Спосіб отримання радіаційно стійкого кремнію для електронних приладів

Реферат: Спосіб отримання радіаційно стійкого моно- та полікристалічного кремнію для електронних приладів шляхом вирощування з розплаву, включаючи легування фосфором для створення провідності n-типу та ізовалентним елементом IV групи, причому додатково легують домішкою 17 19 -3 олова у діапазоні концентрацій 10 -10 см за умови, що отриманий матеріал буде мати питомий електроопір в межах 0,5-20 Ом×см, концентрації технологічних домішок кисню та 18 -3 16 -3 вуглецю не перевищують величин 10 см і 5×10 см відповідно, а регулювання радіаційної стійкості проводять зміною співвідношення вагових частин кремнію, фосфору і олова у вихідному розплаві. UA 101855 U (12) UA 101855 U UA 101855 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології виготовлення напівпровідникових електронних приладів, а саме до способів отримання зливків моно- та полікристалічного кремнію, який характеризується підвищеною радіаційною стійкістю і може використовуватися як базовий матеріал у виробництві електронних пристроїв. Актуальність отримання радіаційно стійкого кремнію зумовлена практичною потребою в кремнієвих електронних приладах, які надійно та довготривало можуть працювати в умовах, де існує високий рівень радіації (космос, ядерна енергетика, ядерна медицина, експерименти у високоенергетичній фізиці). Однією з головних причин радіаційної деградації параметрів кремнію і приладів на його основі є виникнення електрично активних радіаційних дефектів. Зменшення ефективності утворення цих дефектів і/або ступеня їх впливу на параметри матеріалу є головною стратегією підвищення радіаційної стійкості кремнію. Відомий спосіб [Патент США № 3311510 А] отримання кристалічного кремнію p-типу з підвищеною стійкістю електричних параметрів до дії високоенергетичної радіації, що полягає у легуванні кремнію домішкою гадолінію замість бору. Кремній легують гадолінієм в процесі вирощування злитку із розплаву. Вказаний метод має ряд недоліків, а саме: - в об'ємі кремнієвого зливку при вирощуванні утворюються мікроскопічні преципітати гадолінію (0.1-10 мкм). Преципітати гадолінію викликають локальні напруження стиснення і є протилежними по знаку напруженням, які створюють радіаційні вакансії (первинні радіаційні дефекти). Підвищення радіаційної стійкості кремнію відбувається тому, що в результаті взаємодії деформацій протилежного знаку рухомі вакансії локалізуються в околі преципітатів гадолінію і не приймають участь у формуванні вторинних радіаційних дефектів, які є відповідальними за деградацію електричних параметрів кремнію і відповідно приладів на його основі. Проте наявність преципітатів гадолінію погіршує властивості кремнію, особливо тоді, коли їх розмір стає співмірним з розмірами активних елементів електронних приладів. - сильні деформаційні напруження довкола преципітатів гадолінію можуть приводити під час технологічних термообробок до виникнення дислокацій, які погіршують електричні параметри кремнію. Відомий спосіб отримання радіаційно стійкого малокисневого та високоомного кремнію n+ типу [Патент США № 3490965 А] та радіаційно стійкого n р кремнієвого сонячного елемента [Патент США № 4608452 А], який полягає у легуванні кремнію домішкою літію. До недоліків цього методу слід віднести: - легування кремнію літієм вимагає додаткових технологічних операцій (термообробку або імплантацію). - літій в кремнії є донором і тому впливає на його електропровідність. - літій дифундує в кремнії вже при низьких температурах і легко взаємодіє з іншими домішками і дефектами, що може призводити до зміни електричних характеристик кремнію і приладів на його основі в процесі їх експлуатації і зберігання. Відомий також спосіб підвищення радіаційної стійкості кремнію шляхом термообробки в інтервалі температур 500-600 °C тривалістю 100-800 годин в неактивному середовищі [Патент РФ № 847839]. Недоліки цього методу: - довготривала термообробка, яка є додатковою технологічною операцією. - утворення термодефектів, частина з яких може бути електрично активною і погіршувати властивості матеріалу. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого технічного рішення є спосіб отримання радіаційно стійкого моно- і полікристалічного кремнію шляхом легування кремнію ізовалентною домішкою германію в процесі вирощування кристалів із розплаву [Патент РФ № 2250275]. Також разом з германієм використовують для легування інші домішки IV групи: титан, цирконій, гафній. Спосіб дозволяє отримати кристали кремнію n-типу (донорна домішка фосфор) або p-типу (акцепторна домішка - бор) з підвищеною радіаційною стійкістю питомого електроопору і рухливості носіїв до електронного опромінення. Основний недолік способу: відомо, що факт підвищеної радіаційної стійкості кремнію, легованого германієм, при опроміненні пояснюється тим, що атоми германію в кремнії є центрами анігіляції первинних радіаційних дефектів - вакансій і міжвузловинних атомів. При малих дозах опромінення атоми германію практично не впливають на процеси анігіляції первинних радіаційних дефектів в кремнії. Тоді як