Способ получения кремния -типа проводимости Советский патент 1980 года по МПК B01J17/40 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ п-ТИПА

1

Изобретение относится к способу получения кремния проводимости с тарельчатой формой профиля удельного электрического сопротивления (р) в радиальном направлении путем облучения тепловыми нейтронами.

В общем существует желание получения стержней монокристаллов кремния для изготовления из них полупроводниковых элементов, в которых в их радиальном направлении имеются очень однородные значения сопротивлеиия.

Для изготовления специальных полупроводниковых элементов, как например, запирающих силовых тиристоров большой площади, в которых стремятся переместить лавинный пробой с края диска на его середину, желательно иметь кристаллы кремния, которые при однородном J3 в середине диска, имеют в краевой зоне повышение удельного электрического сопротивления / - (тарельчатой формы - профиль распределения удельного сопротивления диска кристалла кремния). Это означает то, что распределение легирующей примеси в радиальном направлении в краевых зонах кристалла кремния ниже по :а5авнению со средними зонами. ПРОВОДИМОСТИ

Из статьи 1 известно, что кристаллы кремния, обладающие однородной проводимостью, могут быть изготовлены путем облучения тепловыми нейтронами, причем имеющийся в кремнии природный изотоп 30s{ переходит при принятии теплового нейтрона и отдачи f-излучения в нестабильный изотоп 31 который при - излучении с. периодом

10 полураспада 2,62 часа переходит в стабильный изотоп фосфора 31p. При так называемом радиогенном легировании кремния по реакции

30g. (п,у)- 3lgi - 31р

15

имеется следующая простая взаимозависимость (при условии полного затухания и пренебрежения выгоранием

аэ

из-за его незначительности):

30,

si Ср 2-О-10 - Ф t,

где Ср - концентрация фосфора в

атом/см, Ф - поток тепловых нейтроиов в

25

нейтрон/см, сек.; t - время облучения в секундах. Цель изобретения - получениеТарельчатого профиля удельного сопротивления в радиальном направлении

