RU2008742C1 - Process of doping of semiconductors - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of semiconductor devices. SUBSTANCE: alloying composition is deposited on surface of semiconductor substrate. Manufactured structure is put into magnetic field and is exposed to light radiation with power density which does not cause melting of surface of structure. EFFECT: facilitated manufacture, reduced manufacturing cost. 4 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано для легирования полупроводников различными материалами. The invention relates to the manufacturing technology of semiconductor devices and can be used for doping semiconductors with various materials.

Известен способ легирования полупроводников, при котором легирующую примесь предварительно ионизируют и внедряют вглубь полупроводника, сообщая ей необходимую энергию в электрическом поле [1] . A known method of doping semiconductors, in which the dopant is pre-ionized and embedded deep into the semiconductor, giving it the necessary energy in an electric field [1].

К недостаткам способа относится трудоемкость, сложность аппаратурного оснащения, необходимость последующего отжига для восстановления нарушенной структуры и перевода внедренной примеси в активное состояние. Способ не может быть применен для обработки пластин больших размеров из-за расфокусировки при отклонениях луча. The disadvantages of the method include the complexity, the complexity of the hardware, the need for subsequent annealing to restore the damaged structure and transfer the introduced impurity to an active state. The method cannot be applied to the processing of large plates due to defocusing when the beam deviates.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ лазерного легирования, при котором на поверхность полупроводника наносят материал лигатуры и облучают полученную структуру светом от лазерного источника [2] . The closest in technical essence to the present invention is a laser doping method in which a ligature material is applied to the surface of a semiconductor and the resulting structure is irradiated with light from a laser source [2].

Недостатком данного способа является то, что легирование полупроводников осуществляют при больших интенсивностях света лазерного источника из-за необходимости локального нагрева поверхности полупроводника в области контакта с лигатурой. Необходимость предварительного подогрева полупроводниковых подложек до 500-600^оС и специфические процессы протекания диффузии лигатуры приводят к появлению механических напряжений, которые в ряде случаев достаточны для образования трещин на всю глубину легированного слоя.The disadvantage of this method is that the doping of the semiconductors is carried out at high light intensities of the laser source due to the need for local heating of the surface of the semiconductor in the area of contact with the ligature. The need for preheating the semiconductor substrate to 500-600 ^{° C} and specific processes percolation diffusion ligatures give rise to mechanical stresses, which in some cases is sufficient for cracking the entire depth of the doped layer.

Цель изобретения - повышение качества легирования за счет снижения механических напряжений, возникающих в легированном слое, и снижение энергетических затрат. The purpose of the invention is improving the quality of alloying by reducing mechanical stresses arising in the alloyed layer, and reducing energy costs.

Цель достигается тем, что в способе легирования полупроводника, при котором на поверхность полупроводника наносят материал лигатуры и облучают полученную структуру светом, при этом полученную структуру дополнительно помещают в магнитное поле и облучают светом с интенсивностью, не вызывающей нагрев поверхности структуры. The goal is achieved in that in the semiconductor alloying method, in which a ligature material is applied to the semiconductor surface and the resulting structure is irradiated with light, the resulting structure is additionally placed in a magnetic field and irradiated with light with an intensity that does not cause heating of the structure surface.

Существенным отличием заявляемого технического решения является то, что легирование полупроводников осуществляется при таких энергетических режимах облучения, когда разогрева приповерхностного слоя полупроводника в области контакта с лигатурой не происходит. Тем самым величина механических напряжений, возникающих при легировании, значительно снижается, что улучшает качественные характеристики легированного слоя. A significant difference of the claimed technical solution is that the doping of semiconductors is carried out under such energy irradiation conditions, when the heating of the surface layer of the semiconductor in the contact area with the ligature does not occur. Thus, the magnitude of the mechanical stresses arising during alloying is significantly reduced, which improves the quality characteristics of the alloyed layer.

Способ поясняется фиг. 1-4. The method is illustrated in FIG. 1-4.

