Майкл фарадей научные открытия. Майкл фарадей и рождение физики поля

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.

12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния

Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование — электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.

Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.

А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки - это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.

Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное — мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей - IGBT транзисторы и IG С T тиристоры ( кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное:))

IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливает из круглой кремниевой пластинки

И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набрам из множества мелких кристаллов

Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой — например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.

Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно полупроводниковая пластина, которая коммутирует ток.

Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе — ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка — примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.

Слиток после облучения и отжига.

Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30 Si трансмутировалась в атомы фосфора 30 P , создав допированную проводимость n- типа. Традиционно такое допирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения - иногда и лучше 3%.

А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70-х

Для этого слиток чистого монокристаллического кремния помещают в ядерный реактор, по возможности заэкранировав от гамма-излучения и быстрых нейтронов, которые портят структуру кристалла. Для стандартного значения нейтронного потока в исследовательских реакторах (от 10 12 до 10 14 нейтрон на см 2 в секунду) требуется от пары часов до суток облучения что бы получить заданную проводимость кристалла кремния. При этом допирование происходит по реакции 30 Si + n -> 31 Si -> 30 P (период полураспада 2.6 часа), и полученный кремний необходимо выдержать пару суток, что бы его радиоактивность упала до безопасных уровней.

Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК

Во время облучения слиток вращают и перемещают вверх-вниз для равномерной засветки нейтронами. Кроме того на некоторых мощных реакторах применяется профилирующий поглотитель из кадмия или бора, который дополнительно выравнивает осевую неравномерность потока нейтронов.

Впрочем, сегодня существуют неядерные методы допирования кремния, которые позволяют получить почти ядерное качество, и они вытесняют ЯЛК из области 600-1600 вольт, где раньше так же применялся только ядерный кремний. Однако напряжения выше все равно не подвластны химическим методам, а в рамках общего тренда повышения удельной мощности напряжения силовой электроники постоянно ползут вверх, так что место для ЯЛК кремния есть.

Разные технологии получения допированных кремниевых пластин (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ и ядерный FZ-NTD) ориентированы на разные ниши, в т.ч. по напряжению, картинка от ведущего производителя кремния Topsil

Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и JHR .

Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.

Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.

Владельцы патента RU 2262773:

Использование: для легирования кремния фосфором с использованием твердого источника легирующего вещества. Сущность изобретения: способ легирования кремниевой пластины включает размещение кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, и последующее окисление легированной кремниевой пластины влажным кислородом или пирогенным паром при второй температуре, более низкой, чем первая температура. Кремниевую пластину удерживают в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Температуры выбирают так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Техническим результатом изобретения является разработка способа легирования кремниевой пластины с использованием твердого источника фосфорного легирующего вещества, в котором легированную пластину окисляют, пока она находится в непосредственной близости к твердому источнику при сохранении эксплуатационной долговечности источника, а также разработка способа получения оксидного слоя достаточной толщины на легированной фосфором кремниевой пластине при более низкой температуре и без чрезмерно длительного времени окисления. 5 н. и 39 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Уровень изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к способам легирования кремниевой пластины фосфором и последующего выращивания оксида на легированной кремниевой пластине. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу легирования кремниевой пластины фосфором с использованием твердого источника легирующего вещества, а затем выращивания оксидного слоя на поверхности легированной кремниевой пластины в пирогенном паре или в среде влажного кислорода в присутствии твердого источника фосфора с целью проведения окисления in situ поверхности легированного кремния. В данном случае понятие "окисление in situ" означает окисление легированного кремния в присутствии твердых источников легирующего вещества.

Существует несколько обычных способов легирования кремниевых пластин. В одном из этих способов кремниевую пластину вначале легируют при высокой температуре, обычно в интервале приблизительно от 950 до 1150°С, с использованием оксихлорида фосфора (POCl 3) или фосфина (РН 3). Газообразные POCl 3 или РН 3 подают в диффузионную трубку с помощью азота, содержащего немного кислорода. Это приводит к осаждению оксида фосфора на поверхности кремния. Затем оксид фосфора реагирует с поверхностью кремния с образованием элементарного фосфора, который, в свою очередь, диффундирует на регулируемую глубину в пределах кремниевой пластины. Сразу после осаждения имеет место окисление паром легированной кремниевой пластины, обычно при температуре около температуры осаждения, в течение приблизительно 30-60 минут с целью выращивания желаемого оксида. Обычно концентрация и глубина продиффудировавшего фосфора в пределах кремниевой пластины пропорциональна времени и температуре всего процесса осаждения. Толщина полученного оксидного слоя, сформированного на поверхности кремниевой пластины в процессе окисления паром, пропорциональна времени и температуре в паре.

Имеется ряд трудностей, связанных с использованием POCl 3 или РН 3 . К ним относятся неоднородность легирования кремниевых пластин большого диаметра (так как легирующий газ не может легко проходить между кремниевыми пластинами), образование частиц в диффузионной трубке, которые вызывают повреждение кремния, токсичность и коррозионная активность газов, а также другие трудности при работе.

