Способ получения кремния -типа проводимости

 

ОПИС

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Саюз Советских

Соцкавкстнческкх

Республик () 747403, К ПАТЕНТУ (6() Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 153. 76 (21) 2419003/23-26 (23) Приоритет — (32) 24. 11.75 (31) Р2552621. 0 (33) ФРГ

Опубликовано 0707.80. Бюллетень ¹ 25

Дата опубликования описания 1007.80 (51) М. Кд.

В 01 J 17/40

Государственны и комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УД 621. 315. . 592 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Эрнст Хаас, Карл Платцедер, Ханс-Эрих Райнфельдер и Манфред Шнеллер (ФРГ) Иностранная фирма

"Сименс AI " (ФРГ) (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ п-THIIA

ПРОВОДИМОСТИ

Изобретение относится к способу получения кремния и-типа проводимости с тарельчатой формой профиля удельного электрического сопротивления (P) в радиальном направлении путем облучения тепловыми нейтронами.

В общем существует желание получения стержней монокристаллОв кремния для изготовления из них полупроводниковых элементов, в которых в их радиальном направлении имеются очень однородные значения сопротивления.

Для изготовления специальных полупроводниковых элементов, как например, запирающих силовых тиристоров большой площади, в которых стремятся переместить лавинный пробой с края диска на его середину, желательно иметь кристаллы кремния, которые при однородном р в середине диска, имеют

s краевой зоне повышение удельного электрического сопротивления (тарельчатой формы — профиль распределения удельного сопротивления диска кристалла кремния). Это означает то, что распределение легирующей примеси в радиальном направлении в краевых зонах кристалла кремния ниже по

„равнению со средними зонами.

Иэ статьи (1) известно, что кристаллы кремния, обладающие однородной проводимостью, могут быть изготовлены путем облучения тепловыми нейтронами, причем имеющийся в кремнии природный изотоп 30й переходит при принятии теплового нейтрона и отдачи

) -излучения в нестабильный изотоп 3) который при J) — излучении с периодом полураспада 2,62 часа переходит в стабильный изотоп фосфора 31р. При так называемом радиогенном легировании кремния по реакции

308. (n, ") — 31 — 31Р

K ю еется следующая простая взаимозависимость (при условии полного затухания 31 „ и пренебрежения выгоранием

30з„ из-за его незначительности)

Ср 2 0 ° 10 Ф Е.> где Ср — концент1зация фосфора в атом/см

Ф вЂ” поток тепловых нейтронов в нейтрон/см . сек.р

t — - время облучения в секундах.

Пель изобретения — получение тарельчатого профиля удельного сопротивления в радиальном направлении кристалла.

<. «т.>й !<елью предложено крист,<><л в процессе облучения вращать во«<руг его продольной оси и направлять в его середину более интенсивный или менее интенсивный поток нейтронов, чем на его края. Интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы или испог<ьзования мишени требуемого профиля или облучают кристалл в зоне реактора с нелинейным градиентом потока нейтронов.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1-9 изображены примеры поведения кристалла кремния в нейтронном поле.

Согласно Фиг. 1 во время нейтрон- !5 ного облучения перед вертикально закрепленным стержнем кристалла кремния устанавливают щелевидную диафра-гму ? .и кристалл кремния 1 приводят во вращение вокруг его продоль- Я ной оси в направлении стрелки 3. При этом примсняется перемещаемая.по ширине щели диафрагма 2, сделанная иэ кадмия толщиной 1 мм иэ боратного стекла. При вращении кристалла кремния 1 средние части 4 находятся постоянно в зоне параллельного или слабо расходящегося луча нейтронов 5.

Краевые зоны 6 кристалла кремния l облучаются меньше, поскольку они находятся под воздействием только рассеянных и диффундированных нейтронов.

B результате этого создается, как видно из Фиг. 1, повышение сопротивления кремния. При этом р -профиль зависит от установленной ширины диафраг- мы. При применении диафрагмы иэ кадмия толщиной 1 мм происходит почти полное поглощение нейтронов.

Во втором случае, как покаэанс на фиг. 2, в соответствии с примером об- ф) лучение кристалла кремния 1 производят в реакторе, например, в реакторе типа Свимминг-Поол (пул), который на

Фиг. не изображен. Облучение происходит в зоне с градиентами потока при вращении кристалла кремния 1 вокруг своей продольной оси в направлении стрелки 3. Часть луча нейтронов 5, которая проходит больший путь в воде

7, теряет свою интенсивность. В результате вращения, как и в случае фиг. 1, получают ротационно-симметричный -профиль с подъемом в наружных зонах, показанный на фиг. 3.

Фиг. 4 изображает характеристику потока нейтронов в кристалле крем- зэ ния 1 в нейтронном поле с нелинейными градиентами потока. При этом по оси абсцисс отложено расстояние кристалла кремния 1 от поверхности сгорания стержня в см, по оси ординат — щ относительная концентрация тепловых нейтронов.

