Спосіб гетерування рекомбінаційно-активних домішок в кремнії

Спосіб гетерування рекомбінаційно-активних домішок в кремнії, що включає нанесення плівки германію товщиною 75-500 нм на тиловий бік пластини кремнію та термічний відпал при температурі 900-950°С, який відрізняється тим, що після нанесення плівки германію проводять імплантацію іонів інертного газу з енергією 100-300 кеВ і дозою 1х1016-1 х1017 см -2 в тиловий бік пластини. (19) (21) 2000042047 (22) 10.04.2000 (24) 15.05.2001 (33) UA (46) 15.05.2001, Бюл. № 4, 2001 р. (72) Горбулик Володимир Іванович, Клюй Микола Іванович, Литовченко Володимир Григорович, Мельник Віктор Павлович, Марченко Ростислав Іванович, Попов Валентин Георгійович, Романюк Борис Миколайович 37744 Ar+>O+>P+>Si+>B+>As + Оптимальна температура відпалу для гетерування за допомогою імплантації лежить в інтервалі 1073-1173 К. Час життя носіїв в гетерованих стр уктура х збільшується. Порівняно з попередніми методами, метод імплантації дозволяє контролювати товщину і структур у гетерної області. Разом з тим, до недоліків цього методу слід віднести: невисоку ефективність гетерування, особливо для пластин з високим вмістом кисню; вузький інтервал температур, в яких діє гетер; при збільшенні температури спостерігається ефект, зворотній гетеруванню. Істотно підвищує довжину дифузії неосновних носіїв струму (LD) нанесення шарів алюмінію на поверхню кремнієвої пластини з подальшим відпалом [5] (Ld=(D tV )1/2). Цей метод є особливо перспективним для виготовлення сонячних елементів (СЕ), тому що дозволяє поліпшити не тільки LD, а й характеристики контактів, а також є дешевим і вписується в технологічний цикл виготовлення СЕ. Плівка алюмінію наноситься на тилову сторону кремнієвих пластин шляхом напилення у вакуумі, після чого проводиться термічний відпал. Оптимальна температура відпалу лежить в межах 900950°С. Важливим фактором є швидкість охолодження зразків. Так, при охолодженні з швидкістю 2°/хв LD збільшується в 3 рази, а при охолодженні з швидкістю 100°/хв ефект гетерування незначний. Аl, що дифундує в Si, створює пастки для Сu і Аu, насичує обірвані зв'язки, а також зменшує ефективність рекомбінації на включеннях, границях зерен за рахунок створення р-р+ областей. До недоліків цього методу слід віднести: низьку ефективність гетерування при високому вмісті кисню в зразках; деградація гетерного шару при термообробках в киснево-вміщуючому середовищі. Як прототип вибрано спосіб гетерування [6] золота в кремнії, який включає нанесення плівки Ge товщиною 75 нм на тильну сторону пластини і наступний термічний відпал при температурах 900-1100° С в атмосфері О2 або N2. Найкращий результат (збільшення часу життя неосновних носіїв заряду з 8 до 20 мікросекунд) було досягнуто при відпалі з температурою 1100°С. Механізм дії такого гетера пов'язаний з різницею коефіцієнтів сегрегації домішок в шарах кремнію і германію. Внаслідок цього атоми золота дифундують з пластини кремнію в плівку германію і зв'язуються в ній. Недоліками даного методу є: низька ефективність гетерування домішок коефіцієнти сегрегації яких для кремнію і германію мало відрізняються (мідь, залізо); не гетеруються домішки, які входять до складних комплексів; низька ефективність для кремнію, що містить кисневі преципітати. Задачами, що вирішуються запропонованим методом генерування, є: 1) суттєво підвищити величину довжини дифузії нерівноважних носіїв струму в пластинах кремнію за рахунок більш ефективного гетерування дефектів і домішок, порівняно з іншими методами; 2) проводити очистку від рекомбінаційноактивних домішок пластин, що містять кисневі преципітати; 3) стимулювати