Твердые источники легирующего вещества, которые выделяют пятиокись фосфора (P 2 O 5) при нагревании, такие как источники, описанные в патенте США №3998668 (Florence et al.), были разработаны с целью преодоления некоторых проблем, связанных с газообразными легирующими веществами. P 2 O 5 осаждается на кремниевых пластинах во время стадии осаждения. В патентах США №№4175988 и 4141738 (Rapp), содержание которых введено в данное описание в качестве ссылок, приведены примеры твердых источников легирующего вещества и способы использования твердых источников легирующего вещества для легирования кремниевой пластины.

Один из способов легирования кремниевых пластин с использованием твердых источников легирующего вещества включает легирование кремниевой пластины приблизительно при 1050°С, после чего следует окисление in situ сухим кислородом приблизительно при той же температуре. Во время стадии осаждения кремниевые пластины помещают так, чтобы их поверхности были параллельны и находились в непосредственной близости с поверхностями примыкающих твердых источников легирующего вещества, например в кассете твердого источника легирующего вещества. Твердые источники легирующего вещества и кремниевые пластины вставляют в диффузионную трубку и нагревают до температуры осаждения в атмосфере азота с использованием обычной технологии постепенного изменения параметров печи. Окисление легированных кремниевых пластин может быть проведено in situ при температурах около 1050°С, так как сухой кислород не меняет скорости выделения источника.

Когда кремниевые пластины легируют с использованием твердых источников легирующего вещества с последующим окислением с помощью сухого кислорода, требуется намного больше времени, чтобы получить желаемую толщину оксида, так как кислород окисляет кремний медленнее, чем пар. Такое более длительное время окисления приблизительно при 1050°С также приводит к избыточной диффузии фосфора в кремниевую пластину. Если желаемый переход (спай) является не очень глубоким, дополнительное время приводит к слишком глубокому переходу и часто разрушает устройство, которое должно быть изготовлено.

Другой способ легирования кремния с использованием твердых источников легирующего вещества включает легирование кремниевых пластин приблизительно при 1050°С, удаление кремниевых пластин от непосредственной близости к твердым источникам легирующего вещества и окисление кремниевых пластин паром. После осаждения кремниевые пластины удаляют из кассеты (от непосредственной близости к твердым источникам легирующего вещества) и снова вносят в диффузионную печь для окисления паром. Отдельное окисление паром может быть осуществлено при температурах, близких к температурам первого способа, описанного выше, с целью наращивания желаемого оксида. При окислении паром твердые источники легирующего вещества должны быть отделены от кремниевых пластин, так как влага при высоких температурах вызывает более быстрое выделение Р 2 O 5 из источника. Этот способ дает удовлетворительные результаты, но требует временных затрат и намного больше работы оператора. Кроме того, гигроскопичная кремниевая поверхность, содержащая P 2 O 5 , подвергается воздействию влажного комнатного воздуха, который может вызывать повреждение поверхности кремния.

Толщина оксидного слоя, требуемого на кремниевой пластине, может меняться в зависимости от назначения от нескольких сотен ангстрем () до 20000 или более. В большинстве случаев при эмиттерной диффузии толщина оксида будет находиться в интервале приблизительно 1500-6000 и предпочтительно в интервале приблизительно 2000-5000 . Обычная эмиттерная диффузия требует толщины оксида приблизительно 4300-5000 . Оксидные слои предпочтительной толщины для эмиттерной диффузии обычно нарастают при температуре осаждения или около этой температуры, которая обычно находится в интервале приблизительно 950-1050°С. Приемлемые поверхностные удельные сопротивления слоев в случае эмиттерных диффузий обычно находятся в интервале приблизительно 5,35-6,15 Ом/квадрат, но также могут достигать приблизительно до 15 Ом/квадрат или быть ниже приблизительно 1 Ом/квадрат. Например, температуру осаждения и время, равные приблизительно 1025°С и 60 минут, используют для биполярных транзисторов, чтобы получить поверхностные удельные сопротивления слоев приблизительно 5 Ом/квадрат.

Цель настоящего изобретения состоит в разработке способа легирования кремниевой пластины с использованием твердого источника фосфорного легирующего вещества, в котором легированную пластину окисляют, пока она находится в непосредственной близости к твердому источнику in situ при сохранении эксплуатационной долговечности источника.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа получения оксидного слоя достаточной толщины на легированной фосфором кремниевой пластине при более низкой температуре, чем в обычных способах окисления без чрезмерно длительного времени окисления, и в особенности способа получения оксидного слоя любой желаемой толщины за счет выбора подходящего времени мокрого окисления при более низкой температуре.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа окисления легированной фосфором кремниевой пластины, который поддерживает диффузию фосфора в кремний при глубине, сравнимой с глубиной, наблюдаемой при использовании методов легирования, например, помощью POCl 3 или РН 3 , которые используют обычные способы мокрого окисления при повышенных температурах.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа легирования и окисления кремниевой пластины, который уменьшает манипулирование с кремниевыми пластинами и воздействие на кремниевые пластины влажного комнатного воздуха по сравнению с обычными способами мокрого окисления с использованием твердых источников легирующего вещества.

