Способ легирования кремния халькогенами

 

Использование: в технологии производства полупроводниковых приборов, в частности в процессах легирования кремния халькогенами, и может быть использовано при изготовлении термодатчиков, фотоприемников. Сущность: способ включает в себя ионное легирование, отжиг и диффузионную разгонку примеси при температуре 600 - 1350^oC и последующую закалку. Закалку проводят посредством импульсного отжига в течение от 80 миллисекунд до 10 секунд с удельной мощностью от 50 Вт/см² до 1 кВт/см². 3 табл.

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к процессу легирования кремния халькогенами, и может быть применено при изготовлении термодатчиков, фотоприемников.

Известный способ легирования кремния халькогенами (N. Sclar, The effect of dopant diffusion vapor pressure on the properties of sulphur and selenium doped silicon infrared detectors. Journal of Applied Physics, v. 52, N 8, p. 5207 5212) предусматривает проведение процесса диффузии из газовой фазы серы или селена в пластины кремния и отжиг при температуре 1200^oC под различными давлениями, причем остывание пластин происходило в течение нескольких минут. Примеси халькогенов в процессе диффузии образуют легированный слой за счет возникновения электрически активных центров из одиночных атомов примеси в кристаллической решетке с уровнями энергии в запрещенной зоне кремния.

Описанный способ обладает рядом существенных недостатков. К наиболее важным следует отнести: 1. Наличие эрозии на поверхности кремниевых пластин, что не позволяет использовать планарную технологию для создания полупроводниковых приборов.

2. Образование комплексов из нескольких атомов примеси, создающих центры с энергией ионизации меньше чем для основного состояния одиночного атома примеси в кристаллической решетке кремния, что приводит к ухудшению электрофизических параметров (высокие значения темновых токов, низкая чувствительность, инерционность).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ легирования кремния халькогенами, включающий ионную имплантацию селена, отжиг и разгонку примеси в диффузионной печи при температуре 1200^oC с последующей закалкой на воздухе либо в воде (Е.В. Астрова, И.Б. Большаков, А.А. Лебедев, О.А. Михно. Фотопроводимость кремния, легированного селеном. ФТП, т. 19, вып. 5, с. 919 922). Такой способ легирования не приводит к образованию эрозии и частично позволяет уменьшить концентрацию комплексов примеси.

Однако проведение процесса закалки по данному способу из-за большого градиента температур по поверхности даже небольших образцов вызывает их искривление и растрескивание, что исключает использование данного способа в технологии изготовления интегральных схем.

Перед авторами поставлены следующие задачи: повышение концентрации примеси в кремнии, легированном халькогенами, снижение эффективности их комплексообразования и устранение искривления пластин.

Поставленные задачи достигаются тем, что в известном способе легирования примесей с глубокими уровнями в кремнии, включающем ионное легирование примеси, отжиг при температуре 600 1350^oC и последующую закалку, закалку проводят посредством импульсного отжига в течение от 80 миллисекунд до 10 секунд с удельной мощностью от 50 Вт/см² до 1 кВт/см².

В заявляемом способе закалка посредством импульсного отжига обеспечивает получение качественно нового эффекта увеличение концентрации одиночных атомов примеси в кремнии, существенное уменьшение образования комплексов халькогенов, а также устраняет искривление и растрескивание кремниевой пластины, что дает возможность применения планарной технологии для создания интегральных полупроводниковых приборов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Импульсный отжиг, проводимый в течение от долей до нескольких секунд, позволяет достигать температуры вплоть до 1500^oC. При этом неравномерность нагрева по поверхности пластины не превышает 1 2% Последующее охлаждение также может контролироваться либо путем создания соответствующей атмосферы, либо управляемым снижением мощности источника излучения.

