Устройство для формирования упорядоченных микроструктур дислокаций в приповерхностном слое полупроводников

Полезная модель относится к технологии обработки полупроводниковых материалов и может быть использована в производстве интегральных схем, интегральных схем памяти и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, а именно для геттерирования полупроводников и повышения вероятности межзонных излучательных переходов в непрямозонных полупроводниках.

Технической задачей является создание простого и эффективного устройства для формирования упорядоченных микроструктур дислокаций равномерно и упорядоченно распределенных в приповерхностном слое полупроводника.

Полезная модель относится к технологии обработки полупроводниковых материалов и может быть использована в производстве интегральных схем, интегральных схем памяти, оптоэлектронных полупроводниковых приборов, и ряда других полупроводниковых приборов.

Известны технологии обработки полупроводников, в которых для уменьшения неконтролируемых примесей в полупроводнике или для улучшения "излучательных" свойств в поверхностном слое создают структурно нарушенный слой.

Так, на пример в работе [1] было показано, что введение структур дислокаций в кремний существенно повышает его "излучательные" свойства, что по мнению авторов, может быть использовано для создания электролюминесцентных светоизлучающих приборов (светодиодов и лазеров) на основе микроструктурированного кремния. Трудности создания светодиодов на основе кремния заключаются в том, что кремний не прямозонный полупроводник и поэтому межзонные излучательные переходы маловероятны. Дислокации вместе с геттерированными на них примесями образуют уровни энергий в запрещенной зоне (ловушки для электронов), на которые захватываются электроны из зоны проводимости. Таким образом, ограничивается подвижность электронов и уменьшается вероятность столкновения их с дефектами, что приводит к уменьшению вероятности безизлучательной рекомбинации. Вероятность излучательной рекомбинации при этом увеличивается. Для формирования дислокационной структуры авторы проводили имплантацию бора в кремний и его последующий отжиг. При таком способе создания дислокационных структур, пространственное распределение дислокаций и их плотность остаются практически не контролируемыми, а сам процесс является достаточно длительным и трудоемким.

При изготовлении полупроводниковых приборов, для уменьшения концентрации неконтролируемых примесей и дефектов в рабочей части полупроводника, проводят операцию геттерирования. Суть операции состоит в том, что на не рабочей стороне (обратной стороне) полупроводниковой пластины создается нарушенный слой, в котором при последующей термообработке и активации диффузионных процессов собираются неконтролируемые примеси и дефекты, уменьшая тем самым их концентрацию в рабочей области, где формируются элементы микросхемы.

Известен способ геттерирования полупроводниковых пластин лазерным лучом (см.Патент РФ: RU 2291835 С1). Формирование нарушенного слоя осуществлялось в результате сканирования сфокусированного лазерного излучения по поверхности пластины кремния в виде растра линий с шагом 5-80 мкм. Плотность мощности лазерного излучения выбиралась выше порогового, при котором начинает плавиться поверхность кремния, но меньше порога испарения. Таким образом, на поверхность наносился растр линий перекристаллизованного расплава. При плавлении и быстрой перекристаллизации расплава возникают большие напряжения, что приводит к генерации в поверхностном слое значительной концентрации структурных дефектов (дислокаций) и таким образом к образованию нарушенного слоя или геттера. Обладая дальнодействующими силами, дислокации притягиваю к себе примесные атомы, ионы и точечные дефекты. Однако, при таком способе формирования нарушенного слоя, за время сканирования лазерного луча по поверхности происходит значительный неоднородный нагрев образца, что в ряде случаев является недопустимым.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по поставленной цели, технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ формирования структур дислокаций в приповерхностном слое предложенный авторами работы (см. Патент РФ: RU 2029410) для геттерирования кремния. Для ввода геттерирующих центров поверхность кремния нагревалась импульсным некогерентным излучением со скоростью 200-300 град/с до температуры, превышающей температуру плавления подложки на 10-40°. При последующем охлаждении и рекристаллизации расплавленного поверхностного слоя и последующей термической обработки в поверхностном слое формировались структуры дислокаций (геттерирующие центры). Недостатком этого способа является то, что проводится плавление всей поверхности образца, а кроме этого, пространственное распределение зарождающихся дислокаций при рекристаллизации невозможно контролировать, что может привести в дальнейшем к неоднородному геттерированию образца.