Эти и другие цели настоящего изобретения станут понятны из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и чертежей.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение преодолевает проблемы, связанные с обычными методами легирования твердыми источниками. Способ дает возможность легировать кремниевые пластины с помощью твердых источников фосфорного легирующего вещества, после чего следует окисление паром легированных кремниевых пластин без предварительного удаления пластин из диффузионной печи и без резкого уменьшения долговечности твердых источников легирующего вещества.

Способ настоящего изобретения включает размещение кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, окисление легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживание кремниевой пластины в пространственном отношении с твердым источником фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Первая и вторая температуры выбраны так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет Р 2 О 5 при первой температуре, а вторая температура достаточно ниже, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С и в особенности находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

В настоящем способе стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества может включать размещение кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества, причем кремниевая пластина удерживается в этом положении во время стадии окисления. Температуры выбирают так, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

Способ также может включать стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром, где окисление влажным кислородом представляет собой окисление кислородом, барботируемым через деионизированную воду. Способ также может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах, причем твердый источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия (Al(РО 3) 3), источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента (Ln(РО 3) 3 , где Ln относится к редкоземельному элементу) и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента (LnP 5 O 14).

Способ изобретения может включать стадию удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества для парофазного осаждения P 2 O 5 в парофазном взаимодействии при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины, и затем окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара, при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину, причем вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить скорость выделения P 2 О 5 из твердого источника легирующего вещества, тогда как кремниевую пластину поддерживают в народном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С. Например, стадия окисления может быть проведена приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 часов для формирования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 . Способ может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Изобретение также предлагает способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества в непосредственной близости для парофазного осаждения Р 2 О 5 при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины, окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара, при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура, которая выбрана так, чтобы она была достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы существенно понизить выделение Р 2 О 5 , из твердого источника легирующего вещества, может находиться в интерзале приблизительно от 600 до 900°С.

Стадия окисления может быть проведена при второй температуре в течение времени, достаточного для формирования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя заранее установленной толщины, например приблизительно 4000 . Способ также может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высокой температуре, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Способ легирования кремниевой пластины может включать стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, окисления легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Температуры выбраны так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С, и в особенности находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

Описанный выше способ может включать одну или несколько стадий удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления и выбора метода влажного окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром. Температуры выбирают так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Способ дополнительно может включать стадию выбора твердого легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Кроме того, изобретение предлагает способ выращивания оксидного слоя на кремниевой пластине, включающий стадию мокрого окисления легированной кремниевой пластины при температуре, достаточной для значительного понижения скорости выделения P 2 O 5 твердым источником фосфорного легирующего вещества, удерживаемым в парофазном взаимодействии с кремниевой пластиной во время стадии мокрого окисления. Температура мокрого окисления может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С, и предпочтительно находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Стадия мокрого окисления может включать воздействие на легированную кремниевую пластину окисляющего агента, выбранного из влажного кислорода и пирогенного пара.

Способ может включать стадию выбора температуры и времени мокрого окисления, достаточных для образования на поверхности легированной кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину. Температура мокрого окисления может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Например, стадия мокрого окисления может быть проведена приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 час. Способ также может включать стадию получения легированной кремниевой пластины путем нагревания кремниевой пластины в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества. Твердый источник легирующего вещества может быть выбран из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Эти и другие объекты изобретения станут понятны из приведенного ниже подробного описания изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой график, показывающий зависимость толщины стеклянной пленки от времени в паре при выбранных температурах мокрого окисления.

Фиг.2А представляет собой график, показывающий зависимость равномерности толщины стеклянной пленки на кремниевой пластине от времени в паре при различных температурах окисления.

Фиг.2В представляет собой подробный вид графика на фиг.2А, показывающий равномерность толщины стеклянной пленки на кремниевой пластине в зависимости от времени в паре при различных температурах мокрого окисления для равномерности от нуля до 10%.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий зависимость поверхностного удельного сопротивления слоя относительно времени в паре для выбранных температур мокрого окисления.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий зависимость среднего совокупного процента потери веса от времени воздействия паром на источник легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при различных температурах.

Фиг.5 представляет собой график зависимости степени потери веса P 2 O 5 из источника легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при мокром окислении от температуры.

