Способ обработки эпитаксиальных слоев кремния Советский патент 1980 года по МПК H01L21/263 

1

Изобретение относится к способам обработки эпитаксиальных слоев кремния и может быть использовано в технологии нроизводства полуттроводниковых приборов.

Существует ряд методов создания неоднородного расттределения носителей зарядов в объеме полупроводникового материала. Основнымииз них являются диффузия и ионная икшлантация. Первый характеризуется тем, тто в исходный материал вводится некоторое количество примеси, создающее строго определенный профиль распределения концентрации носителей зарядов 11.

К недостаткам этого метода относятся длительность проведения процесса; необходимость использования дополнительных веществ примеси; невозможность управления положением и формой профиля распределения концентрации носителей зарядов, так как здесь он задается законом диффузии и имеет один и тот же неизменный вид.

Известен метод ионной имплантации, позволяющий получать профили распределения концентрации носителей зарядов путем введения

В кристаллическую решетку полупроводшжового кристалла ионов различных веществ 2, Основными недостатками ионной имплантации являются: внедрение исков на незначительную глубину в кристалле, не проаьгшающую 12 MKivi; невозможность щравлять положением и формой профиля распределения концентрации носителей зарядов; сз цественные нарущения структуры кристаллической решетки обрабатываемого объема; необходимость применения дополнительных веществ-примесей.

Известен способ обработки эпитаксиальных слоев кремния путем облучения чгстицаьш высоких энергий 3. Этот способ позволяет управлять формой профиля с помощью использования бомбардировки полупроводникового материала протонами или ионами инертного вещества.

Недостатком таких способов, кроме перечисленных дин процессов диффузии и ионной имплантации, является то, что так как частицы проникают на малые глубины, порядка 1-2 мкм, управление профилем распределения концентрации носителей зарядов осуществляется, в осно ном, в указанном интервале глубин. Цель изобретения - управление величиной и знаком градиента концентрации носителей зарядов, ее максимальным значением и положением этого максимума по глубине .шитакси ального слоя. Это достигается тем, что систему эпитаксиальный слой - подложка облучают быстрыми электронами с энергией 3-5 МэВ, дозами от 1X10 до см На чертеже изображен график профялей распределения, где кривая а - профклъ распр деления концентрации носителей зарядов для необлученного образца; кривая б - для дозы облучения 1 X. 10 см ; кривая в - для кривая г - дозы облучения 5 х для дозы облучения 1 х 10 см Сущность предлагаемого метода состоит в следующем. Систему эпитаксиальный слой - подложка облучают быстрыми электронами с энергией 3-5 МэВ, меняя дозу облучения от 1 X 10 до 1 X 10 см . При этом в объеме материала возникают точечные дефекты. Поверхность полупроводника является сто ком ДЛЯ дефектов. Поэтому их распределение по глубине будет неравномерным. Оно пропор ционально функции f- l-exp(-f), L где X -- расстояние от поверхности; L - длина диффузии радиационного дефекта. Особый интерес представляет применение такого воздействия к системе эпитаксиальный слой - подложка. Здесь существуют две границы для стока дефектов: поверхносл слоя и граница его раздела с подложкой. Резутгьтирующее распределение радиационных дефектов при этом определяется суперпозиплей двух функций f и будет иметь колоколообразную форму; Различие границ смещает максимум кривой распределения к одной из них. Радиационные дефекты создают энергетические уровни в запрещенной зоне, что обеспечивает неоднородное распределение носителей зарядов по глубине эпитаксиального слоя. Энергия - от 3 до 5 МэВ. Данный диапазон значений энергии выбирается, исходя из следующих соображений: физической основой предлагаемого способа обработки слоев является возникновение в них точечных дефе тов. При энергии электронов менее 4 МэВ количество и стабильность названных дефектов недостаточны для образования явно выраженног градиента концентрации носителей заряда. Кро .ме того, при таком значении энергии частиц ;набор необходимой дозы облучения происхоДИ1 j;i время. ;u-i;iioiiu-e iip,iK.iH4ccKH неис.чссообра ным исиоль jOB;iHHe laKoru способа. При : нергии ч;1С1ИЦ более 5 МэВ количестио .а. и их снойсша шковы, что o6p:iiyroiся необратимые И1менения структурны.ч свойств исходнс) о матери;1ла, ухудшающие основные парамефы приборов, создаваемых на его основе. В связи с этим оптимальным следует считать диапазон значений бь стрых электронов от 3 до 5 МэВ. Пример. При облучении зпитаксиальных слоев кремния п-типа (КЭФ. 7,5) быстрыми электронами с интервалом доз от до 1X 10 получены профили распрсдсле ния, отличающиеся градиентом концентрации носителей зарядов, ее максимальным абсолютным .значением и расположением максимума по глубине эпитаксиального слоя. Энергия пучка от 3 до 5 МзВ. Получены следующие результаты. При дозе облучения 1 X 10 в эпитаксиальном слое кремния получено максимальное значение концентрации носителей зарядов 7,2 х Ю на глубине 4,2 мкм. Градиент концентрации изменяется по глубине: на глубине 1,6 мкм при абсолютном значении 5 х Ю см диент концентрации равен 1,01 х 10 см , а на глубине 8,6 мкм 6,22 х 10 см и меняет знак. Доза облут{ения 5 х 10 см дает максимальное значение концентрации носителей зарядов 6,2 X 10 на глубине 13,4 мкм. Градиент концентрации изменяется по глубине: на глубине 9 мкм при абсолютном значении 2X 10 см он равен 2,03 х , на глубине 16 мкм 1,73 х 10 см и меняет знак. Облучение при дозе 1 х Ш см обеспещшает максимальное значение концентрации носителей зарядов 1 х на глубине 14,7 мкм. Градиент ее изменяется по г; убине - для концентрации 1 х 10 на глубине 13,2 мкм он равен 135x10 ° см, но изменения знака в этом случае не достигнуто. Анализ полученных результатов показывает, что, выбирая дозу облучения, можно управлять:а)значением градиента концентрации носителей зарядов и его знаком; б)максимальным абсолютным значением концентрации носителей зарядов; в)положением этого максимума по глубине эпитаксиального слоя. Изменение свойств объекта, условий его облучения может дать иные значения и знаки градиента концентрации носителей заря/юв.

