Способ легирования полупроводниковых пластин

 

Использование: в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, а также в других областях техники, связанных с процессами легирования и диффузии примесей в полупроводники и металлы. Сущность изобретения: процесс диффузии примеси в полупроводник проводят в две стадии, при этом процесс осаждения проводится стандартным методом в электротермических печах сопротивления, а процесс перераспределения примеси по глубине полупроводника осуществляется на воздухе при температуре, близкой к комнатной, в потоке высокоэнергетического пучка с энергией электронов 9,5 - 12 МэВ и интегральной дозой облучения, равной 6 · 10⁷ - 5 · 10¹⁸ эл/см², при плотности тока в пучке 2 - 15 мкА/см².

Изобретение относится к технике, связанной с процессами легирования и диффузии примесей в полупроводники и металлы, а именно к способам диффузионного перераспределения примеси с поверхности по глубине полупроводниковых пластин путем обработки в потоке электронного пучка, и может быть использовано в пространстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Известны способы легирования полупроводников для создания p-n перехода, состоящие из двух стадий диффузии и полупроводниковые пластины: процесс осаждения (загонка) и процесс перераспределения (разгонка) примеси в полупроводнике [1].

Недостатком известных способов легирования полупроводников является большая продолжительность обработки, особенно во второй стадии процесса диффузии.

Наиболее близким по техническому решению является способ легирования полупроводниковых пластин, включающий две стадии диффузии примеси в полупроводник, причем процесс осаждения проводится в электрохимических печах сопротивления в потоке газа-носителя из твердого, жидкого или газообразного источника примеси при температурах 300 - 1200 K [2], а процесс перераспределения (разгонка) примеси с поверхности по глубине полупроводниковой пластины осуществляется при высоких температурах 1073 - 1473 K в печах сопротивления в течение иногда нескольких часов, создавая p-n переход с глубиной залегания 0,5 - 10 мкм [2, с. 292 - 2971].

Основными недостатками известного способа легирования полупроводниковых пластин является низкая эффективность внедрения примесных атомов с поверхности в глубину полупроводника при высоких температурах процесса и сравнительно высокая продолжительность обработки, особенно во второй стадии диффузии.

Предлагаемый способ легирования полупроводниковых пластин включает двухстадийный процесс диффузии примеси в полупроводниковые пластины, причем процесс осаждения проводится в электротермических печах сопротивления в потоке газа-носителя из твердого, жидкого или газообразного источника примеси, а процесс перераспределения (разгонка) примеси по глубине полупроводника ведут на воздухе при температурах 290 - 350^oK в потоке высокоэнергетического электронного пучка с энергией электронов 9,5 - 12 МэВ и интегральной дозой облучения, равной 6 · 10¹⁷ - 5 · 10¹⁸ эл/см², при плотности тока в пучке 2 - 15 мкА/см².

Введенные отличительные признаки в предлагаемый способ легирования полупроводниковых пластин создают оптимальные условия, при которых имеет место массоперенос примеси с поверхности по глубине полупроводника под действием электронов высоких энергий при температурах, близких к комнатной. В отличие от традиционного способа обработки при выбранном интервале энергии электронов и плотности тока в пучке обнаружена высокая эффективность внедрения примесных атомов с поверхности полупроводника, выражающаяся в более высоких коэффициентах диффузии элементов и меньшей продолжительности обработки.

Способ легирования полупроводниковых пластин был реализован на электронном линейном волнообразном ускорителе УЭЛВ-10-10, содержащем: импульсный инжектор электронов и диафрагмированный волновод с СВЧ-генератором, водоохлаждаемое из высокотепловодного сплава приспособление для закрепления полупроводниковых пластин. Основные технологические характеристики ускорителя: энергия электронов 8 - 12 МэВ, максимальная плотность тока в пучке 15 мкА/см², номинальная мощность пучка 10 кВт; длительность импульса τ = (1 - 7) · 10^-6 с., частота 200 Гц, длина строки развертки до 70 см, сечение выходного окна 67,5 см².

