способ получения резистентного кремния

Формула изобретения

1. Способ получения резистентного кремния n-типа проводимости, заключающийся в обработке поликристаллического кремния р-типа проводимости методом многопроходящей бестигельной зоной плавки с введением в расплавленную зону термостабилизирующих примесей с концентрациями от 110¹³ до 110¹⁴ см^-3 с последующим охлаждением полученного легированного высокоомного монокристалла кремния р-типа проводимости с концентрацией по бору от 110¹² до 510¹² см^-3 до комнатной температуры со скоростью не выше 1 град./мин и получение монокристалла кремния n-типа проводимости с концентрацией по фосфору, превышающей в 1,5-2 раза уровень остаточной концентрации по бору, с помощью прецизионного нейтронного трансмутационного легирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многопроходящую бестигельную зонную плавку проводят за 13-15 проходов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостабилизирующих примесей используют редкоземельные или переходные или изовалентные элементы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии получения полупроводниковых материалов, устойчивых к воздействию радиации и температурных полей. Способ может найти применение при производстве полупроводниковых приборов, работающих в полях ионизирующего излучения: в космосе, атомных реакторах и др.

Известен способ легирования кремния переходными или редкоземельными металлами, приводящий к повышению его термостабильности (Глазов В.М. и др. "О возможности повышения термостабильности кремния путем его легирования переходными либо редкоземельными металлами", Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, 9, с.1025-1028). Недостатком способа является то, что он не обеспечивает в достаточной степени стойкости получаемого кремния к многокомпонентным внешним воздействиям.

Известен также способ получения легированного монокристаллического кремния путем облучения исходного кристалла тепловыми нейтронами (SU 717999 А, опублик. 25.02.80).

Недостаток известного способа заключается в том, что при облучении потоком тепловых нейтронов он не обеспечивает высокого удельного электросопротивления (более 1 кОмсм) и времени жизни неосновных носителей заряда более 500 мкс.

Технический результат, достигаемый в предложенном изобретении, заключается в повышении времени жизни неосновных носителей заряда, уменьшении разброса удельного электросопротивления по объему монокристалла и сохранении указанных параметров кремния при многокомпонентных внешних воздействиях в процессе изготовления и эксплуатации приборов на его основе в силовой электронике.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения резистентного кремния n-типа проводимости заключается в обработке поликристаллического кремния р-типа проводимости методом многопроходящей бестигельной зонной плавки с введением в расплавленную зону термостабилизирующих примесей с концентрациями от 110¹³ см^-3 до 1x10¹⁴ см^-3. Затем проводят последующее охлаждение полученного легированного высокоомного монокристалла кремния р-типа проводимости с концентрацией по бору от 110¹² см^-3 до 510¹² см^-3 до комнатной температуры со скоростью не выше 1 град. /мин. После этого с помощью прецизионного нейтронного трансмутационного легирования получают монокристалл кремния n-типа проводимости с концентрацией по фосфору, превышающей в 1,5-2 раза уровень остаточной концентрации по бору.

Многопроходящую бестигельную зонную плавку проводят за 13-15 проходов.

В качестве термостабилизирующих примесей используют редкоземельные, или переходные, или изовалентные элементы.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Выращенные кристаллы полупроводников, в частности кремния, содержат большое количество примесей и дефектов, эффективные взаимодействия которых при термообработках и радиационных воздействиях приводят к изменению важнейших электрофизических характеристик полупроводников (времени жизни неравновесных носителей заряда, концентрации свободных носителей заряда, подвижности и др. ) и уменьшению надежности полупроводниковых приборов.

Использование предложенного изобретения позволяет получать резистентный кремний, который сохраняет важнейшие электрофизические параметры при многокомпонентных внешних воздействиях.

Дополнительное легирование примесями в виде редкоземельных, переходных или изовалентных элементов с концентрациями 10¹³-10¹⁴ см^-3 позволяет существенно поднять термостабильность кристаллов в кремнии.