розпад внутрішніх дефектнодомішкових комплексів з подальшим гетеруванням рекомбінаційно-активних домішок. Поставлена задача досягається тим, що на пластини Si наноситься плівка германію товщиною 75-500 нм з наступним іонно-променевим перемішуванням межі розділу плівка Ge- пластина Si шляхом імплантації іонів інертного газу з енергією 100-300 кеВ та дозою 1,1016-1,1017 см -2 та термічним відпалом при Т=900-950°С. Ефект іонно-променевого перемішування досягається імплантацією іонів на границю розділу плівка Ge - пластина Si і полягає в формуванні перехідного шару на границі розділу за рахунок атомів віддачі. Цей шар є ефективним гетером дефектів і домішок з об'єму кремнієвої пластини. Даний гетер стимулює процеси розпаду дефектнодомішкових комплексів, що мають рекомбінаційну активність (зокрема преципітатів кисню) та процеси відриву рекомбінаційно активних домішок від гетерних центрів і дифузію їх з об'єму на тильну поверхню Si пластини, а також зв'язування їх в області гетера. Для перемішування використовуються іони інертного газу, щоб запобігти формуванню домішково-дефектних комплексів та преципітатів іншої фази при подальшому відпалі, що може суттєво погіршити характеристики пластини Si. Запропонований спосіб має принципові переваги порівняно з аналогами та прототипом і дозволяє очистити об'єм напівпровідникової пластини, що містить мікропреципітати SiО2 та домішково-дефектні комплекси від швидкодифундуючих домішок металів, а також знизити рекомбінаційну активність внутрішніх де фектних комплексів, видалити домішкові атоми з об'єму пластини та закріпити їх в області сформованого гетера на тиловій поверхні пластини. Спосіб забезпечує високу відтворюваність результатів, не потребує повільного охолодження пластин після термічних відпалів і дозволяє підвищити ефективність гетерування, порівняно з аналогами та прототипом. Для напилення плівки Ge товщиною 75-500 нм може застосовуватись термічне, електроннопроменеве або магнетронне напилення. Товщина плівки і енергія імплантації іонів інертного газу розраховуються виходячи з умови, щоб середній проекційний пробіг іонів складав ~0,8 товщини плівки германію, чим досягається необхідний ефект перемішування. Температура відпалу знаходиться в інтервалі 900-950°С, час відпалу - не менше 30 хв, що з умовлене необхідністю забезпечення дифузії рекомбінаційно-активних домішок з усієї товщини стандартної кремнієвої пластини (товщина 300-450 мкм). Доза імплантації вибирається з умови досягнення необхідного ефекту перемішування. Зменшення температури відпалу приводить до зменшення коефіцієнтів дифузії домішок і зниження ефективності гетерування. Збільшення температури відносно вказаного значення приводить до релаксації механічних напружень і генерації дислокацій в об'ємі напівпровідника. Час відпалу визначається товщиною пластини і складає величину, необхідну для того, щоб домішки за цей час досягли області гетера. На фіг. 1 наведено послідовність технологічних операцій для реалізації запропонованого методу. Після стандартних обробок поверхні пластини 1, на тилову сторону пластини наноситься плів 2 37744 ка германію 2, після чого проводиться іоннопроменеве перемішування на границі поділу Si-Ge 3, та термічний відпал 4, під час якого відбувається очистка напівпровідникової пластини від рекомбінаційно-активних домішок. Плівка Ge, піддана іонно-променевому перемішуванню та відпалу, створює значні механічні напруження в об'ємі пластини, які приводять до взаємодії дислокаційних петель, коалесценції та ковзанню їх в напрямку градієнта напружень, аж до виходу на поверхню. Крім того, дана гетерна обробка приводить до інжекції в