Способ осуществляют следующим образом. На полупроводниковые подложки GeSe₄ размерами 5х5х0,5 мм с одной стороны наносят полупрозрачные пленки никеля или алюминия толщиной 0,2 мкм. Далее исследуемые образцы помещают в магнитное поле с напряженностью 10³ Э и облучают светом с интенсивностью 1-10 мВт. Используемые для проведения диффузии интенсивности света не могут вызвать какого-либо существенного повышения температуры, необходимого для проведения отжига или диффузии.The method is as follows. On one side of GeSe ₄ semiconductor substrates with dimensions 5x5x0.5 mm, translucent films of nickel or aluminum with a thickness of 0.2 μm are applied. Next, the test samples are placed in a magnetic field with a strength of 10 ³ Oe and irradiated with light with an intensity of 1-10 mW. The light intensities used for diffusion cannot cause any significant increase in the temperature necessary for annealing or diffusion.

В процессе легирования толщины слоя лигатура контролировалась по величине фотоакустического сигнала, формируемого тепловым расширением пленки диффузанта. In the process of doping the layer thickness, the ligature was controlled by the magnitude of the photoacoustic signal formed by the thermal expansion of the diffusant film.

На фиг. 1 изображен спектр фотоакустического сигнала до и после легирования на структуре GeSe₄-Ni (кривые 1 и 2 соответственно). Из-за специфики измерения спектр фотоакустического отклика имел характерные изменения знака сигнала (смена фазы измеряемого сигнала относительно опорного), что обусловлено сменой области поглощения света и соответственно тепловым расширением либо поверхности полупроводника в области собственного поглощения света, либо тепловым расширением материала лигатуры (никеля, алюминия) в области прозрачности полупроводника. После одновременного воздействия магнитного поля напряженностью 10³ Э и лазерного облучения (лазер ОКГ-12-1) с длиной волны 633 км 10 мВт, в течение 30 мин спектр фотоакустического отклика показывает значительное изменение толщины слоя лигатуры, так как амплитуда фотоакустического сигнала в области прозрачности полупроводника зависит от массы, а следовательно и толщины пленки никеля.In FIG. Figure 1 shows the spectrum of the photoacoustic signal before and after doping on the GeSe ₄ -Ni structure (curves 1 and 2, respectively). Due to the specificity of the measurement, the photoacoustic response spectrum had characteristic changes in the sign of the signal (phase change of the measured signal relative to the reference one), which is due to a change in the light absorption region and, accordingly, thermal expansion or the semiconductor surface in the region of intrinsic light absorption, or thermal expansion of the ligature material (nickel, aluminum ) in the field of semiconductor transparency. After a simultaneous exposure to a magnetic field of intensity 10 ³ Oe and laser irradiation (OKG-12-1 laser) with a wavelength of 633 km 10 mW, the photoacoustic response spectrum for 30 min shows a significant change in the thickness of the ligature layer, since the amplitude of the photoacoustic signal in the transparency region semiconductor depends on the mass, and hence the thickness of the nickel film.

Методом рентгеноэлектронной спектроскопии с применением ионного травления проведены исследования элементного состава и химического состояния приповерхностных слоев структуры GeSe₄-Ni. Фотоэлектронные спектры возбуждали MgK α -излучением. Послойное травление осуществлялось бомбардировкой ионами аргона с энергией 850-900 эВ плотности ионного тона около 10 мкА/см². Скорость травления составляла 5-7

/мин.The elemental composition and chemical state of the surface layers of the GeSe ₄ -Ni structure were studied by X-ray electron spectroscopy using ion etching. The photoelectron spectra were excited by MgKα radiation. Layer-by-layer etching was carried out by bombardment by argon ions with an energy of 850-900 eV, the ion tone density of about 10 μA / cm ² . The etching rate was 5-7