Выбор режимов импульсного отжига обусловливается тем, что проведение его процесса при больших чем 10 с временах приводило к плавлению пластин, а увеличение мощности свыше 1 кВт/см² к раскалыванию пластин в реакторе. Снижение времени нагрева меньше 80 мс или удельной мощности меньше 50 Вт/см² не приводило к появлению эффекта закалки, и изменений концентраций не обнаружено.

Проверка предлагаемого способа легирования кремния халькогенами проводилась экспериментально.

Пример 1.

В пластины кремния марки КЭФ-100 с ориентацией (100) проводилась имплантация ионов серы S⁺ с дозой 4 х 10¹³см^-2 и энергией 100 кэВ. После этого пластины подвергались отжигу и диффузионной разгонке примеси при 1200^oC в течение 4 часов. Затем часть пластин подвергалась закалке по известному способу при быстром извлечении из печи и опускании в воду, а другая вынималась из печи в течение нескольких минут и остывала на воздухе. Закалка по прототипу, т.е. путем охлаждения погружением в воду, приводила к короблению пластин и очень часто к раскалыванию при дальнейших технологических операций.

В нашем случае закалка пластин, остывавших на воздухе после диффузионной разгонки, проводилась импульсным отжигом от мощных дуговых ксеноновых ламп в течение 80 мс, 1 с и 10 с при плотности мощности 50 Вт/см², 300 Вт/см² и 1 кВт/см². Охлаждение пластин после закалки до комнатной температуры происходило в реакторе, заполняемом на время обработки воздухом.

Измерение кривизны пластин, подвергнутых закалке по предлагаемому способу, показало, что они не отличаются от пластин, не подвергавшихся закалке.

Холловские измерения концентраций одиночных активированных атомов серы и ее комплексов представлены в таблице 1.

Пример 2.

В пластины кремния марки КДБ-20 с ориентацией (100) проводилась имплантация ионов селена Se⁺ с дозой 3·10¹⁵см^-2 и энергией 100 кэВ с последующим отжигом и диффузионной разгонкой примеси при 1200^oC в течение 72 часов. Дальнейшие операции проводились аналогично примеру 1.

Измерение кривизны пластин дало результаты, как и в примере 1.

Холловские измерения концентрацией одиночных активированных атомов селена и его комплексов представлены в таблице 2.

Пример 3.

В пластины кремния марки КЭФ-100 с ориентацией (100) проводилась имплантация ионов Тe⁺ с дозой 3·10¹⁴см^-2 и энергией 100 кэВ с последующим отжигом и диффузионной разгонкой примеси при 1200^oC в течение 72 часов. Дальнейшие операции проводились аналогично примеру 1.

Измерение кривизны пластин дало результаты, как и в примере 1.

Холловские измерения концентраций одиночных активированных атомов теллура и его комплексов представлены в таблице 3.

Сравнивая результаты холловских измерений концентраций примеси и комплексов в образцах, обработанных по предлагаемому способу и контрольных образцов, не подвергнутых импульсному нагреву, представленные в таблицах 1, 2 и 3, можно убедиться, что проведение закалки с помощью импульсного нагрева приводит к увеличению концентрации центров, связанных с одиночными атомами примеси в решетке и снижению концентрации комплексов по сравнению с контрольными, полученными по прототипу.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает следующими преимуществами: увеличивает концентрацию центров, связанных с одиночными атомами примеси в кристаллической решетке в 10 раз для серы и на 20% для селена; уменьшает концентрацию комплексов примеси в 30 раз для селена, в 12 раз для теллура и в 8 раз для серы; позволяет исключить искривление и растрескивание кремниевых пластин, что делает возможным применение предлагаемого способа в планарной технологии интегральных схем.

Формула изобретения

Способ легирования кремния халькогенами, включающий в себя ионное легирование, отжиг и диффузионную разгонку примеси при температуре 600 - 1350^oС и последующую закалку, отличающийся тем, что закалку проводят посредством импульсного отжига в течение 80 мс 10 с удельной мощностью 50 Вт/см² 1 кВт/см².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2