практичний інтерес в плані радіаційної стійкості матеріалу представляють саме 1 UA 101855 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зміни його електрофізичних параметрів при малих дозах опромінення, коли рекомбінаційні та електричні параметри ще не повністю деградували. В основу даної корисної моделі поставлена задача отримати матеріал та розробити спосіб, який дозволяв би виготовляти моно- і полікристалічний кремній n-типу, в якому час життя нерівноважних носіїв струму менш чутливий до впливу гамма і електронного опромінення порівняно з кращими промисловими зразками, але в той же час не погіршував би вихідні параметри кремнію. Технічний результат досягається тим, що спосіб отримання радіаційно стійкого моно- та полікристалічного кремнію для електронних приладів здійснюється шляхом вирощування з розплаву, включаючи легування фосфором для створення провідності n-типу та ізовалентним елементом IV групи, а саме додатковим легуванням домішкою олова у діапазоні концентрацій 17 19 -3 10 -10 см за умови, що отриманий матеріал буде мати питомий електроопір в межах 0,5-20 18 -3 Ом×см, концентрації технологічних домішок кисню та вуглецю не перевищують величин 10 см 16 -3 і 5×10 см відповідно, а регулювання радіаційної стійкості проводять зміною співвідношення вагових частин кремнію, фосфору і олова у вихідному розплаві. Олово в кремнії є ізовалентною домішкою, тому при утворенні зв'язків з оточуючими атомами кремнію не створює енергетичних рівнів у забороненій зоні кремнію і відповідно не впливає на його електричні параметри. Домішка олова в кремнії має перевагу в плані впливу на радіаційне дефектоутворення порівняно з домішкою германію. Основним механізмом, який визначає процеси захоплення первинних радіаційних дефектів нейтральними ізовалентними домішками є пружна взаємодія, яка виникає внаслідок невідповідності ковалентних радіусів атомів ізовалентних домішок і атомів кремнію. Ковалентні радіуси атомів кремнію, германію і олова становлять 1,17, 1,22 і 1,41 Å відповідно. Атоми олова в кремнії, за рахунок більшого розміру, створюють деформаційні поля значно більші, ніж атоми германію, і тому імовірність захоплення радіаційних вакансій на атоми олова більша. При цьому деформаційні напруження, які створюють атоми олова, недостатні для утворення дислокацій у всьому діапазоні температур термообробок планарної технології. Тобто легування кремнію оловом жодним чином не погіршує його властивості як матеріалу для приладобудування. Основними центрами рекомбінації в опроміненому кремнії n-типу провідності, вирощеному із розплаву, є комплекси вакансія + атом домішки кисню. Легування кремнію оловом пригнічує утворення даних комплексів за рахунок відтоку вакансій на утворення комплексів вакансія + атом домішки олова. Домішка олова максимум в три рази ефективніше захоплює вакансії порівняно з киснем. Однак комплекси вакансія-олово мають глибокі електронні рівні в забороненій зоні кремнію та теж діють як центри компенсації і рекомбінації носіїв струму, приводячи до радіаційної деградації кремнію. Таким чином, легування кремнію оловом двояко впливає на його радіаційну стійкість. З одного боку, покращує за рахунок конкурентного відволікання радіаційних вакансій від утворення вакансійних вторинних радіаційних дефектів. З іншого боку, погіршує через утворення додаткових дефектів вакансія-олово. Суть корисної моделі полягає у створенні умов, коли вклад першого механізму впливу олова на кремній перевищує вклад другого механізму. Ці умови визначено із аналізу кінетики утворення основних вторинних радіаційних дефектів і кінетики рекомбінації нерівноважних носіїв струму на енергетичних рівнях цих дефектів з урахуванням концентрацій легуючих домішок олова, фосфору і кисню. Умови підвищення радіаційної стійкості кремнію по часу життя нерівноважних носіїв струму сформульовано у вигляді оптимальних концентрацій легування оловом при заданих концентраціях технологічних домішок. Регулювання радіаційної стійкості кристалів кремнію здійснюється зміною співвідношення вагових частин кремнію, олова і фосфору у вихідному розплаві сировини, а також контролем технологічних умов надходження кисню і вуглецю в розплав з тиглю і оснастки. Кількісною характеристикою чутливості рекомбінаційних параметра кремнію до дії радіації слугує константа деградації часу життя носіїв струму k=(1/-1/0)/Ф, де 0,  - час життя носіїв струму до та після опромінення дозою Φ відповідно. На кресленні показано залежності константи деградації часу життя нерівноважних носіїв струму k для γ-опроміненого n-кремнію з різною вихідною концентрацією вільних електронів n0: 18 -3 1-n-кремній без домішки олова ([Sn]=0); 2-n-кремній, легований оловом ([Sn]=6,5×10 см ). 14 -3 Видно, що у високоомній області (n02×10 см ) навпаки. Тобто, підвищення радіаційної стійкості n-кремнію, який легований оловом з концентрацією 18 -3 14 -3 6,5×10 см , існує лише в матеріалі з концентрацією вільних електронів більшою 2×10 см . (На кресленні символи - експериментальні значення, суцільні криві – розрахунок, згідно з 2 UA 101855 U 5 10 теорією Холла-Шоклі-Ріда при умові Δn