Способ повышения стабильности характеристик кремния Советский патент 1982 года по МПК H01L21/263 

00 4 СО СО ГО 00 Изобретение относится к электронике, а именно к технологии получения и обра тки полупроводников, стабильных к факторам технологических процессов изготовления и эксплуатации полупровоцнкковых приборов (температуры, деюлени резки, шлифовки, полировки, электрических полей, нанесения покрытий и ар.). Известны способы, направленные на получение материала, стабильного к пе речисленнЫм выше факторам, состоящие в изменении условий выращивания, в частности замедлении скорости вытягивания кристаллов из расплава, либо скорости роста эпитаксиальных пленок. Однако из-за большого разнообразия примесей (легирующих и неконтролируемых) и дефектов, с одной стороны, и требований необходимого уровня легирования, а также производительности про- цесса, определяющей относительно высокую скорость выращивания, с другой сто роны, получаемые кристаллы характеризуются высокой степенью неравновесност (в условиях эксплуатации приборов) по концентрациям примесей в аанном состоя НИИ (т.е. наличием пересыщения), наличием неравновесных фаз и поверхностей. Таким образом, получаемые кристаллы в дальнейших процессах производства полупроводниковых приборов имеют возм ность менять свои свойства и вызывать нестабильности характеристик приборов пСд действием сопутствующих технологи- веских факторов. Известен также способ повьпиения стабильности характеристик кремния к термическим и временным факторам, включающий облучение электронами или У-квантами с энергией 0,5 - 20 МэВ в сочетании с отжигом. Этот способ позволяет отбраковывать материалы с дефектами, обусловленными отклонением от равновесных условий выращивания полупроводниковых материалов. Однако .этим способом нельзя полностью устранить указанные недостатки. Поскольку неравновесность получаемых кристаллов в той или иной степени всег да присутствует, то количество бракован ного материала может быть зна. чительным. Проблема увеличени)1 выхода годных полупроводниковых и си жение их себестоимости требует разработки методов, направленных на устране ние нестабильности материалов (т.е. юс неравновесность после выраливанйя). Целью изобретения является увеличен ние степени стабильности характеристик кремния. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе повышения стабильности характеристик кремния к термическим и временным факторам, включающим облучение электронами или - ь-квантами с энергией 0,5-20 МэВ в сочетании с отжигом, облучение проводят дозой Ф 10 в-1О частиц/см , а отжиг ведут при 74О-., кроме того, облучение и отжиг ведут оновременно, а отжиг проводят после облучения, причем облучение проводят при комнатной температуре, а отжиг ведут при 870920 К в течение 1-2 ч. , Выращенные кристаллы полупроводников содержат значительное число примесей и дефектов не равновесных (по концентрацииили положению в решетке) в условиях производства и функционирования полупроводниковых приборов. Нешичие этих примесей определяет многие важные работы полупроводниковых приборов параметры материала, такие как: концентрация свободньк носителей заряда (п(р)) , их подвижность (/и.), время жизни неравновесных носителей заряда (т), коэффициенты поглощения сЬета на различных длинах волн и др. Значительноесодержание углерода (NcV 7/4 ) определяет эффективность . терестроек кислорода в Si и вызывает дополнительные реакции в кристалле матрицы. Учитывая, что концентрации сей О и С, а также легирующих примесей (бор, фосфор и др.) в кристаллах кремния превьш1ает предел растворимости в условиях производства и эксплуатации полупроводниковьк приборов, следует ожидать неконтролируемых изменений их состояний в кристалле, а следовательно, и неконтролируемых изменений параметров материала и приборов. В частности, изменение концентраций кислорода и углерода приведет к нестабильности параметров ряда полупроводниковых приборов на основе кремния. Так, например, будет меняться чувствительность лримесных инфракрасных фотоприемников в области 9 и 16,5 мкм .за счет уменьшения коэффициентов поглощения по мере вьшадания кислорода и углерода в фазу. (Поглощение на 9 и 16,5 мкм прямо пропортхиспально концентрации растворенного кислорода и углерода соответственно). 3 Состояние кристалла можно приблизи к более равновесному путем стимулирования замороженных при выращивании : реакций с помощью либо облучения элек ронами с энергией 0,5 20 МэВ и j- квантами с послецующим высокотемпера турным отжигом (970°К для кремния, длительность отжига при этом составляет 1-2 ч и определяется скоростью отжига и выходом процесса на стационар) либо облучением сразу при повышенной температуре. При облучении идет эффективное взаимодействие простейших дефектов (вакансий и междоузлий) с приме сями, растворенными в кристалле, гранитщми раздела. Значительную суммирующу роль при этом играет мощная ионизация при облучении. В результате происходят перестройки примесей, декорирование границ и кристаллы по многим параметр, рам меняют свое состояние в сторону более равновесного (например, уменьшается пересыщение по количеству примеси), а значит ив сторону болыией стаоильности своих свойств и свойств изготовляемых на его основе полупроводниковых приборов. Неравновесные дефекты, также возникающие при облучении, могут быть удалены термическим отжигом. Число их можно ограничить, i применяя высокотемпературное облучение П р и м е р ы Использовался кремний п -типа, легированный фосфором марки КЭФ-10, коэффициенты поглощения света при комнатной температуре 2 и 3 СМ для кислорода и углерода соответственно ;(это дает концентрацию кислорода lOfl , углерода - 2,8 х X 1О см ). Облучение велось электро нами с энергией 1,1-1,6 МэВ. 28 Коэффициенты поглощения и соответ ствующие концентрации кислорода в междоузельном положении и углерода в замещающем определялись методом ИКпоглощения на длинах волн АУ9,1 и 16,5 мкм соответственно. Из полученных результатов следует, что коэффициент поглощения после обработки по предлагаемому способу не изменяется под влиянием последующей обработки в пределах точности измерений (3-5%). Примеры иллюстрируют возможность вызвать необратимые перестройки примесей облучением кристаллов высокоэнерге- тическими частицами и тем самым воспрепятствовать самопроизвольной их перестройке при создании и эксплуатации полупроводниковых приборов. Технико-эксмомические преимущества. Предлагаемьй способ обладает универсальностью, т.е. возможностью воздействовать на исходную неравновесность кристалла любой природы, контролируемостью, высокой эффективностью. Pea- лизация способа возможна на разных стациях обработки материала: на слитке, пластине, пластине после .диффузии примеси и др. Следствием реализации способа является улучщение параметров полупроводниковых материалов, повьциение стабильности их характеристик при воздействии технологических и других факторов (например, температуры, времени хранения), увеличение выхода годного материала и снижение себестоимости как самих материалов, так и приборов на их основе.

1. СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМЩЛЯ к термическим и временным факторам, включающий облучение элект роками или «-квантами с энертией О,5- :2О МэВ в сочетании с отжигом, о т « личаюшийся тем, что, с целью ;увеличения степени стабильности харак .тернстик кремния, .облучение провоцят с дозой Ф « 1О в- 1О частиц/см, а отжиг ведут при 740-1О70°К. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ю ш R и с я тем, что Ьбпучение и отжигведут одновременно. 3.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что отжиг проводят после облучения, причем облучение проводят при комнатной температуре, а oiw жигведутпри87О-920Кв течение 1-2.Ч.

(по отяшюнию ; к исходному)

(по отношению к величине в п.2)

Меняются во

времени и с

; температурой

10-15 ,

До температур 87О-970 К

.О

.(по отношению к величине в п. 2) 4. Облучение 80 , (к исходному) Тобл 920-970, ,6 МэВ

кристаллов, обрабо- (по отношению, генных согласно. к величине в примеру 4п. 4)

Облучение

7О Ф 103 см-, (к исходн 1у) То5л 1070°К. ,6 МэВ

10 48 -.-2

см

,1 МэВ и от, жиг при 870°К

10-15 (к исходному) 1ч

. Прогрев при

о

770°К крис(по отношению таллов, обрабок величине в примере 8) танных согласно примеру 8 50 (к исх До температур

выше

(по отношению к величине в п. 6)

До температур

более 97О°К Продолже1Гие таблицы До температур вьпие 1070°К ному)