/ min

На фиг. 2 и 3 изображены концентрационное распределение примеси никеля по глубине приповерхностной области структуры Ni-GeSe₄ после совместного воздействия магнитного поля 10³ Э ультрафиолетового освещения 1 мВт в течение 2 ч (фиг. 2) или магнитного поля 10³ Э и лазерного облучения 10 мВт в течение 30 мин (фиг. 3). На фиг. 2 видно, что область перехода от никеля к GeSe₄ начинается с времен травления 120-130 мин (600-900

). Концентрация никеля уменьшается вглубь образца, однако до глубины, где никель практически отсутствует, провести анализ оказывается затруднительным ввиду значительного проникновения никеля в более глубокие слои. Увеличение интенсивности лазерного облучения до 10 мВт при том же магнитном поле приводит к более значительному изменению концентрационных профилей (см. фиг. 3), увеличению концентрации никеля по всей исследованной глубине. Полученные экспериментальные данные показывают плавный переход между легированными и нелегированными областями исследованной структуры, что свидетельствует о снижении величин механических напряжений, возникающих в процессе легирования.In FIG. Figures 2 and 3 show the concentration distribution of nickel impurity over the depth of the surface region of the Ni-GeSe ₄ structure after combined exposure to a 10 ³ Oe magnetic field of 1 mW of ultraviolet light for 2 hours (Fig. 2) or a 10 ³ Oe magnetic field and 10 mW of laser radiation for 30 minutes (Fig. 3). In FIG. Figure 2 shows that the region of transition from nickel to GeSe ₄ begins with etching times of 120-130 min (600-900

) Nickel concentration decreases deep into the sample, however, to a depth where nickel is practically absent, analysis is difficult due to the significant penetration of nickel into deeper layers. An increase in the intensity of laser irradiation to 10 mW at the same magnetic field leads to a more significant change in the concentration profiles (see Fig. 3), an increase in the concentration of nickel over the entire investigated depth. The obtained experimental data show a smooth transition between the doped and undoped regions of the investigated structure, which indicates a decrease in the values of mechanical stresses arising in the process of doping.

Технико-экономическая эффективность использования данного изобретения в области технологии изготовления полупроводниковых приборов заключается в повышении качества легирования и воспроизводимости параметров легированных слоев, а также в снижении энергетических затрат процессов легирования. Относительная простота способа, совместимость с вакуумными технологиями обуславливают перспективность применения данного метода для изготовления полупроводниковых структур с субмикронными размерами. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 504435, кл. Н 01 L 21/265, 1982. Feasibility study of the use of this invention in the field of manufacturing technology of semiconductor devices is to improve the quality of alloying and reproducibility of the parameters of alloyed layers, as well as to reduce the energy costs of alloying processes. The relative simplicity of the method, compatibility with vacuum technologies determine the promise of using this method for the manufacture of semiconductor structures with submicron sizes. (56) 1. USSR author's certificate N 504435, cl. H 01 L 21/265, 1982.

2. Александреску Р. А. , Кияк С. Г. и др. Лазерное твердофазное легирование кремния бором. ДАН АН СССР, 1988, т. 301, N 4.  2. Alexandrescu R. A., Kiyak S. G. et al. Laser solid-phase doping of silicon with boron. DAN AN USSR, 1988, v. 301, No. 4.

Claims (1)

СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, включающий нанесение на поверхность полупроводниковой подложки лигатуры и облучение полученной структуры светом, отличающийся тем, что, с целью повышения качества за счет снижения механических напряжений в легированном слое и снижения энергоемкости способа, до облучения структуры помещают в магнитное поле, а облучение проводят при плотности мощности светового излучения, не вызывающей нагрев поверхности структуры.  A METHOD FOR LEGATING SEMICONDUCTORS, including applying a ligature to the surface of a semiconductor substrate and irradiating the resulting structure with light, characterized in that, in order to improve the quality by reducing mechanical stresses in the doped layer and reducing the energy intensity of the method, the structures are placed in a magnetic field before irradiation, and irradiation is carried out when the power density of light radiation does not cause heating of the surface of the structure.

Images