Способ термообработки полупроводников и устройство для его осуществления

 

1. Способ термообработки полупроводников , включающий нагрев-образца и воздействие на него электрического поля, отличающий-с я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, обработку ведут в ионизированной среде при пропускании через образец тока напряжением не более 300 в. 2. Устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца,г снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, устройство снабжено цилиндром для ионизированной среды, который установлен под контейнером, внутри по оси цилиндра размещен электрически изолированный элект (О род, а в верхней части цилиндр имеет форму усеченного конуса для подачи ионизированной среды по периферии образца. о а СП сд 4;;

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(59 С 30 В 33 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPGHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В С А

Фиг. 1 (21) 2973376/23-26 (22) 09.07.80 (46) 23.01.84. Бюл. )) 3 (72) A.Я.Фоминов, B.N.Соколов и В.А.Семенов (71) Рязанский радиотехнический институт (53) 621.315.592(088 ° 8) (56) 1. Эаявка Франции Р 2321325, кл. В 01 7 17/ОО, опублик. 1977.

2. Особенности поведения вторых

Фаз в монокристаллах кремния при обжиге в электрическом поле.

Иэв.вузов, Физика, 1978, 9 10 с.26-31 (прототип). (54) СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУР(ЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ термообработки полупроводников, включающий нагрев образца и воздействие на него электрического поля, о т л и ч а ю щ и и - . с я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, обработку ведут в ионизированной среде при пропускании через образец тока .напряжением не более 300 В.

2. Устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что С целью увеличения подвижности носителей тока, устройство снабжено цилиндром для ионизированной среды, который установлен под контейнером, 1 внутри по оси цилиндра размещен электрически изолированный электрод, а в верхней части цилиндр имеет форму усеченного конуса для подачи иониэированной среды по периферии образца.

1068554

Изобретение относится к области радиоэлектроники, связанной с производством полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, и может быть использовано для улучшения их качества.

Применяемые в настоящее время полупроводниковые материалы имеют неконтролируемые примеси и дефекты, которые ограничивают подвижность основных носителей тока и приводят к уменьшению граничной частоты усиления транзисторов и уменьшению коэффициента усиления транзисторов, к уменьшению быстродействия интегра". льных схем и т.д.

Известен способ удаления дефектов кристаллической структуры в полупроводниковых пластинах, включающий их предварительную шлиФовку абразивом с последующей их термообработкой в атмосфере, содержащей кислород С12.

Однако при этом способе возможно загрязнение поверхностного слоя пластин.

Наиболее близким к изобретению является способ термообработки полупроводников, включающий нагрев образца и воздействие на него электрического поля. Способ осуществляют в устройстве, включающем контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического поля, и нагреватель 52 J, Недостатком известного способа и устройства является большая дли-. тельность процесса при высоких температурах, что приводит к структурным нарушениям в кристаллах и не обеспечивает хороших электроФизических свойств, в частности достаточно высокой подвижности носителей тока.

Целью изобретения является увеличение подвижности носителей тока.

Цель достигается тем, что согласно способу термообработки полупроводников, включающему нагрев об" разца и воздействие на него электрического поля, обработку ведут в иониэированной среде при пропускании через образец тока напряжением не более 300 В.

С этой целью устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, снабжено цилиндром для ионизированной среды, который уСтановлен под контейнером, внутри по осн цилиндра размещен электрически изолированный электрод, а в верхней части цилиндр имеет форму усечен-. ного конуса для подачи иониэирован,ной среды по периферии образца.

На фиг.l приведена схема обработки образца в виде пластины; на . фиг.2 - схема обработки образца в виде стержня; на фиг.3 — устройство, продольный разрез; на фиг.4 схема измерения подвижности методом Ван-дер-Пау.

Образец 1 в виде пластины или стержня подключается к отрицательному полюсу генератора постоянного

l0 тока и размещается в электролите 2, а анод 3 подключен к положительному полюсу. Накладки 4 выполнены из металла, хорошо проводящего электрический ток. Устройство (фиг.3) содер 5 жит механизм опрессовки полупроводниковых образцов 5 и контейнер 6 для их размещения. С помощью механизма опрессовки полупроводниковый образец 1 прижимается к опорной

2О шайбе 7 с определенным усилием, исключающим ее разрушение. Для выполнения этой задачи в механизме предусмотрены упругая шайба 8, гидравлический цилиндр 9 с плавным ъ5 ходом, упругие элементы и ограничители хода. С помощью расположенных в контейнере узлов и агрегатов ионн" зированная среда. подводится к наружной поверхности образца l. Цилиндр 10 служит источником ионизированной среды, в котором ионизированная среда размещается, поступая из агрегата ll. Через цилиндр

10 также осуществляется циркуляция ионизированной среды, которая собирается в резервуаре 12 и вновь подается агрегатом 11 .в цилиндр 10.

