Способ получения однородных монокристаллов

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе получения монокристаллов бестигельной зонной плавкой создают расплавленную зону путем индукционного нагрева монокристалла, осуществляют электромагнитное перемешивание расплава и дополнительно монокристалл подвергают действию УЗ-колебаний с частотой 18-20 кГц и интенсивностью 0,3-0,6 Вт/см². Изобретение позволяет увеличить однородность распределения примесей по сечению монокристалла и тем самым увеличить выход годных приборов.

 

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к получению однородных монокристаллов.

В современной электронике широко применяют монокристаллы, совершенство структуры и однородность которых определяют выход годных полупроводниковых приборов, воспроизводимость параметров, стабильность и долговечность их работы.

Известны способы выращивания монокристаллов: методы Чохральского, с пьедестала, заключающиеся в расплавлении кристаллизуемого материала, введение монокристаллической затравки и дальнейшего роста монокристалла при понижении температуры (С.А.Медведев. Введение в технологию полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1970, с.280-300).

К одному из существенных недостатков данных способов, значительно снижающих выход годных полупроводниковых приборов, относится то, что в результате неоднородности теплового поля в зоне кристаллизации происходит образование слоистой неоднородности распределения примесей. Кроме того происходит загрязнение расплава при его взаимодействии с материалом тигля.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является метод бестигельной зонной плавки, использующий индукционный нагрев монокристалла для создания расплавленной зоны, электромагнитное перемешивание расплава (С.А.Медведев. Введение в технологию полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1972, с.302). Однако, как показывают опыты, электромагнитное перемешивание и встречное вращение штоков не является достаточно эффективным, чтобы добиться равномерного распределения примеси по сечению кристалла, т.к. ее распределение зависит от большого числа технологических и кристаллографических факторов, не поддающихся точному учету. И только при малых значениях коэффициента распределения примесей, а также при многократном прохождении зоны в одном и том же, а затем во встречных направлениях можно достичь достаточно однородного распределения примесей.

На практике о степени равномерности распределения примесей по объему кристалла судят только по средним величинам. Для этого плотности примесей и дефектов усредняют по некоторым объемам отсчета. Считается, что если неоднородность по длине слитка лежит в пределах допусков на величину удельного сопротивления ρ = ±10%, то практически такой слиток может быть использован для производства полупроводниковых приборов. Однако такой подход к определению однородности распределения примесей приводит к низкому проценту выхода годных приборов. Если учитывать микронеоднородности, т.е. неоднородности, которые не удается обнаружить непосредственно, но которые проявляются, например, в разбросе параметров большого числа электронно-дырчатых переходов возможно меньшей площади (порядка 50 мкм), изготовленных в идентичных условиях на одной монокристаллической пластине, то будет понятен низкий процент выхода годных приборов.

Техническим результатом изобретения является получение однородных по сечению монокристаллов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе получения однородных монокристаллов путем бестигельной зонной плавки, включающем индукционный нагрев монокристалла для создания расплавленной зоны, электромагнитное перемешивание расплава новым, согласно изобретению является то, что в процессе выращивания расплав подвергают действию ультразвуковых колебаний с частотой 18-20 кГц и интенсивностью 0,3-0,6 Вт/см.

При этом происходит интенсивное перемешивание примесей в расплавленной зоне, в результате чего выращенный монокристалл имеет высокую степень однородности распределения примесей.

Применение ультразвуковых колебаний известно, например, для ультразвуковой очистки деталей (Вольсон А.И., Гринберг А.М. Очистка деталей в звуковом и ультразвуковом поле. - “Радиоэлектронная промышленность”, 1958, вып.2).

В нашем случае предложено использовать ультразвуковые колебания для увеличения интенсивности перемешивания компонентов расплава при выращивании монокристаллов.

Нами установлена неизвестная ранее связь между частотой, интенсивностью ультразвуковых колебаний и однородностью распределения примесей в монокристаллах.

Частота ультразвуковых колебаний выбрана в интервале 18-20 кГц в связи с тем, что при повышении частоты более 20 кГц происходит увеличение порога кавитации в расплаве, т.е. увеличивается минимальное значение звукового давления, достаточное для возникновения кавитации при заданных условиях. При частоте меньшей 18 кГц не происходит достаточно интенсивное перемешивание компонентов расплава.