Подробное описание предпочтительного(ых) варианта(ов) осуществления изобретения

Настоящее изобретение предлагает способ легирования кремниевых пластин, включающий последующее мокрое окисление или окисление пирогенным паром кремниевых пластин in situ. Способ дает возможность оставлять кремниевые пластины в непосредственной близости (например, в парофазном взаимодействии) с твердыми источниками легирующего вещества в диффузионной трубке во время стадии окисления без быстрого падения эксплуатационной долговечности твердого источника фосфорного легирующего вещества.

Способ требует, чтобы стадии легирования и окисления были проведены при различных технологических условиях. Стадию легирования проводят при высокой температуре, например приблизительно при 1050°С, в сухом азоте по возможности с низким количеством кислорода. Паровое или мокрое окисление проводят при более низкой температуре, например при 775°С. При таких условиях скорость выделения Р 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества значительно уменьшается в сравнении со скоростью выделения, ожидаемой при мокром окислении или окислении пирогенным паром при более высокой температуре легирования. Тщательный выбор температуры окисления приводит к скорости выделения P 2 O 5 при низкой температуре, которая приближается к скорости выделения P 2 O 5 при более высокой температуре легирования в азоте. Кремниевая пластина, следовательно, может быть окислена с помощью влажного кислорода или пирогенным паром в присутствии твердого источника легирующего вещества без быстрой потери фосфора в твердом источнике легирующего вещества. Настоящий способ также уменьшает время обработки и действия оператора за счет исключения стадий постепенного доведения печи до температуры вставки, извлечения легированных кремниевых пластин из диффузионной кассеты и постепенного доведения температуры снова до температуры окисления.

В способе настоящего изобретения кремниевые пластины обычно размещают по соседству и по существу параллельно твердому источнику фосфорного легирующего вещества в диффузионной кассете. Могут быть использованы диффузионные кассеты различной конструкции, хотя обычно предпочтительной является четырехбортовая кварцевая кассета со стандартными затворами и консольными системами, совместимая с автоматизированными системами транспортировки. Расстояние между кремниевой поверхностью и поверхностью источника предпочтительно является постоянным и находится в интервале приблизительно 0,06-0,10 дюймов. Щели для источников предпочтительно приблизительно на 0,01 дюйма шире, чем их толщина. Источники должны быть установлены в кассете свободно с возможностью для расширения, по меньшей мере, 0,01 на дюйм диаметра.

Твердый источник легирующего вещества может быть выбран из источников легирующего вещества, изготовленных из метафосфата алюминия, метафосфата редкоземельного элемента, пентафосфата редкоземельного элемента (в том числе LaZrP 3)

или других подходящих композиций легирующего вещества. Хотя превосходные результаты получают, когда используется, по меньшей мере, три источника легирующего вещества на кассету, при обычном производстве полупроводников может быть использовано от 50 до 100 или более источников.

Предпочтительно для легирования или цикла осаждения используется обычная технология постепенного изменения параметров печи. Она включает медленную вставку кассеты, содержащей кремниевые пластины и источники легирующего вещества, в диффузионную трубку при температуре ниже приблизительно 800°С и, по меньшей мере, на 100°С меньше, чем температура осаждения. Предпочтительно скорость вставки составляет не более чем 4 дюйма в минуту для источников диаметром 100 мм. Более медленная скорость вставки предпочтительна для источников с большим диаметром вследствие большей массы вводимого материала.

После того как печь и кассета достигают термического равновесия, печь доводят до температуры осаждения. Температура осаждения предпочтительно находится в интервале приблизительно от 950 до 1150°С, наиболее предпочтительно равна 1025°С, хотя она может меняться в зависимости от применения. Стадию осаждения обычно проводят в атмосфера азота и/или аргона, хотя могут быть использованы небольшие количества кислорода при температурах осаждения свыше приблизительно 1000°С. Предпочтительная концентрация кислорода составляет менее чем приблизительно 1%, хотя приблизительно до 5% кислорода может быть использовано при температурах осаждения свыше приблизительно 1100°С.

Скорость потока газа во время осаждения зависит преимущественно от диффузионного оборудования, например от размера трубки и закрывающего устройства. Скорость потока должна быть, по меньшей мере, достаточно высокой, чтобы предупредить обратное протекание комнатного воздуха через диффузионную трубку. Скорости потока, находящиеся в интервале приблизительно от 2 до 15 литров/мин, успешно используются в диффузионных трубках диаметром 135 мм, причем предпочтительными являются скорости потока 3-7 литров/мин.

Стадию легирования проводят при температуре осаждения в течение времени, достаточного для нанесения на кремниевую пластину фосфорсодержащего слоя, который будет диффундировать на желаемую глубину в кремниевую пластину в пределах разумного времени. Время осаждения может меняться в зависимости от температуры осаждения и других факторов, также известных в данной области. Например, время осаждения в случае легирования кремниевой пластины с помощью твердого источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия приблизительно при 1050°С может составлять приблизительно 30-60 минут с получением поверхностного удельного сопротивления слоя приблизительно 4-5 Ом/квадрат.

