способ ионно-лучевого легирования кристаллов

Формула изобретения

Способ ионно-лучевого легирования кристаллов, включающий внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг, отличающийся тем, что перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком проводят отжиг.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии для формирования в кристаллах областей с различным типом и величиной электропроводности с помощью имплантации ионов средних (10-5000 кэВ) энергий.

Известен способ ионно-лучевого легирования кристаллов [1], включающий внедрение ускоренных ионов в упруго деформированный изгибом кристалл. Этот способ позволяет легировать полупроводники при комнатной температуре за счет увеличения концентрации электрически активной примеси, которая переходит в узлы кристаллической решетки из междоузельных положений под действием неоднородного по толщине кристалла поля упругих напряжений. Недостаток способа [1] в том, что при его реализации сохраняется высокая неоднородность распределения электрически активной примеси по объему легированного слоя, обусловленная структурной неоднородностью кристалла, связанной как с исходными, так и с радиационными дефектами, образовавшимися при имплантации. Такая неоднородность приводит к значительной дисперсии значений электрофизических характеристик по поверхности и глубине приборных слоев.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ ионно-лучевого легирования кристаллов [2], включающих внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг. Отжиг после облучения проводится для перевода внедренной примеси в электрически активное состояние и устранения радиационных дефектов. Недостаток способа [2] в том, что после постимплантационного отжига, особенно кристаллов, облученных высокими дозами ионов, сохраняются структурные дефекты и их неоднородное распределение по объему имплантированного слоя, прежде всего, вследствие трансформации радиационных дефектов в более стабильные за счет взаимодействия с ростовыми и технологическими (после абразивно-химических обработок поверхности кристаллов). Захват дефектами легирующей примеси приводит к ее частичной дезактивации, неоднородному пространственному распределению и, как следствие, к неоднородному изменению электрофизических свойств легированных слоев.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение концентрации электрически активной примеси и степени однородности распределения в легированном слое за счет снижения остаточной дефектности в кристалле.

Технический результат достигается тем, что в способе ионно-лучевого легирования кристаллов, включающем внедрение ускоренных ионов легирующей примеси в кристалл и отжиг, перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком, проводят отжиг.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы в заявляемом способе является то, что перед отжигом измеряют поверхностное электрическое сопротивление на облученной стороне кристалла, обрабатывают кристалл в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц и прекращают обработку после того, как сопротивление достигает постоянного значения, а затем не позднее, чем через сутки после обработки ультразвуком, проводят отжиг.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что в результате жидкостной обработки ультразвуком после облучения ионами в кристаллах происходит повышение пространственной однородности распределения концентрации исходных (ростовых и технологических) и радиационных дефектов под действием упругих волн, возбуждаемых кавитирующими пузырьками рабочей жидкости на поверхности кристалла. Упругие волны инициируют распад метастабильных комплексов радиационных дефектов и создают пересыщение по собственным точечным дефектам в приповерхностном облученном слое кристалла. Поскольку распределение источников упругих волн на поверхности кристалла стохастично, то в имплантированном слое возникает пространственно однородное динамическое поле упругих напряжений, активизирующее перестройку дефектов за счет консервативных и неконсервативных процессов. Перестраивающиеся дефекты стремятся перераспределиться в облученном слое (и в объеме кристалла) в соответствии с топологией однородного, практически с плоским фронтом, поля упругих волн. Кроме этого, упругие волны стимулируют частичное уменьшение концентрации дефектов (например, растворение ростовых и технологических микродефектов) и способствуют переходу внедренной примеси в электрически активное состояние за счет повышенной концентрации вакансий во время ультразвуковой обработки. Ограничение длительности хранения облученных ионами и обработанных ультразвуком кристаллов до отжига временем не более суток обеспечивает подавление негативных последствий релаксационных процессов, в результате которых частично может восстановиться исходная неоднородность распределения дефектов в имплантированном слое, т.е. снизиться эффективность перехода в электрически активное состояние внедряемой примеси при отжиге. Использование ультразвука с частотой 20-40 кГц позволяет реализовать заявляемый способ в стандартных промышленных моечных ультразвуковых ваннах, применяемых в технологии микроэлектроники, а также обеспечивает оптимальный и достаточно низкий уровень давления в кавитирующей жидкости, которое недостаточно для образования новых структурных дефектов.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Полупроводниковый кристалл тотально (по всей поверхности) или локально (через маски) облучают ионами необходимой легирующей примеси в заданных режимах, т.е. при определенной энергии, дозе и плотности ионного тока. Далее любым из известных методов, например четырехзондовым, измеряют поверхностное электрическое сопротивление в нескольких точках облученной поверхности кристалла и усредняют результат измерений. Затем кристалл обрабатывают в химически неактивной среде, например в деионизованной воде или спирте, ультразвуком с частотой интервала 20-40 кГц. Периодически с произвольньм временным интервалом обработку прерывают и вновь измеряют поверхностное сопротивление. Эту процедуру повторяют периодически. Обработку ультразвуком прекращают после того, как поверхностное сопротивление перестает изменяться. Следует отметить, что для однотипных по элементному составу и электрофизическим свойствам кристаллов, облученных одним сортом ионов в одинаковых режимах, длительность обработки ультразвуком может быть определена на 1-3 тестовых кристаллах и затем использоваться для всей обрабатываемой партии структур. После ультразвуковой обработки не позже, чем через сутки, кристаллы отжигают в инертной или окислительной атмосферах при температурных и временных режимах, которые задаются технологическим процессом изготовления данного типа полупроводникового изделия.

