Способ термообработки полупроводников и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ ЯОРЕСПУБЛИН П 9) (И(59 С 30 В 33 00 ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ВТОРС лов ческ 23213251977.ия вторыхния приле.10,ПОЛ Я Е лу- бразткигревлект А Фиг. УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(57) 1. Способ термообрабопроводников, включающий нца и воздействие на него ческого поля, о т л к ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения подвижности носителей тока, обработку ведут в ионизированной среде при пропускании через образец тока .напряжением не более 300 В.2. Устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что,: С целью увеличения подвижности носителей тока, устройство снабжено цилиндром для ионизированной среды, который установлен под контейнером, внутри по оси цилиндра размещен электрически изолированный электрод, а в верхней части цилиндр имеет Форму усеченного конуса для подачи иониэированной среды по перийерии образца.Изобретение относится к областирадиоэлектроники, связанной с производством полупроводниковых приборови интегральных микросхем, и можетбыть использовано для улучшения ихкачества,Применяемые в настоящее времяполупроводниковые материалы имеютнеконтролируемые примеси и дефекты,которые ограничивают подвижностьосновных носителей тока и приводятк уменьшению граничной частоты усиления транзисторов и уменьшениюкоэффициента усиления транзисторов,к уменьшению быстродействия интегра"льных схем и т.д.Известен способ удаления дефектов кристаллической структуры вполупроводниковых пластинах, включающий их предварительную шлиФовкуабразивом с последующей их термообработкой в атмосфере, содержащейкислород 11.Однако при этом способе возможнозагрязнение поверхностного слояпластин,Наиболее близким к изобретениюявляется способ термообработки полупроводников, включающий нагревобразца и воздействие на него электрического поля. Способ осуществляютв устройстве, включающем контейнердля размещения образца, снабженныйсредствами для подвода электрического поля, и нагреватель 23,Недостатком известного способаи устройства является большая дли-,тельность процесса при высоких температурах, что приводит к структурным нарушениям в кристаллах и необеспечивает хороших электроФизических свойств, в частности достаточно высокой подвижности носителейтока.Целью изобретения является увеличение подвижности носителей тока.Цель достигается тем, что согласно способу термообработки полупроводников, включающему нагрев об"разца и воздействие на него электрического поля, обработку ведут виониэированной среде при пропусканиичерез образец тока напряжением неболее 300 В. С этой целью устройство для термообработки полупроводников, включающее контейнер для размещения образца, снабженный средствами для подвода электрического тока, и нагреватель, снабжено цилиндром для ионизированной среды, который установлен под контейнером, внутри по осн цилиндра размещен электрически изолированный электрод, а в верхней части цилиндр имеет форму усеченного конуса для подачи иониэирован,ной среды по периферии образца,На фиг.1 приведена схема обработки образца в виде пластины; на .фиг.2 - схема обработки образца ввиде стержня; на фиг.3 - устройство, продольный разрез 1 на фиг.4схема измерения подвижности методом Ван-дер-Пау,Образец 1 в виде пластины илистержня подключается к отрицательному полюсу генератора постоянного10 тока и размещается в электролите 2,а анод 3 подключен к положительному полюсу, Накладки 4 выполнены изметалла, хорошо проводящего электрическийток, Устройство (фиг.З) содер 15 жит механизм опрессовки полупроводниковых образцов 5 и контейнер 6для их размещения. С помощью механизма опрессовки полупроводниковыйобразец 1 прижимается к опорной20 шайбе 7 с определенным усилием,исключающим ее разрушение. Длявыполнения этой задачи в механизмепредусмотрены упругая шайба 8, гидравлический цилиндр 9 с плавным25 ходом упРугие элементы и ограничители хода. С помощью расположенныхв контейнере узлов и агрегатов ионн"зированная среда, подводится к наружной поверхности образца Ь. Цилиндр 10 служит источником ионизированной среди, в котором ионизированная среда размещается, поступая из агрегата 11. Через цилиндр10 также осуществляется циркуляцияионизированной среды, которая соЗ 5 бирается в резервуаре 12 и вновьподается агрегатом 11 в цилиндр 10.