Температуру печи постепенно снижают, чтобы охладить кремниевые пластины и источники при подготовке для окисления паром, и в печь вводят окисляющий агент. Окисляющий агент может быть выбран из пирогенного пара (например, пара, полученного от сжигания водорода кислородом) и влажного кислорода (например, кислорода, пропущенного через деионизированную воду с температурой приблизительно 95°С). Окисление легированной кремниевой пластины влажным кислородом или пирогенным паром называют "мокрым окислением". "Влажный кислород" представляет собой кислород, барботируемый через деионизированную воду, поддерживаемую при подходящей температуре, например при 95°С, или полученный любым другим подходящим способом.

Легированные кремниевые пластины окисляют при второй температуре, более низкой, чем температура осаждения. Температура мокрого окисления должна быть достаточно высокой, чтобы сохранить время окисления как можно более коротким, и достаточно низкой, чтобы удержать P 2 O 5 от выделения из фосфорного источника со слишком высокой скоростью. Чем быстрее выделяется P 2 O 5 из источника в паре, тем быстрее источник становится истощенным. Твердый источник фосфорного легирующего вещества может оставаться в диффузионной трубке в непосредственной близости к кремниевой пластине во время стадии окисления, так как вторая температура является значительно более низкой, чем первая температура, чтобы понизить скорость выделения P 2 O 5 до приемлемого уровня.

Кремниевые пластины, легированные с помощью источника легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при 1050°С в течение 45 минут, могут быть окислены влажным кислородом при 775°С в течение приблизительно 1-3 час при скорости потока, по меньшей мере, приблизительно 1 литр/мин. Полагают, что несколько более высокие скорости потока будут приводить к более равномерному окислению кремниевых пластин от верха до низа. Когда окисление завершается, подачу окисляющего агента в печь прекращают, температуру печи постепенно уменьшают до температуры в интервале температуры вставки и кассету медленно вытягивают из печи. Окисление может быть проведено при температуре и в течение времени, достаточных для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего желаемую толщину, например 2000 или 4000 .

Более низкая температура окисления настоящего изобретения также означает, что дополнительная диффузия фосфора в кремний является очень небольшой по сравнению с диффузией при или около высокой температуры легирования обычных (сухим кислородом) способов окисления при повышенных температурах. Манипулирование с пластинами уменьшается с помощью способа настоящего изобретения по сравнению с обычными способами мокрого окисления, так как мокрое окисление осуществляется in situ. Настоящий способ также исключает влияние влажности комнатного воздуха в промежутке между легированием и окислением.

Кремниевые пластины, легированные и окисленные с использованием настоящего способа, как установлено, имеют поверхностные удельные сопротивления слоев в интервале приблизительно 5-7 Ом/квадрат и толщину стеклянной (оксидной) пленки в интервале приблизительно 4000-5000 . Например, кремниевые пластины, легированные с помощью источника легирующего вещества PhosPlus® ТР-470 при 1050°С в течение 45 минут и окисленные во влажном кислороде (барботируемом через деионизированную воду с температурой 95°С) при 775°С в течение 3 часов, имеют поверхностное удельное сопротивлениеслоя приблизительно 5,7 Ом/квадрат и толщину оксида приблизительно 4000 . Твердые источники легирующего вещества продолжают выделять P 2 O 5 обычно приблизительно при 1050°С после мокрого окисления при 775°С. Испытание было проведено несколько раз с аналогичными результатами. Следовательно, способ изобретения способен обеспечивать приемлемую толщину стеклянной пленки и приемлемое поверхностное удельное сопротивление слоя без удаления твердых источников легирующего вещества из диффузионной трубки во время стадии мокрого окисления и без резкого снижения эксплуатационной долговечности твердых источников легирующего вещества.

Кремниевые пластины (диаметр 100 мм, 5-20 Ом и бор 111-р-типа) легируют с помощью плоских источников легирующего вещества диаметром 100 мм PhosPlus® TP-470, содержащих высокий процент метафосфата алюминия, и окисляют с использованием следующего цикла:

Вставляют кассету в диффузионную трубку со скоростью 3,0 дюйм/мин при 700°С;

Изменяют температуру со скоростью 5°С/мин до 1050°С и выдерживают 30 мин в токе N 2 ;

Изменяют температуру со скоростью 5°С/мин до температуры мокрого окисления, X;

Выдерживают при температуре окисления в течение времени, Y;

Меняют температуру со скоростью 5°С/мин до 700°С;

Вытягивают кассету из диффузионной трубки со скоростью 3,0 дюйм/мин.

Проверены температуры влажного окисления (X) 700, 750, 775, 800 и 1000°С и время влажного окисления (Y) в интервале от 1 до 3 часов. Во время стадии мокрого окисления кислород барботируют через деионизированную воду, поддерживаемую при 95°С. Для каждой температуры окисления используют новый комплект источников. Каждый комплект источников до использования выдерживают приблизительно 12 час в N 2 с приблизительно 25% O 2 .