Тем не менее прошюженный нами принцип управления профштем остается несомненным.

Преимущества предложенного метода заключаются в следующем.

1.Значительная простота. Для создания профиля распределения концентрации носителей зарядов не надо вводить дополнительную примесь в исходный материал. Это исключает проведение в определенных случаях дорогостояцщх и трудоемких операций-диффузий и ионной имплантации.

2.Сохранение свойств исходных материалов. Использование облучения быстрыми электронами позволяет избежать серьезных нарущений кристаллической решетки, которые создают протоны и ионы инертных веществ.

3.Высокая производительность. Большая плотность энергии электронов позволяет обрабатывать материалы в течение короткого времени. При этом возможна одновременная обработка большого числа объектов, а также управление их свойствами на большей глубине, в десятки раз превышающей возможлости диффузии и других известных способов.

4.Техническое соверщенство аппаратурного обеспечения. Современные ускорители электронов дают возможность автоматизировать и программировать управление процессом получения необходимых профилей.

Перечисленные преимущества позволяют повысить качество папупроводниковых приборов, культуру и экономическую эффективность их

производства.

Формула изобретения Способ обработки эпитаксиальных слоев кремния, выращенных на подложках, путем облучения частицами высоки энергий, о тличающийся тем, что, с цепью управления величиной и знаком градиента концентрации носителей зарядов, ее максимальным значением и положением этого максимума по глубине эпитаксиального слоя, систему эпитаксиальный слой - подложка облучают быстрыми

С энергией 3-5 МэВ, дозами от электронами

117 ,.-2 1 X 10 до 1 X 10 см

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Курносов А. И. и др. Технология производства полупроводниковых приборов. М., Высшая школа, 1974, с. 128-173.

2.Патент ФРГ № 1966237, кл. 21 g 11/02, опублик. 1975.

3.Данилина А. Б. Радиоционно-стимулированная диффузия - эффективный метод легирования полупроводников. - Зарубежная электронная техника, 1974, № 8, с. 31-50 (прототип) .