Спосіб обробки напівпровідникових матеріалів

Настоящее изобретение относится к способам термообработки полупроводниковых материалов, Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является метод теплового отжига полупроводникового материала в электромагнитном поле СВЧ-излучения сантиметрового диапазона, при котором достигается объемный равномерный нагрев материала. Однако, в этом случае, требуемая для осуществления диффузии или электрической активации перестройка примеси происходит за счет теплового нагрева обрабатываемого материала, и для этих процессов необходима температура нагрева, составляющая величину порядка 800 С. Это, в большинстве случаев, недопустимо, ввиду диссоциации полупроводникового материала. Кроме того, высокие температуры приводят к нежелательному размытию фронта распределения примеси. Задачей изобретения является создание способа обработки полупроводникового материала, при котором происходило бы необходимое изменение взаимного расположения атомов (ионов) примеси и узлов решетки за счет избирательного воздействия на атомы (ионы) примеси и, в то же время, отсутствовала бы необходимость в нагреве обрабатываемого материала до температур, сравнимых с температурой его диссоциации, и, значит, необходимость использования специальных покрытий либо инертных атмосфер. Сущность изобретения заключается в том, что при осуществлении способа обработки полупроводниковых материалов, заключающегося в облучении указанных материалов электромагнитным излучением, согласно изобретению указанное облучение осуществляют электромагнитным излучением с частотой, равной резонансной частоте собственных колебаний междоузельных атомов (ионов) примеси в материале полупроводника в диапазоне частот 30-150 ГГц, причем напряженность электрической составляющей поля указанного излучения подбирают пропорциональной величине потенциального барьера активации атома (иона) примеси. Когда атомы (ионы) примеси предварительно наносятся на поверхность полупроводникового материала из твердой, жидкой или газообразной фазы, напряженность электрической составляющей поля выбирают пропорциональной величине потенциального барьера активации диффузии. В случае, если атомы (ионы) примеси имплантированы в материал или нанесены на поверхность материала в виде металлических контактов, либо существуют в виде междоузельных радиационных или примесных дефектов напряженность электрической. составляющей поля выбирают пропорционально величине потенциального барьера электрической активации. Для облучения можно применить генератор СВЧ-излучения - гиротрон. Такой способ позволяет повысить качество обрабатываемых полупроводниковых материалов и упростить (удешевить) ведение процесса. Способ обработки полупроводниковых материалов электромагнитным излучением заключается в следующем. На поверхности или в объеме полупроводникового материала создаются (путем нанесения на поверхность, ионной имплантацией или в процессе выращивания) электрически неактивные атомы (ионы) примеси. Затем полупроводниковый материал подвергается воздействию электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. Это излучение, проходя через полупроводниковый материал, взаимодействует с кристаллической решеткой полупроводника, носителями заряда (электронами и дырками) и с примесными атомами (ионами), расположенными как в узлах решетки, так и в междоузлиях. Ввиду невысокой концентрации носителей заряда, поглощаемая ими электромагнитная энергия незначительна. Взаимодействие атомов (ионов) кристаллической решетки с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона носит не резонансный характер, поскольку частоты их собственных колебаний лежат в более коротковолновой (инфракрасной) области спектра, а коэффициенты поглощения излучения полупроводниковым материалом невелики. Это обуславливает равномерную диссипацию энергии в объеме материала, т.е. приводит к незначительному однородному объемному нагреву. В то же время оказалось, что частоты собственных колебаний примесных атомов (ионов), находящихся в междоузлиях кристаллической решетки, лежат в диапазоне 30-150 ГГц, Поэтому, подвергаясь воздействию излучения миллиметрового диапазона, указанные атомы (ионы) активно отбирают энергию от электромагнитного поля, переходя на более высокий уровень энергии, зависящий от напряженности электрического поля в падающей электромагнитной волне. Указанная поглощаемая энергия не оказывает существенного влияния на нагрев материала в целом, ввиду малой концентрации междоузельных атомов (ионов) примеси. Таким образом, электромагнитное излучение миллиметрового диапазона, взаимодействуя с обрабатываемым полупроводниковым материалом, избирательно поглощается междоузельными атомами (ионами) примеси без существенного нагрева обрабатываемого материала. При этом энергия, которую получают атомы (ионы) примеси зависит от напряженности электрического поля падающего электромагнитного излучения. Эта дополнительная энергия повышает вероятность междоузельному атому (иону) покинуть свое равновесное положение и перейти в соседнее междоузельное положение, либо при встрече с дефектом решетки типа "вакансия" аннигилировать и занять место в узле решетки, став электрически активным. При этом резко изменяется частота его собственных колебаний, т.