Измерения потери веса источников проводят с использованием аналоговых весов. Толщину осажденной стеклянной пленки измеряют с использованием эллипсометра Гартнера (Gaertner). Поверхностные удельные сопротивления слоев измеряют на пластинах, предварительно протравленных в HF 10:1 с использованием стандартного четырехточечного зонда.

Источники выдерживают при каждой температуре окисления во влажном кислороде в течение определенного времени с целью оценки скорости истощения P 2 O 5 из твердого источника путем измерения потери веса твердых источников. Измерения потери веса показывают, что фосфор теряется со скоростью менее чем 0,01%/час в азоте при 1050°С (см. фиг.4). Когда газ меняют на влажный кислород, скорость повышается до более чем 0,7%/час при 1000°С. Скорость выделения во влажном кислороде понижается значительно по мере снижения температуры мокрого окисления от 1000°С и достигает скорости в сухом азоте, когда температура окисления достигает приблизительно 630°С (см. фиг.5).

Толщина стеклянной пленки в зависимости времени мокрого окисления после легирования при 1050°С в течение 30 мин представлена на фиг.1 для каждой температуры мокрого окисления. Толщина осажденной стеклянной пленки, как установлено, растет со временем окисления во влажном кислороде для фиксированной температуры, а также при повышенной температуре при фиксированном времени. Способ настоящего изобретения, таким образом, позволяет получить оксидный слой любой желаемой толщины на поверхности кремниевой пластины за счет выбора соответствующих температуры и времени мокрого окисления.

В этом случае желаемая толщина стеклянной пленки приблизительно 4000 достигается при использовании температуры осаждения 1050°С в азоте в течение 30 мин с последующим мокрым окислением в течение приблизительно 2 час при 800°С. Как правило, обычно предпочтительны более низкие температуры окисления, приблизительно 775°С.

С целью повышения равномерности поверхностного удельного сопротивления слоя температуру мокрого окисления понизили от 800 до 775°С и время окисления увеличили приблизительно с 2 до 3 час. Как показано на фиг.1, такие изменения приводят к желаемой толщине стеклянной пленки приблизительно 4000 . Как показано на фиг.2А и 2В, равномерность поверхностного удельного сопротивления слоя улучшается значительно. Даже после 11 часов в паре при 775°С полученная равномерность легированных кремниевых пластин падает в пределах 2% (наиболее отчетливо видно на фиг.2А). Это справедливо для всех опытов мокрого окисления, проведенных при температурах ниже 775°С.

На фиг.3 представлен график зависимости поверхностных удельных сопротивлений слоев от времени в паре для каждой температуры мокрого окисления. Мокрое окисление при 775°С дает средние значения поверхностного удельного сопротивления слоя между 5 и 6 Ом/квадрат, что находится в пределах, предпочтительных для некоторых эмиттерных диффузий.

Время влажного окисления приблизительно 5 час при 775°С, как установлено, приводит к стеклянным пленкам с толщиной свыше приблизительно 5100 . Однако более толстая стеклянная пленка достигается за счет поверхностного удельного сопротивления слоя (в интервале приблизительно 6,3 Ом/квадрат). Более высокое поверхностное удельное сопротивление слоя, как полагают, является результатом окисления большего количества фосфорсодержащего кремния, что уменьшает количество активного фосфора, находящегося выше р/n электронно-дырочного перехода. Полагают, что увеличение времени осаждения при 1050°С с последующим мокрым окислением приблизительно при 775°С при описанных выше условиях может позволить получить толстый оксидный слой, все еще сохраняющий приемлемую равномерность.

Последние испытания подтверждают, что твердые источники легирующего вещества, отличные от источников легирующего вещества PhosPlus ® ТР-470, содержащих высокий процент метафосфата алюминия, также могут быть эффективно использованы в способе настоящего изобретения. Как описано ниже, источники на основе метафосфата редкоземельных элементов могут быть использованы в способе настоящего изобретения. Источник легирующего вещества на основе метафосфата лантана (La(РО 3) 3 получают путем обжига трех 100 мм источников легирующего вещества PhosPlus ® TP-250 (главным образом пентафосфат лантана, LaP 3 O 14) при 975°С в течение приблизительно 16 часов, а затем приблизительно при 1050°С в течение дополнительных двух часов. Аналогичные обжиги проводят с источниками диаметром 2 дюйма на основе пентафосфата неодима (NdP 5 O 14) и пентафосфата гадолиния (GdP 5 O 14), чтобы превратить их в соответствующие метафосфаты (Nd(PO 3) 3 и (Gd(PO 3) 3). Испытания также проведены с использованием источников диаметром 2 дюйма на основе метафосфата эрбия (Er(РО 3) 3) и метафосфата празеодима (Pr(РО 3) 3), которые, как полагают, находятся в форме метафосфата, исходя из данных по потере веса, полученных во время предварительного обжига.