В другом варианте предмета изобретения предусматривается так же полу-! чение р -профиля путем управляемого

;г! «< <<оно ни я лу !:l ас и !(- < o< i) я«!!!е1 n из быс гр!ях не и !><>««<>««c !!а < зР<>!!«и < из кристалла «<ремния и мин!ени. !1ри этом мишень следует выполнять в ниде замедлителя . ;) -про<>и>!."- получают благодаря тому, что эа счет геометрии мишени на краю создается меньшее замедление, В качестве мишени может служить, например, парафин, графит или тяжелая вода.

Этот вариант по«<аэан на фиг. 5, где облучаемый кристалл кремния 1 помеще < в трубку 8 и на своей наружной поверхности покрыт, хотя бы частично, поглощающим нейтроны материалом, причем каждая иэ его торцовых сторон закрыта, хотя бы частично, поглощающим нейтроны дисками 9 и 10, которые в середине имеют отверстия

11 и 12 соответственно желаемому

))-профилю. В качестве поглощающего нейтроны материала может служить боратное стекло, карбид бора, нитрид бора, окись кадмия и листовой кадмий и/или искусственные материалы, как, например, полиэтилен с добавлением соединения гадолиния или силиконовый каучук, которые наносятся на соответственную поверхность. Между источником нейтронов 6 и поглощающими дисками 9 и 10 размещены диафрагмирующие трубки 13 и 14 иэ кадиия или боратного стекла, подобранные по размеру отверстия поглощающих дисков.

Выполнение Р -профиля зависит or раэ— личной длины диафрагмирующих трубок

13 и 14, от их внутреннего диаметра и различной толщины поглощающего материала. Это устройство (см. Фиг. 5) для легирования Фосфором посредством облучения нейтронами монтируется в реакторе, который на рисунке не изображен.

Изображенное на Фиг. 5 устройство может быть выполнено, как показано на фиг. 6 . Здесь для облучения дисков кремния 15,, (причем на рисунке изображена заполненной только одна камера), применяется открытая с двух концов трубка 8 с несущими элементами для дисков кристалла кремния, которые могут быть выполнены из поглощающего нейтрона материала в виде колец 16. Эти элементы ;àçìåùàþòñÿ на внутренней поверхности трубки 8 на соответственном расстоянии друг от друга. Используемый материал может иметь больший коэффициент поглощения по сравнению с материалом трубки.

Путем изменения геометрии поглощающих частей может дополнительно изменяться получение атомов фосфора.

При толщине поглощения,!например, 1 мм (кадмиевый лист) можно снизить тепловую часть потока нейтронов до значения ниже l/10.000.

На фиг. 7 представлен другой вариант изобретенного способа, в котором поглощающее покрытие 17 нанесено

?47403 на поверхность кремния и которое может равномерно перемещаться вдоль стержня кристалла кремния 1 в направлении 18. При этом Я-профиль может изменяться по длине поглощающего покрытия. Поглощающее покрытие 17, со- 5 стоящее, например, из кадмиевого листа толщиной 1 мм, перемещается вдоль стержня из кристалла кремния 1 во время облучения таким образом, что любой участок поверхности покрытия 10 стержня кристалла кремния 1 остается одинаковое время закрытым поглощающим покрытием. Благодаря тому, что каждая краевая зона кристалла кремния 1 при равномерном движении погло- 15 щающего покрытия 17 вдоль стержня кристалла кремния 1 имеет равные условия облучения, создается желаемый тарельчатый .Я -профиль (см.фиг.З) .

Можно также во время облучения нейтронами перемещать вместо поглощающего покрытия 17 стержень кристалла кремния 1.

Ниже изобретение поясняется дополнительно с помощью фиг. 8 и 9 и примера, где на фиг. 8 изображено в схематическом виде устройство в соответствии с предметом изобретения, состоящее из системы с двумя диафрагмами, перед стержнем кристалла кремния, а на фиг. 9 показано устройство 30 иэ нескольких систем диафрагм, устанавливаемое с наружней поверхности облучаемого стержня кристалла кремния 1.

Из фиг. 8 можно видеть, что в об- 3$ лучаемом стержне кристалла кремния 1 можно различить три зоны (эона 1, ограничение угла видимости проводится исключительно за счет диафрагмы 19; зона 2, угол ограничен 4О кромкой диафрагмы 19 и диафрагмы 20; зона 3, ограничение осуществляется только диафрагмой 20) .

Предложив иэотропное распределение нейтронов в пространстве 21, отношение плотности потока нейтронов в точке (Х, у) (в стержне кристалла кремния 1) к плотности потока нейтронов в пространстве 21 задано углом видимости Ф/2 . Расчет соответственно трем возможным случаям следует проводить раздельно.