Примеры практической реализации заявляемого способа

Пример 1. Кристаллы кремния КЭФ-4,5 (001) толщиной 460 мкм облучали ионами бора с энергией 100 кэВ дозой 1-10¹³ см^-2. Затем одну партию пластин обрабатывали по способу-прототипу [2]: после имплантации проводили отжиг при температуре 600 К в течение часа. Другую партию кристаллов обрабатывали по заявляемому способу: после облучения на установке АМЦ 1467 измеряли поверхностное сопротивление на облученной стороне в 10 точках и проводили обработку ультразвуком в изопропиловом спирте на установке УЗУ-0,25 при частоте 44 кГц. Периодически с интервалом 30 мин измеряли сопротивление облученного слоя, которое стабилизировалось после ультразвуковой обработки в течение 3,5 часа. Далее через 12 часов пластины отжигались в вакууме при Т=600 К в течение 1 часа. Результаты измерения поверхностного электрического сопротивления имплантированного слоя кристаллов, легированных по способу-прототипу и заявляемому, представлены в табл.1.

Таблица 1. Поверхностное электрическое сопротивление кристаллов КЭФ-4,5 (001) после облучения ионами бора, обработки ультразвуком и отжига
Операции	Способ легирования
	Известный		Заявляемый
	Поверхностное сопротивление,
	Среднее	Дисперсия по поверхности	Среднее	Дисперсия по поверхности
Облучение ионами	1449	245	1456	273
Обработка ультразвуком	-	-	1101	162
Отжиг	1424	229	872	101

Как видно из табл.1, заявляемый способ позволяет даже при относительно низких температурах постимплантационного отжига существенно уменьшить как среднее значение, так и дисперсию поверхностного сопротивления. Первое свидетельствует об увеличении концентрации электрически активной примеси в кристаллах, а второе - о повышении степени однородности распределения примеси по легированному слою.

Пример 2. Кристаллы кремния КДБ-12 (001) облучались ионами фосфора с энергией 50 кэВ дозой 6-10 ¹⁵ см^-2 и обрабатывались по заявляемому способу: после имплантации по результатам измерений поверхностного электрического сопротивления проводили ультразвуковую обработку на установке УЗМУ-1 (частота 22 кГц ) в деионизованной воде в течение 2 часов. После обработки пластины отжигались в потоке аргона при 1100 К в течение 1 часа. Варьировалась длительность хранения между операциями обработки ультразвуком и отжига. Результаты измерения поверхностного сопротивления легированных слоев кристаллов с разными сроками хранения представлены в табл.2. Исходные значения сопротивления до обработки ультразвуком: среднее 4·10³ и дисперсия 6,1·10² .

Таблица 2 Влияние длительности хранения пластин КДБ-12 (001) между операциями обработки ультразвуком и отжига
Длительность хранения, час	Поверхностное сопротивление,
	Среднее	Дисперсия по поверхности
4,0	73	28
11,5	77	28
18,2	77	23
21,0	79	29
24,5	82	31
27,0	94	47
31,0	118	52
34,0	143	64

Как видно из табл.2, при хранении кристаллов между ультразвуковой обработкой и отжигом больше суток происходит увеличение как среднего, так и дисперсии поверхностного сопротивления имплантированных слоев до значений, зафиксированных на контрольных пластинах, которые не обрабатывались ультразвуком. Для контрольных кристаллов после отжига среднее значение сопротивления составляло 191 , а дисперсия 84 .

Таким образом, при реализации заявляемого способа технический результат - повышение концентрации электрически активной примеси и степени однородности ее распределения в легированном слое - достигается.

Литература

1. А.с. СССР №420015, МПК Н 01 L 7/54 от 15.03.74. "Способ ионного легирования полупроводников". Авторы: Баранова А.С., Зорин Е.И., Павлов П.В., Пашков В.И.

2. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. - М.: Мир, 1973. - c.251-278.