Предлагаемый способ легирования полупроводниковых пластин был опробирован в лабораторных условиях. В частности, был осуществлен процесс перераспределения бора и фосфора по глубине кремния n- и p-типа (КЭФ-4,5 и КДБ-10), прошедших процесс осаждения указанных примесей в электротермической печи сопротивления типа СДО-125-3/15А в потоке газа-носителя (N₂) из жидкого источника примеси при температурах и времени осаждения соответственно для бора T = 1175 K и t = 10 мин (x_j≈3,5 мкм; R_s = 130 Ом), для фосфора T = 1150 K и t = 7 мин (x_j = 2,5 мкм; R_s = 3 - 4 Ом). Процесс перераспределения (разгонка) бора и фосфора по глубине кремния n- и p-типа проводился при следующих режимах: энергия электронов составляла 10 МэВ, плотность тока в пучке 15 мкА/см² в течение 2,5 ч., так что доза облучения была 8 · 10¹⁷ эл/см². После обработки образцов кремния в потоке электронов проводились измерения глубины диффузионного слоя и поверхностного сопротивления в сочетании с последовательным удалением тонких слоев анодным окислением и травлением залегания x_j 3,5 - 50 мкм и поверхностным сопротивлением R_s 5 - 200 Ом. Установлено также, что при направлении первичного пучка электронов в сторону уменьшения концентрации фосфора и бора диффузионный профиль смещался в сторону больших глубин.

Эксперименты по облучению полупроводников потоком высокоэнергетических электронов проводились при температурах кремниевых пластин, близких к комнатным 290 - 350 K, при этом наблюдалось значительное снижение продолжительности обработки по сравнению с традиционными методами обработки. Так, для получения глубины залегания p-n перехода x_j = 2,5 мкм после диффузии фосфора в кремний КДБ-10 при температуре диффузии 1450 K потребуется 1,5 ч. В то время как, применяя способ обработки полупроводников в потоке электронов при температуре образцов 300 K, для получения x_j = 15 мкм при следующих режимах: энергия электронов 10 МэВ, плотность тока в пучке 10 мкА/см², доза облучения 6 · 10¹⁷ эл/см², - потребуется время обработки менее 1,5 ч. Соответственно коэффициенты диффузии, найденные из выражения D = x²/4t, будут равны: в первом случае - D = 4 · 10^-12 см²/с., во-втором D = 5 · 10^-13 см²/с. Аналогичные результаты были получены при осуществлении обработки кремния КЭФ-4,5, легированным бором, в потоке электронов с энергией электронов 12 МэВ и плотности тока 15 мкА/см² (интегральная доза облучения 5 · 10¹⁸ эл/см²). Продолжительность обработки в электрической печи сопротивления при температуре 1473 K для получения x_j = 3,5 мкм (диффузия бора) составляла несколько часов (более 4 ч.) и коэффициент диффузии соответственно равен D = (1,1^oC1,2) · 10^-12 см²/с. При обработке кремния КЭФ-4,5, легированного бором, в потоке электронов при режимах, указанных выше, продолжительность обработке при температуре образцов 300 K составляла менее 2 ч.; коэффициент диффузии при этом равен D = 2 · 10^-13 см²/с. Таким образом предлагаемый способ легирования полупроводниковых пластин в потоке высокоэнергетических электронов отличается снижением продолжительности обработки и высокой эффективностью внедрения примесных атомов с поверхности по глубине полупроводника и зависит от энергии электронов и плотности тока.

Дальнейшие эксперименты показали, что существует определенный диапазон энергии электронов, равный 9,5 - 12 МэВ, и диапазон плотности тока и пучка, равный 2 - 15 мкА/см², при этом интегральная доза облучения будет равна 6 · 10¹⁷ - 5 · 10¹⁸ эл/см², при которых не происходит размывание концентрационного профиля, а также не наблюдается значительного дефектообразования как на поверхности, так и по глубине полупроводника. Нижний предел диапазона определяет минимальное значение энергии электронов и плотность тока в пучке, при которых наблюдается снижение продолжительности обработки и повышение эффективности примесных атомов с поверхности полупроводника. Верхний предел диапазона определяет максимальное значение энергии электронов и плотности тока в пучке (соответственно и интегральной дозы облучения), при которых не наблюдается значительного образования дефектов на поверхности и по глубине полупроводника.

Отмеченные в ограничительной части формулы изобретения признаки позволили обрабатывать в потоке электронов и другие полупроводники (например, германий), а также сложные полупроводники с управляемой формой концентрационного профиля распределения примеси по глубине полупроводника при сохранении их стехиометрического состава.

Формула изобретения

Способ легирования полупроводниковых пластин, заключающийся в проведении диффузии примеси в две стадии, на первой стадии проводят осаждение слоя легирующей примеси на поверхность полупроводниковой пластины в электротермических печах сопротивления в потоке газа-носителя из твердого, жидкого или газообразного источника примеси, а на второй стадии проводят разгонку примеси, отличающийся тем, что разгонку примеси проводят на воздухе при температурах 290 - 350 К путем обработки полупроводниковой пластины с нанесенным на ее поверхность слоем источника легирующей примеси пучком электронов с энергией электронов 9,5 - 12 МэВ и интегральной дозой облучения, равной 6 · 10¹⁷ - 5 · 10¹⁸ эл./см², при плотности тока в пучке 2 - 15 мкА/см².