Указанные выше источники на основе метафосфата редкоземельных металлов взвешивают до и после выдерживания в N 2 приблизительно при 1050°С (1100°С для источника на основе Er(РО 3) 3) с целью определения скорости потери веса. Затем их взвешивают до и после выдерживания во влажном кислороде (кислород, пропущенный через деионизированную воду с температурой 95°С), чтобы получить другую скорость потери веса. Рассчитывают отношения потери веса (г/час/кв.дюйм площади поверхности) во влажном кислороде при 775°С к потере веса в азоте при 1050°С (1100°С для Er-источника) с целью определения влияния влажного кислорода на скорость выделения P 2 O 5 . Результаты этих испытаний представлены в таблице 1.

Отношения потерь весов находятся в интервале от 5 до 28, причем источники легирующего вещества, имеющие более низкие отношения, более вероятно работают удовлетворительно при использовании в настоящем изобретении. Исходя из этих ограниченных испытаний источники на основе метафосфатов Er, Nd, Pr и Gd менее устойчивы к влажному кислороду, чем источник на основе метафосфата алюминия (отношение потерь весов приблизительно 5,0), а источник на основе метафосфата лантана имеет приблизительно такую же устойчивость к влажному кислороду.

Каждый источник используют для легирования кремниевых пластин при 1050°С в течение 45 мин в N 2 , чтобы оценить поверхностные удельные сопротивления слоев и толщину осажденной стеклянной пленки. Источники затем используют для легирования кремния при 1050°С в течение 45 мин с последующим окислением при 775°С в течение 3 час во влажном кислороде с целью получения поверхностных удельных сопротивлений слоев и толщины пленки окисленной поверхности кремния. И, наконец, источники используют для легирования кремния еще раз в азоте при 1050°С в течение 45 мин, чтобы определить, как толщина осажденной пленки меняется в результате воздействия на источник влажным кислородом. Результаты этих испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2
	La	Nd	Gd	Er*	Pr
R s , Ом/квадрат (опыт легирования в N 2 при 1050°С в течение 45 мин до Н 2 О)в	3,1	4,1	6,2	5,0	4,8
t, (опыт легирования в N 2 при 1050°С в течение 45 мин до H 2 O)	˜600	740	470	550	590
R s , Ом/квадрат (опыт легирования в N 2 при 1050°С в течение 45 мин после Н 2 О)	6,9	4,8	5,1	5,8	5,4
t, (опыт легирования в N 2 при 1050°С в течение 45 мин после Н 2 O)	470	600	570	480	550
R s , Ом/квадрат (опыт	4,7	5,2	7,0	6,9	6,1
легирования в N 2 при 1050°С в течение 45 мин, затем влажный O 2 при 775°С в течение 3 час)		6,1
t, (опыт легирования в N 2 при	4190	3850	3820	3895	4025
1050°С в течение 45 мин, затем влажный O 2 при 775°С в течение 3 час)		3990

Как показано в таблице 2, толщина осажденной стеклянной пленки при легировании в N 2 для всех источников в среднем составляет приблизительно 590 . Средняя толщина пленки при легировании в N 2 после того, как источники были использованы во влажном кислороде, составляет приблизительно 530 . Уменьшение толщины пленки на 60 считается небольшим и показывает, что источники легирующего вещества продолжают эффективно легировать кремний даже после выдерживания их во влажном кислороде в течение 3-6 часов.

Измеренные поверхностные удельные сопротивления слоев находятся в интервале приблизительно 5-6 Ом/квадрат. Такие поверхностные удельные сопротивления находятся в интервале, ожидаемом для осаждения при 1050°С в течение 45 мин с помощью одного источника. (Когда для легирования кремния используется только один источник, поверхностное удельное сопротивление слоя обычно является более высоким, чем при использовании трех или более источников).

Все кремниевые пластины наращивают приблизительно одинаковое количество стекла по время осаждения при 1050°С в течение 45 мин при последующих 3 часах во влажном кислороде при 775°С. Средняя толщина пленки составляет 3960 . Поверхностные удельные сопротивления слоев легированных и окисленных кремниевых пластин составляют приблизительно 6 Ом/квадрат, что также находится в пределах интервала, ожидаемого в случае использования одного источника легирующего вещества. Такие экспериментальные данные показывают, что легирование источниками на основе метафосфата редкоземельного элемента в сухом азоте и окисление при низкой температуре во влажном кислороде в случае источников на основе метафосфата редкоземельного металла дает результаты, аналогичные результатам, полученным для источника на основе метафосфата алюминия.