Целью предлагаемой полезной модели является разработка простого и эффективного способа создания дислокационных структур (геттерирующих центров) с упорядоченным равномерным распределением по поверхности полупроводника, при котором можно избежать недостатки имеющие место в вышеотмеченных способах.

Цель достигается тем, что поверхность полупроводника подвергается воздействию лазерного излучения с микроструктурированным распределением интенсивности. Микроструктурирование интенсивности излучения осуществляется в результате интерференции двух лучей лазерного излучения. Для этого см.рис.1 исходный луч импульсного YAG:Nd³⁺ лазера (1) (W=0÷3 Дж, =1.06 мкм, 1.5 мс) расщепляется с помощью светоделительной пластины (2) на два равных по интенсивности луча (луч-I и луч-II). Луч I с помощью линзы (3) фокусируется на поверхность полупроводника (4) (монокристаллической пластины кремния с ориентацией [100]) в пятно размером d1÷2 мм. Луч II с помощью поворотных зеркал (5), (6), (7) направляется параллельно лучу I и далее линзой (3) также фокусируется на поверхность кремниевой пластины в пятно размером d1÷2 мм. С помощью поворотного зеркала (7) оба луча совмещаются (подстраиваются) на поверхности кремниевой пластины. Разность хода между лучами I и II составляет не более 10 см. Микроструктурирование интенсивности лазерного излучения на поверхности кремния возникает в результате интерференции лучей I и II.

В максимумах интенсивности интерференционных полос происходит нагрев поверхности и образование структур дислокаций. Плотность мощности лазерного излучения выбирается достаточной для локального плавления поверхности, но меньше порога объемного плавления полупроводника. Ранее в работе [2] авторов настоящей заявки было показано, что локальное плавление поверхности начинается в местах выхода дислокаций на поверхность, а температура локального плавления на дислокациях может быть значительно ниже температуры объемного плавления материала. Локальное плавление и рекристаллизация стимулируют рост дислокаций. На рис.2 показан снимок микроструктурированной поверхности монокристаллического кремния полученный под микроскопом после воздействия микроструктурированного лазерного излучения. Темные точки - это участки локального плавления-рекристаллизации поверхности в местах выхода дислокаций на поверхность. Видно, что участки локального плавления располагаются равномерно и упорядоченно по всей поверхности облучаемого участка, с шагом 4÷5 мкм вдоль максимумов интерференционных полос. Расстояние между интерференционными полосами определяется взаимным положением интерферирующих лучей и может меняться с помощью поворотного зеркала (7). Перемещая образец (кремниевую пластинку) с шагом xd можно сформировать равномерно распределенную упорядоченную структуру дислокаций (центров геттерирования) в приповерхностном слое полупроводника (например кремния) на площади требуемых размеров.

Библиографические данные:

1. Lourenco МA, Milosavljevic M, Gwilliam RM, Homewood KP, Shao G, Appllied Physics Letters 2005, vol.87, 201105

2. А.Ф.Банишев, Л.В.Новикова, Образование обратимых и необратимых структурных дефектов на поверхности кремния под действием лазерного импульса, Физика и химия обработки материалов, N4, 55 (1992).

Устройство для формирования упорядоченных микроструктур дислокаций в приповерхностном слое полупроводников, состоящее из импульсного YAG:Nd³⁺ лазера, светоделительной пластины, поворотных зеркал и фокусирующей линзы, отличающееся тем, что данное устройство позволяет проводить микроструктурирование интенсивности лазерного излучения путем интерференции двух лазерных лучей, полученных при расщеплении исходного лазерного луча, между которыми вносится определенная разность хода, и затем оба луча фокусируются на поверхность полупроводниковой пластины, на которой они интерферируют, приводя к нагреву поверхности с распределением температуры, повторяющем форму интерференционной картины, и к генерации упорядоченных микроструктур дислокаций.