Способ изготовления полупроводниковых структур Советский патент 1982 года по МПК H01L21/363 

вместе с кремниевой подложкой в вакуумированный объем и выдерживают при 900- 1100°С не менее 30 мин, кроме того, кремниевую подложку предварительно легируют элементом пятой группы до поверхностной концентрации см- на глубину 1--10 мкм.

Бездефектность структуры достигается тем, что:

образование слоя A-SiC a происходит за счет химической реакции между поверхностным слоем кремниевой подложки и элементами второй и пятой групп, находящимися в парообразном состоянии в замкнутом объеме, поэтому образование слоя происходит однородно на всей поверхности при любой площади подлол ки;

количество вступающих в реакцию веществ строго контролируется величиной навески элементов второй и пятой групп, температурой и временем выдержки, это дает возможность перевести поверхностный слой кремниевой подложки в слой твердого раствора )SiC52(i-K), , имеющего параметры решетки, практически совпадающие с решеткой кремния, и обеспечить отсутствие дефектов как в слое твердого раствора, так и на его границе с кремнием;

то обстоятельство, что поверхностный слой подложки полностью переходит в твердый раствор, облегчает требования к качеству обработки поверхности подложки.

Пример 1. В кварцевую ампулу объемом 10 см помещают пластинку монокристаллического кремния, имеющую площадь 1 см, а также навеску магния и фосфора, находящуюся в тигле из стеклоуглерода. Навеска рассчитывается таким образом, чтобы количество атомов магния и фосфора соотносилось как 1 : 2, что соответствует соотношению Mg и Р в соединении MgSiPa стехиометрического состава. Кроме того, при расчете навески необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что концентрация фосфора в ампуле не должна превышать 10 мг/см во избежание взрыва.

В тигель загружают 38,1 мг магния 95 мг фосфора. Ампулу вакуумируют, запаивают и помещают в печь, позволяющую на определенном этапе отжига создавать градиент температуры. Ампулу нагревают в изотермических условиях до 1000°С, выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, проводят охлаждение в режиме выключенной печи до 450°С, а затем продолжая охлаждение, создают градиент температуры с таким расчетом, чтобы кремниевая пластинка и тигель находились в более горячей зоне, а остаточный фосфор отгоняли в более холодную зону.

Установлено, что при этом на поверхности кремниевой пластинки с исходным дырочным типом проводимости (р„ 20 ом-см) образуется слой с электронным типом проводимости. Исследования на микрорентгеновском анализаторе позволили установить, что;

профили распределения Mg и Р повторяют друга друга, а соотношение Mg : Р - 1:2, иными словами, происходит образование твердых растворов по разрезу Si-MgSiP2;

при температуре 1000°С в течение 1 ч образуется слой, толщиной не менее 3 мкм, имеющий концентрацию Mg не менее 3 ат% и концентрации Р не менее 6 ат%, что в пересчете на упомянутый разрез дает твердый раствор 12 мол. % MgSiPg - 88 мол. % Si, что соответствует Mg()SiP2(), где ;С 0,967.

Нами было установлено также, что увеличение времени обработки по сравнению с приведенным примером исполиения до

5ч при прочих равных условиях имеет следствием увеличение толщины слоя до

12-15 мкм и увеличение концентрации Mg и jP до величин, соответственно, не менее

6и 12 ат%. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что слой является монокристаллическим. Измерения ширины запрещенной зоны на поверхности методом поверхностной фото ЭДС показали, что ширииа зоны на 0,5 еи больше, чем у кремния, и составляет 1,62 ev. Выращенный

слой имел д-тип проводимости, концентрацию носителей 10 см-з и подвижность электронов 40-50 .

Время жизни неосновных носителей в р-базах диодов, изготовленных по предложенному способу, составляет величину порядка 10-Ь50 МКС, т. е. примерно равно времени жизни ъ п+ р диода, изготовленных методом диффузии фосфора в р-кремний. Этот факт свидетельствует о несущественном проникновении Mg в материал подложки и его слабом влиянии на ее электрофизические свойства.

Из приведенных данных следует, что Si,:-Mg(i)SiP2(i-x) гетеропереход обладает

очень хорошими фотоэлектрическими и инжекционными свойствами, что свидетельствует о бездефектности структуры.

Пример 2. В пластинах р-кремния

проводят диффузию фосфора на глубину 5 мкм с поверхностной концентрацией 5-101 см-з, затем пластины помещают в ампулу с навеской цинка и фосфора, рассчитанной таким образом, чтобы количество атомов цинка и фосфора соотносилось, как 1 : 2, ампулу вакуумируют и помещают на 30 мин в печь так, чтобы пластина находилась в зоне, температура которой была 950°С, а температура в области навесок

была на 100-200°С ниже во избежание осаладения цинка из газовой фазы на поверхность пластины при охлаждении. Рентгеновский микроанализ показал, что на поверхности образуется твердый раствор

Zn()SiP2() л-типа с 0,9; вглубь пластаны величина X увеличивается, и на глубине 10 мкм . Эта граница совнадает с глубиной залегания /г+р-перехода. Время жизни неосновных носителей в р-базе составляло 5 мк/с. При изготовлении образцов без предварительного легирования поверхности пластины фосфором время жизни в р-базе составляло 0,3 мк/с и определялось рекомбинацией на глубоких примесных уровнях, соответствующих атомам цинка. Этот факт свидетельствует о том, что предварительно легированный фосфором поверхностный слой препятствует диффузии цинка в подложку.

Применение описываемого способа позволит получить широкозонные бездефектные слои на кремнии с заданными электрофизическими свойствами, т. е. повысить фоточувствительность кремниевых фотопреобразователей за счет эффекта «широкозонного окна, а также увеличить коэффициент усиления транзисторов, уменьшить остаточные напряжения диодов и тиристоров за счет улучшения инжекционной способности эмиттеров.

Формула изобретения

1.Способ изготовления полупроводниковых структур, включающий образование на кремниевой подложке слоя, содержащего элементы второй и пятой группы, отличающийся тем, что, с целью получения бездефектной структуры типа Six- ()i-.T: с заданными электрофизическими свойствами, элементы второй и пятой группы берут с атомным соотношением I : 2 соЬтветственно, помещают вместе с кремниевой подложкой в вакуумированный объем, выдерживают при температуре 900-1100° не менее 30 мин.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что кремниевую подложку предварительно легируют элементом пятой группы до поверхностной концентрации - 10-21 см-з на глубину 1 -10 мкм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Curtis В., Wild Р. Mat. Res Bull, 5, № 2 1970, p. 69-72.

2.Власенко П. В. и др. Кристаллография, 20, № 4, с. 1082, 1974 (прототип).