В полости цилиндра располагаетсяшток 13, выполненный иэ электроизоляционного материала. Он снабжен в4 центральной части электродом 14, спомощью которого образец 1 подклю"чается к отрицательному полюсу генератора постоянного тока. Сам цилиндр 10 подключается к положитель 45 ному полюсу генератора. Шток 13перекрывает большую часть поверхности образца 1, предотвращая контакт с ионизированной средой. Между штоком 13 и цилиндром 10 в верхней части образуется узкая щель,через которую истекает нонизированная среда, которая омывает кольцевую площадку образца 1 небольшойширины, благодаря тому, что в верхней части цилиндр 10 имеет формуусеченного конуса.П р и м е р 1. Устройство работает следующим образом. В качестве ионизированной среды используют водный раствор поташа (К 2 СОЗ)60 в концентрации 250 г на 1 л, который загружают в цилиндр 10. Образец в виде пластины из кремния КЭФ0,3/0,1 толщиной 1,25 мм и диаметром 40 мм имеет уд.сопротивление65 0,2 Ом см и подвижность электронов1340 см/В с. Образец крепят с помощью шайб 7 и 8, Глубина погружения образца в электролит по периферии 3 мм, температура на нагреваемой поверхности в конце нагрева800 С, время нагрева 5 с, при напряжении на электродах 150 В и плотности, тока 4 А/см. После нагреваполупроводниковая пластина в горячем состоянии извлекается из элект"ролита и охлаждается на воздухе.10Псдвижность после обработкисоставила 1800 см/в с, что на 34превысила исходную.В элементах той же пластины нарасстоянии 15 мм от нагреваемой поверхности подвижность составила1432 см /В с, что превысила исход"йную на 6,7.В качестве ионизированной среды может быть использован концентрированный водный раствор КСОз,НаС и т.д , их расплавы или ионизированный газ при напряженияхтока не более 300 В.,Цля уменьшения напряжения тока на электродахосуществляют предварительный подогрев монокристалла до температурыне менее 400 С,При нагреве полупроводников вплазме ионизированной среды последние оказываются в особых, экстремальных условиях. У нагреваемой по-.верхности образца образуется двойной электрический слой, в составкоторого входят ионы калия или натрия, являющиеся металлами со свойствами сильно действующих поверхностно-активных веществ, которые могутзначительно понизить свободную по;верхностную Энергию, Эффект понижения поверхностной энергии приводит 40к изменению физических свойств вовсем объеме обрабатываемого образца.1Кроме того, у нагреваемой в плазме ионизированной среды образца 45 образуется электрическое поле весьма высокой напряженности. Если электрическое поле вблизи поверхности металла при электролизных процессах имеет напряженность 106 -10 В/см, то при нагреве в электролите напряженность поля у катода еще более значительная. Напряженность, равная 10 -10 В/см, является следствием падения напряжения тока у катода (О) в несколько вольт (обычно до 10-15 В). В то время как при электролитном нагреве у поверхности образца падение напряжения достигает 100-110 В. Таким образом,.кратковременная обработка полупроводников 60 в плазме ионизированной среды сопровождается воздействием на них резко неоднородных и нестандартных температурных и электромагнитных полей, которые играют решающую роль 65 в процессах, приводящих к ускоренному изменению электрофизических свойств сплавов и полупроводников. В рассматриваемом виде нагрева электрическая энергия преобразуется у поверхности катода в тепловую, которая поступает в образец. Количество энергии, поступающей в образец, зависит от падениянапряжения у катода. От величины этой же энергии зависят темпера" тура на поверхности образца, глубина проникновения температурного поля в металл или полупроводник и скорость нарастания температуры в точках тела, Поэтому температура на поверхности полупроводника может изменяться в широких пределах от 300 С (Бк(100 В) до температуры плавления полупроводников 936 С (германий) и 1417 С (кремний) (П)120 В) . В указанном интервале температур может иметь меото состояние теплового равновесия. Так для стали 40 температура теплового равновесия 900 С устанавливается при 125 В. Температура 1300 С - при 150 В. От падения напряжения тока у поверхности полупроводника также зависит напряженность поля и его глубина распространения в материал образца. Экспериментальные данные показывают, что механические и электрофизические свойства материалов зависят от величины напряжения и продолжительности воздействия электрического поля. Оно является резко неоднородным и нестационарным, поскольку поле концентрируется в основном у поверхности полупроводников и Формируется за определенный промежуток времени. Применительно к полупроводникам указанные положения подтверждаются рядом экспериментальных данных.