об'єм міжвузлових атомів Si, які стимулюють розпад дефектнодомішкових комплексів та мікропреципітатів SiO2, що не спостерігається при гетеруванні плівкою Ge без іонно-променевого перемішування. Приклад Для дослідження було вибрано пластини КДБ10 товщиною 360 мкм, діаметром 100 мм з орієнтацією (100). На даних пластинах був проведений підготовчий етап, який включав зняття поверхневого шару кремнію товщиною 20 мкм з кожної сторони пластини. Як абразив використовувалась суспензія АІ2О 3 в гліцерині. Пошкоджений абразивною обробкою шар глибиною 10 мкм видалявся хімічним травленням в лужному розчині (гідроокис натрію). Далі проводилась поліровка робочої сторони кремнієвої підкладки до отримання дзеркальної поверхні. Після цього проводились операції хімічної обробки в розчині КАРО (H2SО4:H2 О) і перекисно-аміачному розчині. З цих пластин були сформовані в 2 партії по 20 шт. кожна. Зразки з партії 1 проходили обробку по способу-прототипу (на неробочу сторону наносилась плівка германію електронно-променевим способом товщиною 75 нм, потім проводився термовідпал при Т=1100°С в атмосфері аргону). Зразки партії 2 проходили обробку по технологічному маршруту винаходу: на тилову поверхню пластини методом електроннопроменевого напилення наносилась плівка германію товщиною 100 нм, проводилось іоннопроменеве перемішування іонами аргону при енергії 125 кеВ з дозою 2·1016 см -2. Далі зразки відпалювались в атмосфері аргону при температурі 900°С на протязі 30 хвилин. Ефективність гетера визначалась по вимірюванню довжини дифузії (LD) методом спектральної залежності поверхневої фото-ЕРС. На фіг. 2 наведені гістограми для величини LD в вихідних пластинах до гетерування та пластинах після різних гетерних обробок. Обробка 1 відповідає вихідним зразкам, 2 - зразкам, гетерованим за способомпрототипом, 3 - зразкам, гетерованим за пропонованим нами способом, 4 - зразкам, окисленим після гетерування за способом-прототипом, 5 - зразкам, окисленим після гетерування за пропонованим нами способом. Колами позначені величини LD для зразків з низьким вмістом кисневих преципітатів, а квадратами - для зразків з високим вмістом преципітатів. Вміст преципітатів збільшувався шляхом проведення термічного відпалу при 950°С, який імітує технологічні операції виготовлення напівпровідникових приладів (окислення, дифузія і т. ін.). Значення LD для вихідних пластин становило 50 та 80 мкм (для зразків з високим та низьким вмістом кисневих преципітатів, відповідно). Досягнуті нами величини LD після гетерування цих зразків мають значення 200 та 300 мкм, що в 4 рази перевищує її значення до гетерних обробок, в той час, як гетерування по способу-прототипу підвищує значення LD тільки в 1,7-2 рази. Крім того, суттєвою перевагою запропонованого методу гетерування є досягнення стабільності часу життя носіїв струму після наступних високотемпературних обробок (див. обробку 5 на фіг. 2, порівняно з обробкою 4), що дозволяє використовувати для виготовлення напівпровідникових приладів, наприклад, фотоперетворювачів сонячної енергії, стандартні високотемпературні режими дифузії, окислення та ін., раніше відпрацьовані на мікроелектронному виробництві. Джерела інформації 1. Патент США № 4144099. 2. Патент США № 4131487. 3. Huff H.R, Chin T.L. J. Electrochem. Soc." 1979, v. 126, № 7, p. 1142-1147. 4. Wong-Leung J. Appl.Phys.Lett. 67, 416(1995). 5. Sana P., Rohati A., Kalejs Ju., Bell R. Appl. Phys. Lett 64, 97(1994). 6. Baginski T.A., Monkowski J.R. Germanium back-side gettering of gold in silicon. J. Electrochem. Soc., 1986, v.133, № 1, p. 142-147. Фіг. 1 3 37744 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4