Интенсивность излучения выбиралась из следующих соображений.

При интенсивности выше 0,6 Вт/см² происходит увеличение плотности облака кавитационных пузырьков, что приводит к заметному уменьшению интенсивности ультразвука на некотором расстоянии от излучателя. Уменьшение интенсивности ниже 0,3 Вт/см² не приводит к желаемому результату из-за частичного поглощения на узлах установки. Рекомендовать заданные пределы частоты и интенсивности ультразвуковых колебаний позволяют полученные нами зависимости степени однородности распределения примесей в монокристаллах от этих параметров.

Способ осуществляется следующим образом. Слиток монокристаллического полупроводника укрепляют между верхними и нижними штоками внутри рабочей камеры, которую герметизируют при помощи резиновых прокладок в момент ее закрывания. Верхний шток может свободно вращаться и передвигаться на небольшие расстояния. Нижний шток вращается со скоростью около 2 об/мин. Верхний и нижний штоки соединяют стойками.

Слиток, вставленный между штоками, оказывается внутри кольца индуктора, обеспечивающего расплавление узкой зоны и электромагнитное перемешивание расплава. В рабочую камеру подают рабочие газы: обычно аргон, гелий или водород. На один из штоков укрепляют пьезоэлектрический преобразователь, питаемый ультразвуковым генератором. После расплавления токами высокой частоты узкого участка в слитке полупроводника зона расплава перегоняется от одного конца слитка к другому в результате перемещения слитка относительно индуктора.

Пример

Для проверки предлагаемого способа использовались промышленные монокристаллы кремния п - типа, выращенные по методу Чохральского и легированные фосфором до концентраций носителей 7÷8·10¹³ см^-3. Слитки имели диаметр ~ 35 мм, а плотность дислокаций не превышала 10³ см^-2. Один из монокристаллов разрезался на две равные части в продольном направлении. Первый из полученных слитков подвергался перекристаллизации методом бестигельной зонной плавки. Другой из слитков подвергался такой же перекристаллизации, только к одному из соосных водоохлажадемых штоков присоединялся датчик ультразвукового вибратора. В нашем случае использовали ультразвуковой генератор серии 43 Г - 0,25 с пьезоэлектрическим преобразователем. При этом колебания через шток передавались на монокристалл и его расплавленную зону.

В первом и во втором случаях расплавленную зону перемещали по два раза. Затем на обоих слитках делались косые шлифы в продольных направлениях. Однородность распределения примесей контролировались двумя способами

- по распределению концентрации носителей заряда, полученной из вольтемкостных измерений с помощью ртутного контакта;

- по распределению удельного, сопротивления, измеренного методом, основанным на измерении сопротивления растекания точечного контакта.

Тот слиток, который не подвергался в процессе кристаллизации действию ультразвукового излучения, имел относительное изменение концентрации носителей заряда и удельного сопротивления вдоль слитка ~ 20%.

Относительное изменение этих параметров в слитке, который испытывал действие ультразвукового излучения, не превышало 2%, т.е. этот слиток имел практически равномерное распределение концентрации примеси. Это доказывает эффективность перемешивания расплава в процессе кристаллизации при действии ультразвуковых колебаний.

Об однородности полученных монокристаллов судили также косвенным путем. Кристаллы разрезались в поперечном направлении на шайбы толщиной 400 мкм. На них методом химического осаждения золота на одну из поверхностей полупроводника создавались барьеры Шоттки. Если в первом случае (без излучения) выход годных приборов не превышал 7-10%, то во втором случае, в результате резкого повышения однородности распределения примесей в кристалле выход годных приборов составляет 75-80%.

Т.о. использование предложенного способа получения однородных полупроводниковых монокристаллов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Существенное увеличение однородности распределения примесей в монокристаллах.

2. Резкое увеличение (почти на порядок) выхода годных приборов.

Способ получения однородных монокристаллов путем бестигельной зонной плавки, включающий индукционный нагрев монокристалла для создания расплавленной зоны и электромагнитное перемешивание расплава, отличающийся тем, что монокристалл дополнительно подвергают действию ультразвуковых колебаний с частотой 18-20 кГц и интенсивностью 0,3-0,6 Вт/см².