30 кристалла. с jToO целью предложено кристалл в процессе облучения вращать вокрут его продольной оси и направлять в его середину более интенсивный или менее интенсивный поток нейтронов, чем на его края. Интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы или использования мишени требуемого профиля или об лучают Есристалл в зоне реактора с не линейным градиентом потока нейтронов Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1-9 изображены примеры поведения кристалла кремния в нейтронном поле. Согласно фиг. 1 во время нейтронного облучения перед вертикально закрепленньтм стержнем кристалла кремния устанавливают щелевидную диафрагму 2 .и кристалл кремния 1 приводят во вра11ение вокруг его продоль ной оси в направлении стрелки 3. При этом применяется перемещаемая.по ширине щели диафрагма 2, сделанная из кадмия толщиной 1 мм из боратного стекла. При вращении кристалла кремния 1 средние части 4 находятся постоянно в зоне параллельного или сла бо расходящегося луча нейтронов 5. Краевые зоны б кристалла кремния 1 облучаются меньше, поскольку они находятся под воздействием только рассеянных и диффундированных нейтронов в результате этого создается, как видно из фиг. 1, повышение сопротивления кремния. При этомр-профиль за висит от установленной ширины диафра мы. При применении диафрагмы из кадмия толщиной 1 мм происходит почти полное поглощение нейтронов. Во втором случае, как показано на фиг. 2, в соответствии с примером об лучение кристалла кремния 1 производят в реакторе, например, в реакторе типа Свимминг-Поол (пул), который на фиг. не изображен. Облучение происхо дит в зоне с градиентами потока при вращении кристалла кремния 1 вокруг своей продольной оси в направлении стрелки 3. Часть луча нейтронов 5, которая проходит больший путь в вод 7, теряет свою интенсивность. В результате вращения, как и в случае фиг. 1, получают ротационно-симметричный р-профиль с подъемом в наруж ных зонах, показанный на фиг. 3. Фиг. 4 изображает характеристику потока нейтронов в кристалле кремния 1 в нейтронном поле с нелинейны ми градиентами потока. При этом по оси абсцисс отложено расстояние кри талла кремния 1 от поверхности сгор ния стержня в СМ-, по оси ординат относительная концентрация тепловых нейтронов. В другом варианте предмета изобр тения предусматривается так же полу Учение р-профиля путем управляемого ггьПО - ения луча чдогип,. (/осгоящото Э быстрых Н(,ЙТрОНОН , на з кристалла кремния и мишени. При том мишень следует выполнять в виде замедлителя. Р -прОфиль получают блаодаря тому, что за счет геометрии ишени на краю создается меньшее заедление, В качестве мишени может служить, например, парафин, графит ли тяжелая вода. Этот вариант показан на фиг. 5, где облучаемый кристалл кремния 1 помещен в трубку 8 и на своей наружной поверхности покрыт, хотя бы частично, поглощающим нейтроны материалом, причем каждая из его торцовых сторон закрыта, хотя бы частично, поглощающим нейтроны дисками 9 и 10, которые в середине имеют отверстия 11 и 12 соответственно желаемому )-профилю. В качестве поглощающего нейтроны материала может служить боратное стекло, карбид бора, нитрид бора, окись кадмия и листовой кадмий и/или искусственные материалы, как, например, полиэтилен с добавлением соединения гадолиния или силиконовый каучук, которые наносятся на соответственную поверхность. Между источником нейтронов 6 и поглощающими дисками 9 и 10 размещены диафрагмирующие трубки 13 и 14 из кадигия или боратного стекла, подобранные по размеру отверстия поглощающих дисков. Выполнение J -профиля зависит от различной длины диафрагмирующих трубок 13 и 14, от их внутреннего диаметра и различной толщины поглощающего материала. Это устройство (см. фиг. 5) для легирования фосфором посредством облучения нейтронами монтируется в реакторе, который на рисунке не изображен . Изображенное на фиг. 5 устройство может быть выполнено, как показано на фиг. 6. Здесь для облучения дисков кремния 15,, (причем на рисунке изображена заполненной только одна камера), применяется открытая с двух концов трубка 8 с несугцими элементами ДЛЯ1 дисков кристалла кремния, которые могут быть выполнены из поглощающего нейтрона материала в виде колец 16. Эти элементы размещаются на внутренней поверхности трубки 8 на соответственном расстоянии друг от друга. Используемый материал может иметь больший коэффициент поглощения по сравнению с материалом трубки. Путем и-зменения геометрии поглощающи5 частей может дополнительно изменяться получение атомов фосфора. При толщине поглощения, например, 1 мм (кадг1иевый лист) можно снизить тепловую часть потока нейтронов до значения ниже 1/10.000. На фиг. 7 представлен другой вариант изобретенного способа, в котором поглощающее покрытие 17 нанесено на поверхность кремния н которое мо жет равномерно перемещаться вдоль стержня кристалла кремния 1 в напра лении 18. При этом J)-профиль может изменяться по длине поглощающего по крытия. Поглощающее покрытие 17, со стоящее, например, из кадмиевого ли та толщиной 1 мм, перемещается вдол стержня из Кристалла кремния 1 во в мя облучения таким образом, что лю бой участок поверхности покрытия стержня кристалла кремния 1 остаетс одинаковое время закрытым поглощающим покрытием. Благодаря тому, что каждая краевая зона кристалла кремния 1 при равномерном движении погло тающего покрытия 17 вдоль стержня кристалла кремния 1 имеет равные условия облучения, создается желаемый тарельчатый Р -профиль (см.фиг.3) Можно также во время облучения нейтронами перемещать вместо поглощающего покрытия 17 стержень кристалла кремния 1. Ниже изобретение поясняется дополнительно с помощью фиг. 8 и 9 и примера, где на фиг. 8 изображено в схематическом виде устройство в соЪтветствии с предметом изобретения, состоящее из системы с двумя диафраг мами, перед стержнем кристалла кремния, а на фиг. 9 показано устройство из нескольких систем диафрагм, устанавливаемое с наружней поверхности облучаемого стержня кристалла кремния 1. Из фиг. 8 можно видеть, что в облучаемом стержне кристалла кремния 1 можно различить три зоны (зона 1, ограничение угла видимости проводится исключительно за счет диафрагмы 19; зона 2, угол ограничен кромкой диафрагмы 19 и диафрагмы 20; зона 3, ограничение осуществляется только диафрагмой 20). Предложив изотропное распределение нейтронов в пространстве 21, отношение плотности потока нейтронов в точке (X, У) (в стержне кристалла кремния 1) к плотности потока нейтро нов в пространстве 21 задано углом видимости Л/25Г. Расчет соответственн трем возможным случаям следует прово дить раздельно. Зона 1:

имеет место при условии полного заПри переводе в полярные- (1.1 X г -у г gb((d i-rsinp; ГС tan г 2d r&mP d -Ъ Зона 3: аналогично 1 -агсЫп 2bz(dg.sin4) ,rstn P -d2-b Зона 2. (((2 (X -anrtan ;с.ЧГ2Т --t«nt (j I АцаФрагмя д агс4о|п - arctan у -v. arclan (,)(,),) атап (.dQ (Х-ьЬЛСЬг-х) (ytd,)(y4d2; 4(.)tX(.da-ol.)b, (d,+dj)x(b,-bj + ol,d,-b,b,carc-tan SinPCbi-tb2)trcoS-P()+b-,d2.b;di r rsinP()+rcoSP(b,-bj,)d,,b Искомый легированный профиль f(Г) лучаем путем усреднения всех углов ( - вращение кристалла кремния 1). ZK f (г) J (.(г,ч) ачз. Цифровой расчет был проведен для зличной.формы щелей и стержня криалла с радиусом 25 мм. При этом едполагались две одинаковые систе. Получение абсолютного значения н:5,ентрации легирования можно полуть путем замены плотности потока йтронов Ф в обычном уравнении на f (г) . Кроме того, необходимо учитывать, о при расчете принималось 100% поощение материалом диафрагмы. В том учае, когда 100% поглощения нет, е. % всех нейтронов проходит через териал дифрагмы, то это означает ибавление постоянной функции к У численным профилям, В уравнении тивации следует заменить в этом учае Ф через ,100-х. ф f (г) ТосГ Численный пример: Для реакции 30g| {nS)тухания 3lgi и пренебрежении выго ниеь 30gj , (поскольку оно слшяком значительно), следующая эависгдаюс Ср 2-05-10 . t. Ф 100-х I где Ср - концентрации фосфора в атом/см2; Ф - поток теплоных нейтронов нейтрон/см.сек,I t - время облучения в секунд X - пропускаемость материала бленды в %; f (г) - фактор экранирования (см текст). Возьмем для примера: Ф а 5 102 . t 10 полуоткрытое отверстие диафрагмы 19: Ь., 10 полуоткрытое отверстие диафрагмы20: Ьл 5 расстояние от середины стержня кристалла кремния до дифрагмы 19: d,, 30 расстояние от середины стержня кристалла кремния до диафрагмы 320:dg 25 Для коэффициента поглощения по чаем тогда: радиус (м) концентрация фосфор .атом, см „и Это соответствовало бы снижени легирования на 35% от центра к кр утем подбора других систем диафрагм ли другого материала диафрагм (с еньшим поглощением) это значение ожно легко изменять в широких мастабах. Кроме ТОГО; не исключается возможность проведения однородногооблучения нейтронами кристалла кремния с последующим, дополнительными его облучением. Формула изобретения 1.Способ получения кремния п-ти па проводимости путем облучения монокристалла потоком тепловых нейтронов, отличающийся тем, что, с целью получения тарельчатого профиля удельного сопротивления в радиальном направлении кристалла, последний в процессе.облучения вращают вокруг продольной оси и направляют в его середину более интенсивный или менее интенсивный поток нейтронов, чем на его края. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы, 3.Способ поп, 1, отличающийся тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, изменяют путем использования мишени требуемого профиля. 4.Способ по п, 1, отличающийся тем, что кристалл облучают в зоне реактора с нелинейным градиентом потока нейтронов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1, О ,Electpochem, Зое. , 1961, 108, р. 171-179 (прототип).

My/y- ff -y-

) I

19

20