е. он перестает активно поглощать излучение. Осуществление одного либо другого из вышеуказанных процессов зависит от величины дополнительной энергии, полученной атомом (ионом) примеси от электромагнитного излучения. Для осуществления процесса активации диффузии атомов (ионов) примеси от предварительно нанесенного на поверхность источника этих примесей из твердой, жидкой или газообразной фазы, необходимо передать атому (иону) такую энергию, чтобы он смог преодолеть потенциальный барьер активации диффузии. Это осуществляется выбором соответствующей напряженности электрического поля в падающей электромагнитной волне. Величина упомянутого потенциального барьера зависит от типа полупроводникового материала и рода примеси. Но во всех случаях напряженность электрического поля подбирается пропорциональной величине потенциального барьера активации диффузии. Для осуществления электрической активации атомов (ионов) примесей, внедренных в полупроводниковый материал ионной имплантацией, или нанесенных на поверхность полупроводникового материала в виде металлических контактов, или возникающих в процессе выращивания полупроводника радиационных дефектов, полученная атомами (ионами) примеси энергия от электрического поля излучения должна быть равной величине потенциального барьера электрической активации, В этом случае атом (ион) примеси становится электрически активным, т.е. обладающим донорными или акцепторными свойствами. Передачу необходимой энергии можно обеспечить выбором напряженности электрического поля в падающей электромагнитной волне, пропорциональной величине потенциального барьера электрической активации. Производительность процесса обработки полупроводникового материала по предлагаемому способу повышается при использовании излучения СВЧ генератора-гиротрона, основанного на принципа мазерноциклотронного резонанса. В этом случзе создается возможность пространственно сосредоточить СВЧизлучение в области обрабатываемой поверхности, использовать высокие уровни мощности и получить требуемую напряженность электрического поля в электромагнитной волне. Взаимодействие атома (иона) примеси с электромагнитным излучением миллиметрового диапазона носит резонансный характер. Максимум этого взаимодействия соответствует конкретной частоте. Тем не менее, имеет место размытие этого резонанса, обусловленное тепловыми колебаниями кристаллической решетки полупроводникового материала и местоположением атома (иона) в решетке. Поэтому эффективное возбуждение атомов (ионов) примеси происходит в определенном диапазоне частот. При этом, чем меньше или больше частота электромагнитного излучения по сравнению с резонансной, тем сильнее происходит нежелательный нагрев решетки по сравнению с энергией, получаемой атомом (ионом) примеси. Граничные значения диапазона частот электромагнитного излучения выбраны такими, что в указанном диапазоне кристаллическая решетка не нагревается до температуры, достаточной для электрической активации либо диффузии, а указанные процессы происходят за счет энергии, получаемой атомами (ионами) примеси от электромагнитного излучения. Принципиальное значение имеет подбор необходимой напряженности электрического поля. При облучении электромагнитным излучением с напряженностью поля, меньшей, чем необходимо для осуществления активации междоузельного атома (иона), он приобретает энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера. В этом случае происходит слабый нагрев обрабатываемого материала без изменения взаимного положения междоузельного атома (иона) и узлов решетки. При облучении электромагнитным излучением с напряженностью электрического поля, большей, чем необходимо для осуществления активации междоузельного атома (иона) происходит сильный нагрев обрабатываемого материала, что ведет к нежелательным последствиям. Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность реализации способа обработки полупроводниковых материалов согласно изобретению. Приведены примеры по реализации способа для активации диффузии примеси в полупроводниковом примере. В качестве полупроводникового материала использовались пластины полуизолирующего арсенида галлия (ПИ GaAs) толщиной 2 мм. На ПИ GaAs [плоскость (100)] напылялся металлический слой меди толщиной около 400 мкм. Пластины обрабатываемого материала подвергались воздействию электромагнитного излучения различной интенсивности и длины волны. Время облучения - несколько секунд. После обработки измерялся профиль распределения концентрации примеси (Си) по толщине пластины П'4 GaAs. Концентрация атомов меди определялась фотолюминесцентным методом путем послойного травления пластины ПИ GaAs. В качестве источника электромагнитного излучения в этих и последующих экспериментах использовался гиротрон, а при облучении на частоте 2,45 ГГц - магнетронный генератор. Результаты приведены в табл.1. Из табл.1 видно, что глубина диффузии достаточно высока при частотах 150-30 ГГц и определенной напряженности электрического поля 5×104 В/м (№№ 1-3). При увеличении или уменьшении частоты (№4 и №5) растет температура обрабатываемого материала и резко уменьшается глубина диффузии. Снижение величины напряженности электрического поля делает глубину диффузии трудно определимой из-за ее малой величины (№6). Увеличение поля (№7) приводит к появлению термических дефектов, вследствие высокого нагрева материала. То же самое наблюдается в случае обработки на частоте 2,45 ГГц (№8, прототип). Приведены примеры по реализации способа электрической активации примесей в ионноимплантированных слоях. В качестве полупроводникового материала использовались пластины ПИ GaAs толщиной 300 мкм и диаметром 40 мм [плоскость (100)]. В них имплантировались ионы Si энергией 120 кэВ, суммарная доза имплантации Ф = 1013 см-2. Защитное покрытие на пластины не наносилось. После имплантации пластины обрабатывались электромагнитным излучением различной напряженности электрического поля в течение 7 с. В обработанных электромагнитным излучением имплантированных пластинах ПИ GaAs методом вольтфарадных (C-V) характеристик измерялся профиль распределения по глубине кристалла концентрации свободных носителей тока (электронов), обусловленных активацией имплантированных ионов Si. По этому профилю определялась степень активации. Результаты обработки приведены в табл.2. Из табл.2 видно, что в заявляемом диапазоне 150-30 ГГц при определенной напряженности электрического поля обеспечивается высокая степень активации (№№1-3). При изменении частоты (№№4,5) и снижении напряженности электрического поля (№6) степень активации резко уменьшается. При увеличении напряженности электрического поля (№7), как и в случае обработки на частоте 2,45 ГГц (№8 по прототипу) имеют место термические дефекты в материале полупроводника. Приведены, примеры по реализации способа для создания на поверхности полупроводникового материала омических электрических контактов. В качестве полупроводникового материала использовались пластины P-GaAs (Zn), на которые методом напыления наносились составные металлические площадки, площадью 2 мм2, из тугоплавких металлов на основе вольфрама толщиной 1 мкм. Пластины обрабатывались электромагнитным излучением различной частоты и напряженности поля в течение 5 с. После обработки измерялось контактное сопротивление перехода металл-полупроводник методом вольт-амперных характеристик. Результаты экспериментов приведены в табл.3. Результаты экспериментов (№№1-3) показывают, что в заявляемом диапазоне электромагнитного излучения при соответствующем выборе напряженности электрического поля обеспечивается создание хорошего омического контакта без существенного разогрева всего материала. При большей или меньшей частоте излучения (№№ 4,5) и при пониженной напряженности электрического поля (№6) не удается получить хороший омический контакт (он обладает выпрямляющими свойствами). При повышенной напряженности электрического поля (№7) и при обработке на частоте 2,45 ГГц (№8. прототип) наблюдается сильный разогрев полупроводникового материала и связанная с этим генерация термодефектов. Таким образом, предлагаемый способ позволяет: - повысить качество полупроводникового материала за счет возможности проведения процессов активации примеси при сравнительно низких температурах, предотвращающих появление термических дефектов; - улучшить свойства полупроводниковых приборов благодаря высокому качеству активации. Изобретение может применяться для осуществления процессов легирования полупроводниковых материалов, электрической активации имплантированной примеси, создания электрических контактов на поверхности полупроводникового материала при изготовлении приборов.