Термостабилизирующие примеси, как например редкоземельные элементы, образуют в кремнии различные устойчивые комплексы с остаточными примесями (О, С, S и др.), значительная часть которых вытесняется в процессе легирования в виде летучих соединений. Трансмутационное нейтронное легирование обеспечивает прецизионную перекомпенсацию р-типа проводимости в n-тип проводимости и создает устойчивые радиоционные комплексы.

Указанные комплексы, созданные в результате легирования и трансмутационного нейтронного легирования, приводят к замедлению образования точечных радиационных дефектов и служат эффективными источниками стока дефектов, образуемых в результате внешних воздействий.

Способ осуществляется в следующей последовательности операций.

Поликристаллический кремний р-типа проводимости обрабатывают методом многопроходящей бестигельной зонной плавки. Плавку проводят за 13-15 проходов. В расплавленную зону вводят термостабилизирующие примеси с концентрациями от 110¹³ см^-3 до 110¹⁴ см^-3. В качестве термостабилизирующих примесей используют редкоземельные, или переходные, или изовалентные элементы.

Полученный легированный высокоомный монокристалл кремния р-типа проводимости с концентрацией по бору от 110¹² см^-3 до 510¹² см^-3 охлаждают до комнатной температуры со скоростью не выше 1 град./мин. После этого проводят прецизионное нейтронное трансмутационное легирование с отжигом. В результате получают монокристалл кремния n-типа проводимости с концентрацией по фосфору, превышающей в 1,5-2 раза уровень остаточной концентрации по бору.

Пример 1.

Исходный материал: поликристаллический кремний р-типа проводимости с остаточной примесью В с концентрацией 210¹² см^-3, удельным электрическим сопротивлением 5000 Омсм, диаметром стержня 70 мм.

Зонную очистку поликристаллического кремния проводят методом бестигельной зонной плавки (БЗП) с индуктором, в вакууме. После 15 зонных проходов со скоростью 3 мм/мин имеем монокристаллический кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением по В приблизительно 10⁴ Омсм и концентрацией носителей заряда 10¹³ см^-3.

Для получения резистентного кремния в процессе последних зонных проходов очистки в расплавленную зону вводят диспрозий или ниобий или германий. После 2-кратного прохода зоны со скоростью 2 мм/мин получают кристалл кремния р-типа проводимости с концентрацией легирующих примесей 10¹⁴ Омсм, удельным электрическим сопротивлением по В 10³ Омсм. Из полученных слитков вырезались пластины, на которых производились измерения неосновных носителей заряда, удельного электрического сопротивления как радиальные, так и осевые.

Результаты измерений приведены в таблице 1.

Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что введение указанных добавок сохраняет осевой и радиальный разброс по удельному сопротивлению, но в то же время время жизни неосновных носителей заряда увеличивается, особенно в случае легирования диспрозием.

Пример 2

Исходный материал и условия получения из него монокристалла р-типа проводимости приведены в примере 1.

В дальнейшем проведено нейтронное трансмутационное легирование с отжигом кристаллов после облучения, приводящее к частичному или полному устранению радиационных дефектов и переходу трансмутационного фосфора в электрически активное состояние, что приводит к перекомпенсации и созданию материала n-типа проводимости с концентрацией Р 3-410¹² см^-3.

Кристаллы кремния облучают тепловыми нейтронами с энергией 1 Мэв с последующим отжигом при 600^oС в течение 3-5 часов в хлоросодержащей атмосфере. Охлаждение до 150^oС проводят со скоростью 0,5 град./мин.

Результаты электрофизических измерений образцов приведены в таблице 2.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что проведение нейтронного трансмутационного легирования позволяет значительно улучшить осевой и радиальный разбросы по удельному электрическому сопротивлению и сохранить при этом высокие значения времени жизни неосновных носителей заряда.

При этом сохраняется совершенство кристаллической структуры, и концентрация микродефектов не превышает 210³ см^-3.

Приборы, изготовленные из кремния, полученного в соответствии с изобретением, с удельным сопротивлением 12 кОмсм и временем жизни неосновных носителей заряда более 1000 мкс, имеют на 1,5 порядка более высокую стойкость к радиационному воздействию и в два раза более высокий накопленный заряд по сравнению с приборами на обычном кремнии с аналогичными параметрами.