Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза

Авторы патента:

H01L21/268 - с использованием электромагнитного излучения, например лазерного

Владельцы патента RU 2780375:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано для получения легированных бором пленок алмаза на подложках из кремния. Технический результат заключается в создании способа выращивания пленок алмаза акцепторного типа проводимости со значением удельного электросопротивления, приемлемого для дальнейшего использования в технологии микроэлектроники. Способ включает нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке, над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума, при этом в лодочку с порошком алмазов добавляют изопропиловый эфир борной кислоты, а напряжение подают через блок тиристоров, размещенный на входе печного трансформатора. 3 ил.

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано для получения пленок алмаза большой площади, представляющих интерес для использования в электронной промышленности.

Алмаз занимает особое место среди широкозонных полупроводниковых материалов благодаря уникальному сочетанию высоких механических, тепловых и электрических свойств. Основной интерес для электроники представляет алмаз с акцепторной примесью бора, являющийся полупроводником с примесной проводимостью.

Повышенный интерес микроэлектроники к искусственным алмазам, связан с такими уникальными характеристиками этого материала, как оптическая прозрачность в широком диапазоне от ультрафиолетового до глубокого инфракрасного диапазона длин волн, химическая стойкость к большинству агрессивных сред, высокая подвижность основных носителей, радиационная стойкость. Благодаря этим свойствам при использовании алмаза имеются предпосылки развития многих отраслей электроники (силовой и СВЧ электроники), оптики УФ и ИК диапазонов и техники. Главным препятствием является высокие трудоемкость и стоимость получения пластин алмаза для дальнейшего использования.

Известен способ выращивания монокристаллов гексагонального карбида кремния с использованием сублимации исходного порошка кубического SiC (по патенту US 1854364, 1966) [1], Этот процесс протекает во внешнем электрическом поле и лежит в основе всех известных методов получения полупроводникового карбида кремния. Этот процесс имеет сходные признаки с заявляемым, несмотря на различие материалов.

Кроме того, при создании заявляемого изобретения значительное внимание было обращено на методы электросварки (Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. Справочник. М. Машиностроение, 1978) [2], при использовании которых порошковые электроды позволяют создать слой металла (сплава) в области соединения поверхностей. Наличие внешнего электрического поля при проведении такого процесса является безусловно необходимым.

Анализ источников [1-2] приводит к выводу о том, что сублимация алмаза с осаждением его пленки на внешних поверхностях является возможной при определенных внешних физических воздействиях и приводящей к получению технически ценных продуктов.

Наиболее близким к заявляемому и принятому за прототип является способ (по патенту РФ №2722136 от 26.05.2020) [3], включающий нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке над поверхностью которой размещена пластина монокристаллического кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума.

Способ [3] позволяет выращивать тонкие пленки алмаза на поверхности пластин кремния, но, как указано в описании к патенту, получаемые алмазные пленки обладают крайне высоким удельным электросопротивлением на уровне 10¹⁰ Ом⋅м, что делает невозможным их использование в технологии приборов микроэлектроники. Кроме того, приведенная в описании к патенту [3] схема электропитания нагревательной ячейки не позволяет обеспечить высокую и управляемую напряженность внешнего электрического поля.

Задачей настоящего изобретения являются создание способа выращивания пленок алмаза акцепторного типа проводимости со значением удельного электросопротивления, приемлемого для дальнейшего использования в технологии микроэлектроники.

Данные о возможности сублимации алмаза при нагреве в бескислородной среде в литературе отсутствуют. Однако, проведенные авторами [3] эксперименты убедительно показали, что при нагреве порошка мелкодисперсных алмазов в графитовом тигле в вакууме на стадии их графитизации на поверхности размещенной над тиглем гладкой пластины кремния возникают слои кристаллического алмаза. Другого объяснения их возникновения, кроме сублимации алмаза, быть не может. Единственной причиной испарения алмазов при нагреве в вакууме может быть использование активатора, создающего электрическое поле, напряженность которого достаточно велика. Ускорение ионизированных атомов углерода в таком поле в узком температурном интервале перехода кристаллической решетки алмаза в решетку графита вполне допускается. Следовательно, ионы углерода могут ускоряться и конденсироваться на поверхности более холодной пластины кремния в кристаллической форме алмаза.

Техническим результатом заявляемого способа является получение легированных бором полупроводниковых пленок алмаза на поверхности кремния.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, включающем нагрев порошка алмазов в среде вакуума в графитовой лодочке над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, порошок алмаза предварительно смачивают изопропиловым эфиром борной кислоты, а для нагрева и создания потенциала смещения используют единственный источник знакопеременного электрического напряжения.

Изопропиловый эфир борной кислоты - изопропилборат [(СН₃)₂СНО]₃В, жидкость, после испарения летучих компонентов превращается в источник бора для сублимируемых продуктов. Такой способ легирования бором является наиболее простым и надежным.

