Способ изготовления p-n-переходов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости

 

Использование: в способах изготовления диодов, транзисторов, в том числе фотодиодов и фототранзисторов. Сущность изобретения: способ включает имплантацию ионов бериллия, постимплантационный отжиг, защиту и пассивацию поверхности кристалла и металлизацию. Постимплантационный отжиг осуществляют импульсами излучения галогенной лампы, при этом в качестве исходных используют кристаллы с концентрацией легирующей примеси N = 10¹³ - 10¹⁶ см^-3. Отжиг проводят в течение 0,8 - 10 с при плотности мощности излучения 50 - 100 Вт/см², а имплантируют ионы Be с энергией 20 - 100 кэВ и дозой Ф = 5 · 10¹¹ - 6 · 10¹⁴ см^-2, при этом доза и концентрация легирующей примеси связаны соотношением Ф ≥ 5 · 10^-2 N. 1 табл.

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых приборов методом ионной имплантации с воздействием излучения для постимплантационного отжига и может быть использовано с высокой производительностью при изготовлении диодов, транзисторов, в том числе фотодиодов и фототранзисторов и более сложных приборов на кристаллах InSb, обладающих высокими значениями дифференциального сопротивления, высокой однородностью параметров на поверхности пластин и их воспроизводимостью.

Проблема получения ионно-имплантированных p-n-переходов на InSb с указанными выше параметрами обусловлена взаимоисключающими требованиями. Для получения совершенной металлургической границы p-n-перехода требуется повышение температуры и длительности традиционного стационарного послеимплантационного отжига. В то же время повышение этих параметров отжига приводит к усилению процесса разложения приповерхностной области кристалла и потере совершенства кристаллической решетки, что приводит к падению параметров p-n-перехода и воспроизводимости способа.

Известны способы изготовления p-n-переходов на InSb [1 и 2] включающие ионное легирование InSb с последующим отжигом.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и принятым за прототип является способ изготовления p-n-перехода на InSb n-типа проводимости имплантацией ионов легких элементов бериллия или магния с энергиями 100-400 кэВ и дозами 5 ˙ 10¹³-1 ˙ 10¹⁵ см^-2 и последующим отжигом при температуре от 300 до 400^оС в течение 5-60 мин [3] Недостатками прототипа являются низкие значения дифференциального сопротивления, низкие однородность параметров на поверхности пластины и их воспроизводимость, низкая производительность. Причиной этого являются высокие значения энергии ионов, обусловливающие высокую дефектность имплантированных слоев и длительный термический отжиг.

Для повышения производительности способа, воспроизводимости и однородности параметров по поверхности кристалла, а также повышения дифференциального сопротивления по способу изготовления p-n-переходов на кристаллах антимонида индия n-типа проводимости, включающему имплантацию ионов бериллия, постимплантационный отжиг, защиту и пассивацию поверхности и металлизацию, постимплантационный отжиг осуществляют импульсами излучения галогенной лампы длительностью 0,8-10 с при плотности мощности 50-100 Вт/см², при этом в качестве исходных используют кристаллы с концентрацией легирующей примеси 10¹³-10¹⁶ см^-3, а имплантацию проводят с энергией ионов Е20-100 кэВ и дозой Φ= 5 ˙ 10¹¹-6 ˙ 10¹⁴ см^-2 при Φ ≥ 5 ˙ 10^-2. Предложение основывается на следующих экспериментально обнаруженных фактах. Использование импульсного лампового отжига (в настоящее время применяются галогенные и ксеноновые лампы) при оптимальных плотности, мощности и длительности импульса применительно к имплантации ионов бериллия с достаточно низкими энергиями и дозами позволяет улучшить ВАХ таким образом, что дифференциальное сопротивление создаваемых p-n-переходов (R_д) возрастает на 5-15% повысить однородность R_д по площади поверхности пластины на 12-18% и воспроизводимость значений R_д на ≈9-17% При использовании галогенных ламп (излучения галогенных ламп) эффективный отжиг происходит при энергиях ионов Е ≅ 100 кэВ и дозах Φ ≅ 6 ˙ 10¹⁴ см^-2, причем возрастание дозы и энергии ионов требует увеличения плотности мощности излучения и (или) длительности импульса. Увеличение энергии ионов свыше 100 кэВ и дозы свыше 6 ˙ 10¹⁴ см^-2 требует столь высокой плотности мощности, при которой происходит оплавление поверхности пластин. При меньших энергиях (Е ≅ 40 кэВ) и дозах ( Φ ≥ 10¹⁴ см^-2) эффективным также является отжиг излучением ксеноновых ламп, для больших энергий и доз требуются также столь высокие плотности мощности, при которых происходит оплавление поверхности.

