Способ изготовления полупроводниковых структур

Способ изготовления полупроводниковых структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1п17У4476

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Юаюз Йввтскй

Сециапистическик

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 18.05.79 (21) 2767761/18-25 (51) М. Кл.з

Н 01L 21/363 с присоединением заявки М

Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30,10.82. Бюллетень X 40 (45) Дата опубликования описания 30.10.82 (53) УДК 621.382 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

И. В. Грехов, В. Д. Прочухан, Л. С. Костина, Г. К. Аверкиева и О. К. Семчинова

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

СТРУКТУР

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления кремниевых фотопреобразователей (фотодиодов, солнечных элементов, фототранзисторов, фототиристоров), и приборов инжекционного типа (диодов, транзисторов и тиристоров).

Известно, что применение в качестве крайних эмиттерных слоев полупроводниковых приборов материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала. подложки, существенно увеличивает фоточувствительность фотопреобр азов ателей и улучшает инжекционную способность эмиттерных слоев в приборах инжекцпонного типа.

Перспективными материалами для образования таких гетеропар с кремнием являются тройные соединения элементов второй и пятой групп с кремнием (соединения

А SiCz) кристаллизующиеся в родственной кремнию структуре халькопирита, имеющие близкие к кремнию параметры решетки, обладающие большой шириной запрещенной зоны, образующие с кремнием широкую область твердых растворов по разрезу

Si — (A SiC. )1 „со стороны кремния в структуре цинковой обманки.

Известен способ наращивания на кремниевую подложку одного из тройных соединений, а именно ZnSiPg с помощью газотранспортных реакций в открытой проточной системе (1).

Недостатками этого способа является то, 5 что переход Si — ZnSiP> имеет резкую границу без промежуточного слоя твердого раствора и, вследствие этого, на границе возникает большое количество дефектов и трещин, а слой ZnSiPg является поликристал10 лическпм.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления полупроводниковых структур, включающий образование на кремниевой подложке слоя, со15 держащего элементы второй и пятой группы (2).

Недостатком этого способа является то, что смачивание кремниевой подложки металлом-растворителем всегда происходит 0 неравномерно, что не позволяет получать качественные слои ZnSiP на большой площади. Кроме того, как и в вышеописанном способе, резкая граница между Si u ZnSiPg приводит к образованию дефектов.

25 Целью изобретения является получение бездефектной структуры типа Si,— ,(A SiC 2)1 „с заданнымп электрофизическими свойствами.

Поставленная цель достигается тем, что элементы второй и пятой групп берут с атомным соотношением 1: 2, помещают

774476

50 ) )

3 вместе с кремниевой подложкой в вакуумированный объем и выдерживают при 900—

1100 С не менее 30 мин, кроме того, кремниевую подложку предварительно легируют элементом пятой группы до поверхностной концентрации 10 — "— 10 —" см —" на глубину 1 — 10 мкм.

Бездефектность структуры достигается тем, что: образование слоя А- SiC "2 происходит за счет химической реакции между поверхностным слоем кремниевой подложки и элементами второй и пятой групп, находящимися в парообразном состоянии в замкнутом объеме, поэтому образование слоя происходит однородно на всей поверхности при любой площади подложки; количество вступающих в реакцию веществ строго контролируется величиной навески элементов второй и пятой групп, температурой и временем выдержки, это дает возможность перевести поверхностный слой кремниевой подложки в слой твердого раствора А („)SiC 2(f „), 1(х(0, имеющего параметры решетки, практически совпадающие с решеткой кремния, и обеспечить отсутствие дефектов как в слое твердого раствора, так и на его границе с кремнием; то обстоятельство, что поверхностный слой подложки полностью переходит в твердый раствор, облегчает требования к качеству обработки поверхности подложки.

Пример 1. В кварцевую ампулу объемом 10 см помещают пластинку монокристаллического кремния, имеющую площадь

1 см, а также навеску магния и фосфора, находящуюся в тигле из стеклоуглерода.

Навеска рассчитывается таким образом, чтобы количество атомов магния и фосфора соотносилось как 1: 2, что соответствует соотношению Mg u P в соединении Мд81Р2 стехиометрического состава. Кроме того, при расчете навески необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что концентрация фосфора в ампуле не должна превышать 10 мг/см во избежание взрыва.

В тигель загружают 38,1 мг магния 95 мг фосфора, Ампулу вакуумируют, запаивают и помещают в печь, позволяющую на определенном этапе отжига создавать градиент температуры. Ампулу нагревают в изотермических условиях до 1000 С, выдерживают при этой температуре в течение 1 ч, проводят охлаждение в режиме выключенной печи до 450 С, а затем продолжая охлаждение, создают градиент температуры

10"/см с таким расчетом, чтобы кремниевая пластинка и тигель находились в более горячей зоне, а остаточный фосфор отгоняли в более холодную зону.