Важными преимуществами предложенного способа по сравнению с известными аналогами являются относительно низкие температура процесса и его энергоемкость.

В качестве исходного порошка для сублимации использовались синтетические алмазы АСМ 28/20 (Фиг. 1) средними размерами 25 мкм.

Блок-схема реакционной ячейки схематически приведена на Фиг. 2. Ячейка размещена внутри вакуумной камеры, не показанной на схеме. В узком зазоре между параллельными пластинами 1 и 2 толщиной 200 мм, шириной 150 мм и длиной 260 мм каждая, выполненными из гибкой углеродной фольги, установлены массивные вставки 3 из конструкционного графита, поверхности которых грубо зашлифованы для увеличения переходного сопротивления. При подаче внешнего напряжения от печного трансформатора 4 ток I₁ поступает к нижней пластине 2 и, через вставки 3, частично уменьшенный по величине ток I₂ проходит через верхнюю пластину 1. За счет падения напряжения ΔU на вставках 3 токи в пластинах 1 и 2 значительно различаются. В результате между пластинами 1 и 2 создается разность потенциалов ΔU и, следовательно, напряженность электрического поля. На нижней пластине 2 размещают графитовую лодочку 5, в полость которой засыпают порошок мелкодисперсных алмазов 6 и смачивают его изопропилборатом в контролируемом количестве. На внешней отбортовке лодочки 5 устанавливают подложку кремния 7 с зазором между слоем порошка 6 и подложкой 7 не более 1 мм. Напряжение от трансформатора 4 подводят через электроды 8 и 9. Нагревательная ячейка, размещенная в вакуумной камере с водоохлаждаемым корпусом, запитана от трансформатора 4 через тиристорный блок 10 на его входе, в связи с чем возникают знакопеременные импульсы напряжения с частотой 50 Гц, амплитуда которых многократно превышает измеренное вольтметром переменного тока среднеквадратичное значение электрического напряжения (~ 6 В). Для установления величины тока применен блок управления тиристорами 11. На Фиг. 3 приведена осциллограмма поступающего к реакционной ячейке выходного напряжения печного трансформатора, из которой следует, что его амплитуда достигает 30 В, что соответствует напряжениям, используемым при проведении электросварки. Столь значительное внимание системе электропитания уделено по той причине, что совместное применение устройств, подающих электрический ток значительной величины для нагрева загрузки и напряжения смещения, полученного от того же источника, не является простой технической задачей. Пример использования способа

В вакуумной камере в узком зазоре между параллельными пластинами из гибкой углеродной фольги, разделенными вставками из конструкционного графита, разместили лодочку из углеродной фольги и засыпали в нее 13 г алмазного порошка АСМ 28/20. Далее с помощью пипетки нанесли на порошок 5 капель изо-пропилбората. На внешнюю отбортовку лодочки положили пластину кремния. После вакуумирования ростовой камеры включили нагрев и повышали температуру в ручном режиме от комнатной до 1050°С. После охлаждения и вскрытия камеры на поверхности пластины кремния-углерода обнаружен твердый блестящий слой, демонстрирующий акцепторный тип проводимости и удельное сопротивление на уровне 10⁴ Ом⋅м.

Способ выращивания легированных бором полупроводниковых пленок алмаза, включающий нагрев порошка алмазов в графитовой лодочке, над поверхностью которой размещена пластина кремния, причем лодочка с пластиной размещена в зазоре между двумя параллельными пластинами из углеродной фольги, прогреваемыми прямым пропусканием переменного электрического тока, а величина тока в верхней пластине меньше, чем в нижней, в среде вакуума, отличающийся тем, что в лодочку с порошком алмазов добавляют изопропиловый эфир борной кислоты (изопропилборат), а для увеличения напряженности электрического поля в зазоре между нагревательными пластинами сетевое синусоидальное напряжение подают через блок тиристоров, размещенный на входе печного трансформатора.

Изобретение относится к области технологических процессов и может быть использовано для лазерного отжига или легирования полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Способ лазерной обработки неметаллических материалов согласно изобретению заключается в предварительном подогреве материала до начальной температуры, определяемой из условия термопрочности, связывающего прочностные, теплофизические свойства материала, длительность лазерного импульса и температуру отжига, и воздействии на материал лазерного импульса с плотностью энергии, достаточной для достижения поверхностью материала температуры отжига (плавления).

Способ изготовления полупроводникового прибора // 2770135

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полевых транзисторов с пониженным значением тока подложки и повышенной стойкостью к воздействию горячих носителей. Способ состоит в следующем: формируют активные высоколегированные n+ области истока-стока с использованием слоев защитного SiО2 и Si3N4 в качестве маски, имплантацией ионов мышьяка As+ с энергией 60 кэВ, концентрацией легирующей примеси (1-2)⋅1020 см-3, а затем после удаления Si3N4 маски имплантацией ионов фосфора Р+ с энергией 30 кэВ, концентрацией легирующей примеси (1-3)⋅1015 см-3 формируют слаболегированные n- области истока-стока, расположенные между n+ областями истока и стока.