Эти результаты соответствуют развитым к настоящему времени феноменологическим представлениям о процессах, протекающих при ионной имплантации и импульсном фотонном отжиге. Увеличение энергии ионов и дозы имплантации увеличивает концентрацию вводимых радиационных дефектов, для отжига которых требуются более высокие температуры, достигаемые при более высоких значениях плотности мощности излучения и длительности импульса при импульсном фотонном отжиге. При этом следует иметь в виду, что глубина поглощения излучения ламп определяется его спектральным составом. Излучение галогенных ламп является более длинноволновым, чем излучение ксеноновых ламп, т.е. галогенные лампы позволяют прогревать более глубокие слои полупроводника. Кроме того, при нагреве таким излучением градиент температуры по глубине пластины ниже, чем в случае ксеноновых ламп, что в меньшей мере способствует формированию дефектов, обусловленных механическими напряжениями, вызванными температурными градиентами вглубь. Таким образом, при малых энергиях (Е ≅ 40 кэВ) и дозах (Φ ≅ 10¹⁴ см^-2) для эффективного отжига радиационных дефектов достаточно прогреть очень тонкий (даже, возможно, меньше глубины проникновения ионов) поверхностный слой и это может обеспечить излучение ксеноновых и (заведомо) галогенных ламп. При больших энергиях (Е ≅ 100 кэВ) и дозах (Φ ≅ 6 ˙ 10¹⁴ см^-2) глубина прогрева должны быть большей, поскольку больше и толщина имплантированного слоя, и эта глубина обеспечивается только галогенными лампами и не обеспечивается ксеноновыми. Повышение R_д, однородности и воспроизводимости величины R_д при импульсном отжиге по сравнению с традиционным стационарным отжигом в печах с более медленным нагревом и охлаждением объясняется большей эффективностью процесса диссоциации сложных дефектов при быстром нагреве (см. Итальянцев А.Г. Мордкович В.Н. Аннигиляционная модель распада агломератов точечных дефектов при быстром термическом отжиге. ЖТФ, 1983, т. 53, вып.5, с.937-939). Повышение производительности при ламповом отжиге происходит за счет существенно меньшей длительности процесса отжига (2-3 мин, включая его загрузку и выгрузку по сравнению со стационарным отжигом 3-5 ч, включая загрузку и выгрузку образцов).

Пределы параметров, приведенные в формуле изобретения, обусловлены тем, что превышение указанных значений энергии и дозы приводит при допустимых (до оплавления) плотности мощности и длительности импульса к резкому снижению R_д, однородности и воспроизводимости R_д. Из этих цифр следует, что максимальная средняя концентрация акцепторов, которая может быть достигнута в легированном слое, составляет N 6·10¹⁸ см^-3 (считают глубину легированного слоя при Е 100 кэВ равной 10^-4 см). Считают, что разница в концентрациях n-подложки и p-слоя должна быть не менее 500, поскольку разница в подвижности электронов и дырок больше двух порядков величины. Таким образом, максимальная концентрация легирующей примеси в подложке должна быть N ≅ ≃ 1·10¹⁶ см³ для галогенных ламп. Для ксеноновых ламп аналогичный расчет дает N ≅ 10¹⁵ см^-3. Расчет производился с учетом того, что в этом случае максимальная допустимая энергия ионов составляет 40 кэВ, а доза 10¹⁴ см^-2, что соответствует толщине слоя ≈5 ˙ 10^-5 см и максимальной концентрации 2 ˙ 10¹⁷ см^-3. Нижний предел концентрации легирующей примеси в исходном кристалле для обоих типов ламп одинаков и выбран равным 10¹³ см^-3 как надежно обеспечиваемый при легировании исходных кристаллов. Нижний предел доз (5 ˙ 10¹¹ и 10¹¹ см^-2) обеспечивает наличие p-n-перехода в кристаллах с N 10¹³ см^-3. Нижний предел энергии (20 кэВ) обеспечивает необходимую минимальную толщину легированного слоя (0,25-0,3 мм). Соотношения между величинами Φ и N для галогенных и ксеноновых ламп получены с учетом разницы в толщинах слоев и необходимости обеспечения соотношения ≥ 500 (N_p+ кон- центрация примеси в легированном слое; N_n концентрация примеси в кристалле), как это указывалось выше. Нижние пределы плотности мощности излучения и длительности импульса те, которые при максимальных энергиях ионов и дозы имплантации обеспечивают положительный результат. Верхние пределы этих параметров ограничены оплавлением поверхности кристаллов InSb.