Например, с помощью нагревания в электролите методом термо-ЭДС был определен тип проводимости кремния. При этом оказалось, что тип проводимости, измеренный после местного кратковременного нагревания (2-3 с) в электролите, прямо противоположен по сравнению с нагреванием обычным методом (термозондом). Таким образом, пластина кремния р-типа при нагревании в электролите определялась как и-типа и наоборот. После охлаждения пластины эфФект обратимой проводимости исчезает.У германия после нагрева в электролите тип проводимости также меняется, но со своими оообенностями. Если после местного нагрева в электролите кремния р-типа он становится полупроводником и-типа, а и-тип - р-типом, то германий и-типа после местного нагрева в электролите не меняет тип проводимости, агерманий р-типа после такого же нагрева меняет тип проводимости наобратный, т.е, на и-тип. В результате обычной термической обработкигермания наблюдается превращениеполупроводника и-типа в р-тип. Этодлительный процесс при высокой температуре в атмосфере гелия, Но неизвестна возможность превращенияпутем терминеской обработки полупроводника р-типа в полупроводники-типа.Таким образом, полученные данныео превращении кремния и германия после местного нагрева в электролитеэа 2-3 с до температуры 300-500 Сявляются прямым доказательствомвлияния электромагнитного поля насущественные изменения в структуреполупроводников.Обратимые превращения полупроводников по типу проводимости приводят к необратимым изменениям ихэлектрофизических свойств, например, к изменению подвижности носителей заряда. Поэтому для оценки результатов термической обработкикремниевых полупроводников п и р-типов использовался сравнительный метод измерения подвижности носите"лей заряда.Измерение подвижности и удельного сопротивления в элементах производились на полупроводниковых кремниевых пластинах с использованием эффекта Холла модернизированным методом Ван-дер-Пау (Фиг,4).На поверхности образцов методом вакуумного напыления наносились 4 алюминиевых контакта по вершинам квадрата. В этом случае удельное сопротивление полупроводника3 б ВдъсЬ +ВвеъАЯ=-" - , где д - тол-;Фи 2 2щина полупроводниковой пластины;Осэ .Оа4 В 3 ьс. Подвижность носителей зарядар С ЬРЬЭМР-г угде В - индукция магнитного поля;дРьв 4- изменение сопротивления,обусловленного магнитнымполем В.При измЕрениях образца до термообработки4" Л,=З -4 О.А; Ь, О =В Ь.Изменение 04 о под действиеммагнитного поля АПд=2,15 мВ;2156 ВЬ 14 = - = 0,215 Ом; Пс =ПВ 4350 мВ; с 1 = 1,25 ММ Магд =АЬРЪ35 Омудельное сопротивление53.14 1 25 10-3 35+35)0,694 22 10Ом м = 0,2 Ом см.Подвижность носителей- 0 1341 210Вссм- 1340В с Образец после термообработки измерялся в тех же режимах. При этом изменилось только л Це, которое составляло 2,2 мВ;Проведя аналогичные расчеты, определили подвижность носителей, которая оказалась равной, 1800 см/В"с, т.е. увеличилась на 34.В зависимости от технологических режимов термообработки различные образцы показали увеличение подвижности на 6,74; 2,75 и 18,7,15 20 25 Предлагаемый способ термической обработки полупроводников позволяет регулировать изменение подвижностей носителей заряда в определенных пределах путем изменения напряжения на электродах, концентрации ионизированной среды поверхности соприкосновения полупроводника с ионизированной средой и расстояния между электродами.У 55 60 Таким образом, из приведенных.данных следует, что предлагаемыйспособ обработкизначительно отличаетсяот известных способов термической обработки полупроводников.Известными способами кристаллы целиком нагреваются до 900 С и болеевысокой температуры, диффузионныепроцессы, протекающие при высокойтемпературе в полупроводниковых,играют основную роль, а накладываемое в отдельных случаях электричес"кое поле игРает второстепенную роль 40 для направленного движения элементарных частиц. Эти. виды термической обработки длятся десятки часов.По предлагаемому способу основнуюроль в структурных изменениях иг рает электромагнитное иоле, сопровождающее местный нагрев полупровод-ников до 300-500 фС в ионизированнойсреде. Длительность составляет все-:го 3-7 с.501068554 Фиг.4Составитель В.Безбородоваедактор В.Иванова ТехредЛ. Микеш КорректорИ.Муск Зака одписное филиал ППП Патент, г. Ужгород,ектная,. 23/26 Ти ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Москва