Зона 1:

I ь,+х

1 d ° х"

Зона 3: аналогично 1

2 Ь1(с(r $1 и Р )

r2+Zd гЗИ +с12-Ь

1 2 1

Зона 2 ф=у -д

1 2

Ф =ал:1ап „ х 1-b1

1 у+6

А =сигсЬлп

2 М+d2

1 1а 19

Ь1

Искомый легированный профиль Е(Г) получаем путем усреднения всех углов Р (— вращение кристалла кремния 1). 2

2 1

Ю

Цифровой расчет был проведен для различной формы щелей и стержня кристалла с радиусом 25 мм. При этом предполагались две одинаковые системы. Получение абсолютного значения кон;;,ентрации легирования можно получить путем замены плотности потока нейтронов Ф в обычном уравнении на

Ф = f(r).

Кроме того, необходимо .учитывать, что при расчете принималось 100% поглощение материалом диафрагмы. В том случае, когда 100% поглощения нет, т.е. Ъ всех нейтронов проходит через материал дифрагмы, то это означает прибавление постоянной функции к У вычисленным профилям. В уравнении активации следует заменить в этом случае Ф через

100-х х

100 100

Численный пример:

Для реакции 30 „ (и )г ) 31« 3 б

Р имеет место при условии полного эаd Х1

+ =агс1а11

3 д

Ф =агс.акоп

1 бО

Ь|х Ь,-Х

1х =а c1an — -- .— + с 1.с с1п

1 1 гь аь (а,+а) а" "" b õ - сссс1ап с(12а yi8 -Ь+х

3- (33-;Т;1

fIoH переводе в полярными ко 1 и«н,1

= r ñosР у = г з1п Р

С с(= а ге Сап ь212) г81п,р „d2 Ь2

1 1 1

Х Ь1 -bg X

Ф=с1гсЬч11 - a eton

Я 1С1

Ч +д

1я =аг 1ад (X1+ b1) (9 +dan ) i(bz->)(9+ d<) а» ссср,с (х Ь,) (Ь,— х) (У+d1)(9 А) =агсШп (b Ьг + X (dz-d,) + Ьсс1 + b d ц1 х i V (d, +d ) i х(Ь, - Ь ) + d д — Ь, Ь

= а гкап г 1п Р(b<+bz 1 Геохи P(d1-ñ4)+b d + г1+ rsin+(d +d )+гсов Р(Ь,-b,)+с(,д -Ь,ь тухания 318„ и пренебрежении выгораниеЫ 30,, (поскольку оно слишком незначительно), следующая зависимость:

Ср = 2 05 10 t° . Фx х If(v) ° () +

100 100З концентрация фосфора атом см

1 3 ° 10

1 3 10"

9 ° 4 ° 10"

25

Это соответствовало бы снижению щ легирования .на 353 от центра к краю. где Ср — концентрации фосфора в атом/см ;

Ф вЂ” поток тепловых нейтронов в () нейтрон/см .сек.>

t — - время облучения в секундах1 х — пропускаемость материала бленды в В;

Е(г) — фактор зкранирования (см. текст) .

)5

Возьмем для примера:

Ф 5 . 10 t = 10 сек, х 0 полуоткрытое отверстие диафрагмы 19: Ь = 10 мм

1 полуоткрытое отверсРД тие диафрагмы 20: Ь = 5 мм расстояние от сере2 дины стержня кристалла кремния до дифрагмы 19: й,= зомм 25 расстояние от середи1 ны стержня кристалла кремния до диафрагмы 320: d = 25 мм

Для коэФФициента поглощения полу- ЗО чаем тогда: радиус (м) Путем подбора других систем диафрагм или другого материала диафрагм (с меньшим поглощением) зто значение можно легко изменять в широких масштабах

Ероме того, не исключается воэможность проведения однородного облучения нейтронами кристалла кремния с последующим, дополнительными его облучением, Формула изобретения

1. Способ получения кремния и-типа проводимости путем облучения монокристалла потоком тепловых нейтронов, отличающийся тем, что, с целью получения тарельчатого профиля удельного сопротивления в радиальном направлении кристалла, последний в процессе .облучения вращают вокруг продольнсй оси и направляют в его середину более интенсивный или менее интенсивный поток нейтронов, чем на его края.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого на кристалл, регулируют путем изменения ширины шлицы диафрагмы.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что интенсивность потока нейтронов, направляемого нъ кристалл, изменяют путем использования мишени требуемого профиля.

4. Способ по и. 1, отличаюшийся тем, что кристалл облучают в зоне реактора с нелинейным градиентом потока нейтронов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Д, EIectpochem, Soe., 1961, 108, р. 171-179 (прототип).

747403

Составитель

Техред М. Петко

Редактор Л. Курасова

Корректор И. Муска

Заказ 3981/SS

Тираж 809 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент > r. Ужгород, ул. Проектная, 4