Установлено, что при этом на поверхности кремниевой пластинки с исходным дырочным типом проводимости (р„20ом.cM) образуется слой с электронным типом проводимости. Исследования на микрорентге10

:0

45 новском анализаторе позволили установить, что: профили распределения Mg u P повторяют друга друга, а соотношение Mg Р

=- 1: 2, иными словами, происходит ооразование твердых растворов по разрезу

MgSiP2> при температуре 1000 С в течение 1 ч образуется слой, толщиной не менее 3 мкм, имеющий концентрацию Mg не менее

3 ат% и концентрации P не менее 6 ат%, что в пересчете на упомянутый разрез дает твердый раствор 12 мол. % 1tgSiPq—

88 мол. % Si, что соответствует

Mg(, )ЯР@ „), где Х=0,967.

Нами было установлено также, что увеличение времени обработки по сравнению с приведенным примером исполнения до

5 ч при прочих равных условиях имеет следствием увеличение толщины слоя до

12 — 15 мкм и увеличение концентрации Mg и P до величин, соответственно, не менее

6 и 12 ат%. Методом рентгеноструктурного анализа показано, что слой является монокристаллическим. Измерения ширины запрещенной зоны на поверхности методом поверхностной фото ЭДС показали, что ширина зоны на 0,5 ev больше, чем у кремния, и составляет 1,62 ev. Выращенный слой имел и-тип проводимости, концентрацию носителей — 10" см — и подвижность электронов 40 — 50 см /с.

Время жизни неосновных носителей в р-базах диодов, изготовленных по предложенному способу, составляет величину порядка 10-1-50 мкс, т. е. примерно равно времени жизни в п+ р диода, изготовленных методом диффузии фосфора в р-кремний.

Этот факт свидетельствует о несущественном проникновении Mg в материал подложки и его слабом влиянии на ее электрофизические свойства.

Из приведенных данных следует, что

Si„— Mg(f )SiPQ(f „) гетеропереход обладает очень хорошими фотоэлектрическими и инжекционными свойствами, что свидетельствует о бездефектности структуры.

Пример 2. В пластинах р-кремния проводят диффузию фосфора на глубину

5 мкм с поверхностной концентрацией

5 10" см — з, затем пластины помещают в ампулу с навеской цинка и фосфора, рассчитанной таким образом, чтобы количество атомов цинка и фосфора соотносилось, как 1: 2, ампулу вакуумируют и помещают на 30 мин в печь так, чтобы пластина находилась в зоне, температура которой была 950 С, а температура в области навесок была на 100 — 200 С ниже во избежание осаждения цинка из газовой фазы на поверхность пластины при охлаждении. Рентгеновский микроанализ показал, что на поверхности образуется твердый раствор

Zn(f )$1Р2(() и-типа с Х=0,9; вглубь пла774476 формула изобретения

Составитель Г. Угличина

Техред В. Рыбакова Корректор E. Хмелева

Редактор E. Зубиетова

Заказ 1673/13 Изд. Хе 242 Тираж 758 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 стины величина Х увеличивается, и на глубине 10 мкм Х=1. Эта граница совпадает с глубиной залегания n+p-перехода. Время жизни неосновных носителей в р-базе составляло 5 мк/с. При изготовлении образцов без предварительного легирования поверхности пластины фосфором время жизни в р-базе составляло 0,3 мк/с и определялось рекомбинацией на глубоких примесных уровнях, соответствующих атомам цинка. Этот факт свидетельствует о том, что предварительно легированный фосфором поверхностный слой препятствует диффузии цинка в подложку.

Применение описываемого способа позволит получить широкозонные бездефектные слои на кремнии с заданными электрофизическими свойствами, т. е. повысить фоточувствительность кремниевых фотопреобразователей за счет эффекта «широкозонного окна», а также увеличить коэффициент усиления транзисторов, уменьшить остаточные напряжения диодов и тиристоров за счет улучшения инжекционной способности эмиттеров.

1. Способ изготовления полупроводниковых структур, включающий образование на кремниевой подложке слоя, содержащего элементы второй и пятой группы, о тл ич а ю шийся тем, что, с целью получения бездефектной структуры типа Si— (А ЯС ) 1 „с заданными электрофизическими свойствами, элементы второй и пятой группы берут с атомным соотношением

1: 2 соответственно, помещают вместе с кремниевой подложкой в вакуумированный объем, выдерживают при температуре

900 — 1100 не менее 30 мин.

2. Способ по п, 1, отличающийся тем, что кремниевую подложку предварительно легируют элементом пятой группы до поверхностной концентрации 10-"—

10 —" см — з на глубину 1 — 10 мкм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Curtis В., Wild P. Mat. Кез Hull, 5, Кв 2

1970, р. 69 — 72.

2. Власенко П. В. и др. Кристаллография, 20, Ко 4, с. 1082, 1974 (прототип).