Из уровня техники (см. патенты США N 3217379, кл. 29-57; N 4436557, кл. 143-1.5; N 4439245, кл. 148-1.5; N 4661168, кл. 148-1.5; патент ФРГ N 2449542, кл. H 01 L 21/265; заявка Великобритании N 2083010, кл. С1A и европейский патент N 0075439, кл. H 01 L 21/324) не выявлены закономерности, которые могли бы обусловить заявляемые режимы с получением указанного технического результата.

П р и м е р. Предложенный способ был опробован на кристаллах InSb n-типа проводимости для изготовления p-n-переходов в виде 64 элементных линеек. Было изготовлено семь партий (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж) по пять линеек каждая: четыре партии (А, Б, В, Г) в соответствии с заявляемыми режимами, две партии (Д, Е) за пределами заявляемых режимов и одна партия (Ж) в соответствии со способом, принятым за прототип.

Имплантацию ионов бериллия проводили на ускорителе Везувий-5 через окна в фоторезистивной маске. Для отжига использовали либо установку Импульс-5 с галогенными лампами типа КГК-200-1000-4, либо установку с ксеноновыми лампами типа ЦНП 16/250. Поверхность защищали анодным окислением и нанесением пленки SiO термическим распылением на установке УВН-70. Для осуществления разводки на поверхность SiO наносили пленку Gr + Au также термическим распылением на установке УВН-70, а затем последующей фотолитографией выделяли рисунок разводки.

Концентрация легирующей примеси в кристалле InSb и режимы имплантации и отжига по партиям были следующими: А: концентрация N 10¹³ см^-3, энергия ионов Е 20 кэВ, доза имплантации Φ= 5 ˙ 10¹¹ см^-2, отжиг галогенными лампами при длительности импульса τ= 0,8 с и плотности мощности Р 50 Вт/см², Б: N 10¹⁶ см^-3, Е 100 кэВ, Φ= 6 ˙ 10¹⁴ см^-2, отжиг галогенными лампами при τ=10 c и P 100 В: N 10¹³ см^-3, Е 20 кэВ, Φ= 10¹¹ см^-2, отжиг ксеноновыми лампами при τ= 15 мс и P 700 Г: N 10¹⁶ см^-3, Е 40 кэВ, Φ= 10¹⁴ см^-2, отжиг ксеноновыми лампами при τ= 20 мс и P 1200, Д: N 10¹⁴ см^-3, Е 40 кэВ, Φ= 10¹⁵ см^-2, отжиг галогенными лампами при τ= 10 мс и P 100 Е:N 10¹⁵ см^-3, Е 100 кэВ, Φ= 10¹⁴ см^-2, отжиг ксеноновыми лампами при τ= 20 мс и P 1200 Ж:N 10¹⁵ см^-3, Е 100 кэВ, Φ= 10¹⁴ см^-2, стационарный отжиг в печи СДО-15 при температуре 375^оС в течение 30 мин в смеси азота и водорода.

После изготовления на каждом элементе линеек каждой партии измерялось дифференциальное сопротивление R_д при нулевом смешении и для каждой из партий оценивались средние значения R_д (R_{д ср.}), рассчитывалась однородность по линейке (δ) и воспроизводимость по формулам
δ= 100% -100% где R_д^макс. и R_д^мин. максимальное и минимальное значения R_д в пределах одной линейки,
Δ= 100% 100% где R_д^ср.макc и R_д^ср.мин максимальное и минимальное из средних по линейкам значение для данной партии.

Оценивалась производительность для каждой партии. Результаты по каждой партии образцов представлены в таблице.

Как следует из таблицы, использование изобретения позволяет повысить R_д^ср., воспроизводимость и однородность параметров, а также производительность процесса изготовления p-n-переходов.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ P-N-ПЕРЕХОДОВ НА КРИСТАЛЛАХ АНТИМОНИДА ИНДИЯ N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ, включающий имплантацию ионов бериллия, постимплантационный отжиг, защиту и пассивацию поверхности и металлизацию, отличающийся тем, что постимплантационный отжиг осуществляют импульсами излучения галогенной лампы с длительностью 0,8 - 10,0 с при плотности мощности 50 -100 Вт/см², при этом в качестве исходных используют кристаллы с концентрацией легирующей примеси N = 10¹³ - 10¹⁶ см^-3, а имплантацию проводят с энергией ионов Е = 20 - 100 кэВ и дозой Φ =5 · 10¹¹ - 6 · 10¹⁴ см^-2 при F ≥ 5 · 10^-2 · N.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2