В полости цилиндра располагается шток 13, выполненный иэ электроизоляционного материала. Он снабжен в

4() центральной части электродом 14, с помощью которого образец 1 подключается к отрицательному полюсу генератора постоянного тока. Сам цилиндр 10 подключается к положитель45 ному полюсу генератора. Шток 13 перекрывает большую часть поверхности образца 1, предотвращая контакт с ионизированной средой. Между штоком 13 и цилиндром 10 в верхней части образуется узкая щель, через которую истекает нонизированная среда, которая омывает кольцевую площадку образца 1 небольшой ширины, благодаря тому, что в верхней части цилиндр 10 имеет форму усеченного конуса.

Пример 1. Устройство работает следующим образом. В качестве ионизированной среды используют водный раствор поташа (К2СОЗ)

60 в концентрации 250 г на 1 л, который загружают в цилиндр 10. Образец в виде пластины из кремния КЭФ

0,3/0,1 толщиной 1,25 мм и диаметром 40 мм имеет уд.сопротивление

65 0,2 Ом см и подвижность электронов

1068554

1340 cM /В с. Образец крепят с помощью шайб 7 и 8. Глубина погружения образца в электролит по периферии 3 мм, температура на нагреваемой поверхности в конце нагрева

800-С, время нагрева 5 с, при напряжении на электродах 150 В и плотности. тока 4 A/см . После нагрева полупроводниковая пластина в горячем состоянии извлекается из элект" ролита и охлаждается на воздухе.

Псдвижность после обработки составила 1800 см /в с, что на 34% превысила исходную.

В элементах той же пластины на расстоянии 15 мм от нагреваемой по- 15 верхности подвижность составила

1432 см /В с, что превысила исход2. ную на 6,7%.

В качестве ионизированной среды может быть использован концентрированный водный раствор К СОз, NaC2, и т.д, их расплавы или ионизированный газ при напряжениях тока не более 300 В.,Цля уменьшения напряжения тока на электродах осуществляют предварительный подогрев монокристалла до температуры не менее 400 С, При нагреве полупроводников в плазме ионизированной среды последние оказываются в особых, экстремальных условиях. у нагреваемой по-. верхности образца образуется двойной электрический слой, в состав которого входят ионы калия или натрия, являющиеся металлами со свойствами сильно действующих поверхностно-активных веществ, которые могут значительно понизить свободную по;верхностную энергию. Эффект понижения поверхностной энергии приводит 40 к изменению физических свойств во. всем объеме обрабатываемого образца.

I

Кроме того, у нагреваемой в плазме ионизированной среды образца 45 образуется электрическое поле весьма высокой напряженности. Если электрическое поле вблизи поверхности металла при электролизных процессах имеет напряженность 106 -10 В/см, то при нагреве в электролите напряженность поля у катода еще более значительная. Напряженность, равная 10 -10 В/см, является следствием падения напряжения тока у катода (U<) в несколько вольт (обычно до

10-15 В). В то время как при электролитном нагреве у поверхности образца падение напряжения достигает

100-110 В. Таким образом,.кратковременная обработка полупроводников 60 в плазме ионизированной среды сопровождается воздействием на них резко неоднородных и нестандартных температурных и электромагнитных полей, которые играют решающую роль 65 в процессах, приводящих к ускоренному изменению электрофизических свойств сплавов и полупроводников.

В рассматриваемом виде нагрева электрическая энергия преобразуется у поверхности катода в тепловую, которая поступает в образец. Количество энергии, поступающей в образец, зависит от падения напряжения у катода. От величины этой же энергии зависят температура на поверхности образца, глубина проникновения температурного поля в металл или полупроводник и скорость нарастания температуры в точках тела. Поэтому температура на поверхности полупроводника может изменяться в широких пределах от 300 С (Бк(100 В) до температуры плавления полупроводников

936 С (германий) и 1417 С (кремний) (U )120 В) . В указанном интервале температур может иметь меото состояние теплового равновесия. Так для стали 40 температура теплового равновесия 900 С устанавливается при

125 В. Температура 1300 С вЂ” при

150 В. От падения напряжения тока у поверхности полупроводника также зависит напряженность поля и его глубина распространения в материал образца. Экспериментальные данные показывают, что механические и электрофизические свойства материалов зависят от величины напряжения и продолжительности воздействия электрического поля. Оно является резко неоднородным и нестационарным, поскольку поле концентрируется в основном у поверхности полупроводников и формируется за определенный промежуток времени. Применительно к полупроводникам указанные положения подтверждаются рядом экспериментальных данных.

