и -типа с заданным профилем, и на различной глубине. Известен способ создания в крем1ниислоев VI-типа проводимости, вклю рающий бомбардировку протонами исходкого кремния и последующий отжиг Г2 В этом способе используются протоны с энергией 60-300 кэВ с последующим отжигом кремния при температурах выше 300с. в этом способе не удается получить пространственно устойчивый слой, поскольку доноры образуются практически вдоль всего пробега протонов в кремнии. Цель изобретения - увеличение ра диационной стойкости полученных сло ев и обеспечение их пространственной устойчивости при различных температурах. Это достигается тем, что бомбардировку проводят с энергиями не ниже 500 кэВ до концентраций в слое 108 - 10 , при этом температура подложки должна быть не.выше 50°С, а отжиг проводят при темпера турах 150-300 С в течение 5-40 мин Как показывают измерения, скорос введения мелких водородных доноров существенно выше (в 10-25 раз), еели энергия протонов выше 500-800 кэ и составляет около 0,1 донора на протон. Увеличение энергии протонов выше нескольких мегаэлектронвольт приводит к дальнейшему росту скорое ти введения доноров. Поэтому энерги протонов должна быть по крайней мере выше 500 кэВ. Глубина залегани слоя определяется пробегом протонов в кремнии. Если однако, необходимо создать слой на глубине меньше,чем пробег используемых протонов, то это достигается путем изменения угла падения пучка протонов и плоскости подложки в соответствии с формулой h сЗ S i п о; , где h - глубина залегания слоя; (3 - пробег протонов в кремнии; uL - угол между направлением пучка протонов и плоскостью подложки. Тот факт, что скорость введения мелких водородных доноров существенно выые при больших энергиях протонов, свидетельствует о пороговом их образовании и о том, что для их формирования необходимы сложные комплексы дефектов кристаллической решетки кремния. Образование стабильных комплексов дефектов, например тетравакансий, происходит лишь при температуре подложки л, 10-50°С . Проведенные измерения показали, что повышение температуры подложки при облучении до (v 150С приводит к уменьшению скорости введения мелких доноров примерно в 10 раз, а при Т л. 250-300 С они практически не образуются. Поэтому температура подложки при формировании слоев П -типа протонным облучением должна быть ниже по крайней мере 50°С. Понижение температуры подложки до к существенному увеличению скорости введения не приводит. Создание в слое концентрации водо |рода А-10 - см обеспечивает |кроме образования слоя П -типа нейтрализацию электрически активных примесей , например кислорода и точечных дефектов, образовавшихся при вторичном облучении. Благодаря высокой концентрации водорода в слое достигается значительное увеличение радиационной стойкости материала, Для формирования слоя п -типа необходим отжиг кремния при температуре 150-300с. Сочетание отжига при этой температуре и энергии протонов выше 500 кэВ обеспечивает образование пространственно стабильного И-типа, ширина которого, в отличие от облучения протонами низких энергий и температур отжига л/ , не превышает распределения внедренных протонов . Испытание радиационной стойкости :проводят на кремнии с проводимостью Ом-см, который получают путем внедрения vio см протонов с максимальной энергией 6 МэВ с последующим отжигом при 250°С в течение 20 мин. Исходным материалом служит кремний Р-типа с проводимостью 60-10 Ом-см, после отжига при ь450-С он инвертируется в И -тип.

В качестве контрольных образцов используют кристаллы fV- и р -типа К9Ф-5 и kAb-4,

Для создания радиационных дефектов используются протоны с энергией 30 МэВ. Протоны с такой энергией полностью простреливают испытываемые образцы, создавая лишь радиационные нарушения.

Результаты испытаний показали, что деградация проводимости в водородных образцах происходит при дозд протонов на порядок выше по сравнению даже с низкоомным (б ЭОМсм) кремнием р-типа и составляет л. 5 р/см2.

Учитывая, что протоны больших энергий эффективно создают дефекты, характерные для облучения быбтрыми электронами и нейтронами, следуе ожидать, что радиационная стойкость

водородных слоев к воздействию электронов или нейтронов будет заметно выше по сравнению с протонным облучением.

Предложенный способ создания радиационно стойких слоев И-типа кремния стабильных пространственно при различных температурах позволит создать полупроводниковые приборы длительно эксплуатируемые, например, в условиях воздействия радиации при допустимом периодическом нагреве до -1502000с .

Благодаря возможности создания глубоких слоев h-типа способ может быть использован для создания телескопов, детекторов тяжелых ядерных частиц высоких энергий, когда необходимо создать в кристалле кремни толщиной 300-500мкм несколько р ; У -переходов.

Способ создания в кремнии слоев П-типа проводимости, включающий бомь'» бардировку протонами исходного крем,- ния и последую[ций отжиг, отличающийся тем, что, с целью увеличения радиационной стойкости полученных слоев и обеспечения их пространственной устойчивости при различных температурах, бомбардировку проводят с энергиями не ниже 500 кэВ до концентраций в слое 10 10^° см~^, при этом температура подложки поддерживается не _выше 50°С, а отжиг проводят при темпера- с•1СЛ-^ллП•-I—^---.^,1-д. ii^jri j-cmiieuct —; турах 150-300° в течение 5-40 мин.^