Способ получения микроструктур на поверхности полупроводника // 2756777

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в технологических целях для оценки плотности дислокаций при работе с монокристаллическим германием. Способ получения микроструктур на поверхности полупроводника согласно изобретению включает облучение поверхности полупроводника на лазерной длине волны, при этом для облучения каждой зоны используют серию лазерных импульсов с частотой следования лазерных импульсов, плотностью энергии лазерного пучка в облучаемой зоне и длительностью импульса, обеспечивающих изменение микроструктуры поверхности приповерхностного слоя полупроводника без его плавления, при этом полупроводник выполняют в виде монокристаллического германия с кристаллографической ориентацией <111> и отполированной подвергаемой облучению поверхностью, облучение поверхности монокристаллического германия осуществляют лазерным пучком при плотности энергии в импульсе 0,1-1,15 Дж/см2 по растровой траектории с возможностью обеспечения перекрытия пятен лазерного пучка на подвергаемой облучению поверхности не менее 95%, облучение осуществляют на длине волны вне зоны прозрачности германия, при этом каждую зону облучают серией из нескольких десятков лазерных импульсов, длительность импульса не менее 1 нс и не более 30 нс.

Способ изготовления полупроводникового прибора // 2751982

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления биполярного транзистора с повышенным коэффициентом усиления. Способ изготовления полупроводникового прибора включает формирование на кремниевой подложке эпитаксиального слоя, областей коллектора, базы и эмиттера, при этом область эмиттера формируют ионным внедрением мышьяка с энергией 50 кэВ, дозой 1*1015-1*1016 см-2, с последующим лазерным отжигом с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительность импульсов 50 нс, энергией импульсов 3-5 Дж/см2, в атмосфере азота, со скоростью сканирования 12,5 см/с, при температуре 150°С.

Устройство оптической очистки твердой поверхности от наночастиц // 2740533

Изобретение относится к устройствам очистки твердых поверхностей от нано- и микрочастиц и может быть использовано для удаления наночастиц с поверхности полупроводниковых пластин после их шлифовки, а также в космической оптике, оптике высокого разрешения, фотонике, иных нанотехнологиях. Устройство оптической очистки твердой поверхности от наночастиц содержит источник лазерного излучения, облучающий мезоразмерную диэлектрическую частицу с характерным размером (диаметром) не менее длины волны используемого излучения и эффективным показателем преломления материала, приблизительно равным 2, в мезоразмерной частице выполнено отверстие с диаметром менее половины длины волны используемого излучения, новым является то, что мезоразмерная частица имеет форму цилиндра или прямоугольного параллелепипеда, облучение производят по боковой поверхности частицы, а отверстие выполнено непосредственно на теневой поверхности мезоразмерной частицы вдоль ее боковой поверхности.

Лазерный способ изменения структуры прозрачных материалов с запрещенной зоной // 2708935

Использование: для изменения структуры внутри прозрачных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изменения структуры внутри прозрачных материалов, имеющих запрещенную зону, содержит воздействие на материал лазерным излучением с энергией фотона меньше запрещенной зоны материала и относящейся к спектральному диапазону длинноволнового спада края собственного поглощения материала, при этом излучение концентрируют внутри материала.

Способ лазерной обработки неметаллических материалов // 2695440

Способ изготовления полупроводникового прибора // 2650350

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления приборов с пониженным контактным сопротивлением. Технология способа изготовления полупроводникового прибора состоит в следующем: для формирования контакта в исходную подложку арсенида галлия n-типа проводимости с ориентацией (100) проводят ионное внедрение теллура с энергией 50 кэВ, дозой 1*1016 см-2, с последующим лазерным отжигом при длительности импульса 125 нс с плотностью мощности лазерного излучения 200 мВт/см2.

Способ получения наномодифицированной структуры на поверхности кремния // 2649223

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в том числе солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ). Сущность способа состоит в следующем.

Способ предварительной очистки и способ получения тонкой пленки низкотемпературного поликремния, жидкокристаллическое устройство отображения и система для ее изготовления // 2647561

Настоящее изобретение относится к области технологий отображения жидкокристаллическими устройствами и, в частности, к способу изготовления тонкой пленки низкотемпературного поликремния, включающему: выращивание буферного слоя и затем слоя аморфного кремния на подложке; нагрев слоя аморфного кремния до температуры выше комнатной и выполнение предварительной очистки поверхности слоя аморфного кремния; использование отжига эксимерным лазером (ELA) для облучения слоя аморфного кремния, предварительно очищенного на предыдущем этапе, чтобы преобразовать аморфный кремний в поликремний.