Например, с помощью нагревания в электролите методом термо-ЭДС был определен тип проводимости кремния.

При этом оказалось, что тип проводимости, измеренный после местного кратковременного нагревания (2-3 с) в электролите, прямо противоположен по сравнению с нагреванием обычным методом (термозондом). Таким образом, пластина кремния р-типа при нагревании в электролите определялась как и-типа и наоборот. После охлаждения пластины эффект обратимой проводимости исчезает.

У германия после нагрева в электролите тип проводимости также меняется, но со своими оообенностями.

Если после местного нагрева в электролите кремния р-типа он становится полупроводником п-типа, а и-тип — р-типом, то германий и-типа после местного нагрева. в электролите не меняет тип проводимости, а

1068554 германий р-типа после такого же нагрева меняет тип проводимости на обратный, т.е. íà и-тип. В результате обычной термической обработки германия наблюдается превращение полупроводника и-типа в р-тип. Это длительный процесс при высокой температуре в атмосфере гелия. Но неизвестна возможность превращения путем терминеской обработки полупроводника р-типа в полупроводник п-типа.

Таким образом, полученные данные о превращении кремния и германия после местного нагрева zl электролите эа 2-3 с до температуры 300-500 С являются прямым доказательством влияния электромагнитного поля на существенные изменения в структуре полупроводников.

Обратимые превращения полупроводников по типу проводимости приводят к необратимым изменениям их электрофизических свойств, например, к изменению Подвижности носителей заряда. Поэтому для оценки результатов термической обработки кремниевых полупроводников и и р-типов использовался сравнительный метод измерения подвижности носителей заряда.

Измерение подвижности и удельного сопротивления в элементах производились на полупроводниковых кремниевых пластинах с использованием эффекта Холла модернизированным методом Ван-дер-Пау (фиг.4).

На поверхности образцов методом вакуумного напыления наносились 4 алюминиевых контакта по вершинам квадрата. В этом случае удельное сопротивление полупроводника

aid Rabat> +Ввеь4 — — где d — тол-:

Йп2 2 щина полупроводниковой пластины;

Uae .: Оп4

4з ьс . Подвижность носителей заряда р d ьэм

Р- г у где  — индукция магнитного поля; д ьв4 - изменение сопротивления, обусловленного магнитным полем В.

При измЕрениях образца до термообработки

ДД Д% = Дщ " NNA 174; Ac = 8%8 . Изменение Ugq под действием магнитного поля АПд = 2,15 мВ;

2<15

6R»4 = -f0- = 0,215 OMr Пв =U>4 — 350 мВ; d = 1,25 мМ; ВЗ З4 —— Вдзрр =

35 Ом. удельное сопротивление

3 14 1 25 10 3 35+35

0,694 2

2 10 Ом м = 0,2 Ом см.

Подвижность носителей

1 25 10 - 0 215 — 0 134 = м

1210 Вс . см — 1340

В с

Образец после термообработки измерялся в тех же режимах. При этом изменилось только a Upq которое составляло 2,2 мВ;Проведя аналогичные расчеты, определили подвижность носителей, которая оказалась равной, 1800 см /В"с, т.е. увеличилась на 34%.

В зависимости от технологических режимов термообработки различные образцы показали увеличение подвижности на 6,74%; 2,75% и 18,7%, 35

Предлагаемый способ термической обработки полупроводников позволяет регулировать изменение подвижностей носителей заряда в определенных пределах путем изменения напряжения на электродах, концентрации ионизированной среды поверхности. соприкосновения полупроводника с ионизированной средой и расстояния между электродами.

Таким образом, из приведенных .данных следует, что предлагаемый способ обработки значительно отличается от известных способов термической обработки полупроводников.

Известными способами кристаллы целиком нагреваются до 900 С, и более высокой температуры, диффузионные процессы, протекающие при высокой температуре в полупроводниковых, играют основную роль, а накладываемое в отдельных случаях электрическое поле играет второстепенную роль

40 для направленного движения элементарных частиц. Эти. виды термической обработки длятся десятки часов.

По предлагаемому способу основную роль в структурных изменениях иг45 рает электромагнитное иоле, сопровождающее местный нагрев полупровод- ников до 300-500 С в ионизированной среде. Длительность составляет все-: го 3-7 с.

1068554

1.l

Составитель В.Безбородова

ТехредЛ. Микеш

КорректорИ.Муска

Редактор В.Иванова

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, рл. Проектная, 4

Заказ 11423/26 Тираж 356 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5