Изобретение также предлагает способ быстрого окисления кремниевой пластины. Обычно толщина оксида на нелегированной кремниевой пластине после 3 часов в паре при 775°С должна бы быть менее чем 1000 . Когда окисление проводят во влажном кислороде или в пирогенном паре при 775°С после легирования приблизительно при 1050°С, толщина оксида может повышаться приблизительно до 4000 в течение такого же времени окисления. Так как поверхность кремния сильно легирована фосфором (активным и неактивным), скорость окисления является очень высокой при низких температурах, что укорачивает необходимое время окисления по сравнению с окислением нелегированной поверхности. Такая высокая скорость окисления также могла бы иметь место при легировании газом, но опубликованные данные, например S. Wolf, R. Tauber, Silicon Processing for the VLSIEra (Lattice Press 1986), Vol.1, p.214, как оказывается, не указывают на такую же повышенную скорость окисления, как в случае кремния, который был легирован с помощью твердого источника.

Без претензии на какую-либо теорию можно полагать, что такое значительное повышение скорости окисления при 775°С может быть частично приписано повышенной скорости окисления легированной фосфором поверхности кремния. Быстрое повышение скорости окисления также частично может быть связано с электрически неактивным фосфором, часто присутствующим в поверхности кремниевых пластин, которые были легированы в более высокотемпературном цикле осаждения.

Настоящее изобретение описано на примере способа, который дает практические результаты при проведении в определенных условиях. Другие температуры осаждения, температуры окисления и другие реакционные условия, как ожидают, дают ряд поверхностных удельных сопротивлений слоев и толщины оксида.

По всему данному описанию, когда интервал условий или группа веществ определены относительно конкретных характеристик (например, температура, давление, время и т.д.) настоящего изобретения, то настоящее изобретение относится к каждому конкретному элементу и комбинации подинтервалов и подгрупп и в прямой форме включает каждый конкретный элемент и комбинацию подинтервалов или подгрупп. Любой конкретный интервал или группу следует понимать как стенографический путь отнесения к каждому элементу интервала или группе отдельно, а также как к каждому возможному подинтервалу или подгруппе, охватываемым ими; и аналогично для любых подинтервалов и подгрупп.

Хотя конкретный вариант осуществления изобретения описан подробно, следует понимать, что квалифицированными специалистами могут быть осуществлены другие варианты без отступления от сути изобретения или объема прилагаемой формулы изобретения.

1. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины; окисления легированной кремниевой пластины способом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

3. Способ по п.2, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С.

4. Способ по п.3, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий стадии выбора первой температуры, достаточной для того, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 ; выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

6. Способ по п.5, в котором вторая температура меньше или равна приблизительно 900°С.

7. Способ по п.6, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

8. Способ по п.1, в котором стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества также включает стадию размещения кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества.

9. Способ по п.1, который дополнительно включает стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

11. Способ по п.10, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

12. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром.

13. Способ по п.12, в котором окисление влажным кислородом включает окисление кислородом, барботированным через деионизированную воду.

14. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах.

15. Способ по п.14, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

16. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества для парофазного осаждения P 2 O 5 в парофазном взаимодействии при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину, причем вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы понизить скорость выделения P 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества, пока кремниевая пластина удерживается в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества во время стадии окисления.

17. Способ по п.16, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

18. Способ по п.17, в котором стадию окисления проводят приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 ч с образованием на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 Å.

19. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

20. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества в непосредственной близости для парофазного осаждения P 2 O 5 при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости n-типа на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара при второй температуре, причем вторая температура ниже, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

21. Способ по п.20, дополнительно включающий стадию выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы значительно уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества во время стадии окисления.

22. Способ по п.21, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

23. Способ по п.21, в котором стадию окисления проводят при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на кремниевой пластине оксидного слоя заранее установленной толщины.

24. Способ по п.23, в котором стадию окисления проводят при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 Å.

25. Способ по п.20, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высокой температуре, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

26. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

27. Способ по п.26, который дополнительно включает стадии выбора первой температуры, достаточной для того, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 во время стадии осаждения и выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

28. Способ по п.27, в котором вторая температура меньше или равна приблизительно 900°С.

29. Способ по п.28, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

30. Способ по п.26, в котором стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества дополнительно включает стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества.

31. Способ по п.26, дополнительно включающий стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром.

32. Способ по п.31, дополнительно включающий стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

33. Способ по п.32, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

34. Способ по п.33, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

35. Способ по п.26, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

36. Способ выращивания оксидного слоя на кремниевой пластине, включающий стадию мокрого окисления легированной кремниевой пластины при температуре, достаточной, чтобы существенно понизить скорость выделения Р 2 О 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества, удерживаемого в парофазном взаимодействии с кремниевой пластиной во время стадии мокрого окисления.

37. Способ по п.36, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С.

38. Способ по п.37, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

39. Способ по п.36, в котором стадия мокрого окисления дополнительно включает стадию воздействия на легированную кремниевую пластину окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара.

40. Способ по п.36, дополнительно включающий стадию выбора температуры и времени для стадии мокрого окисления, достаточных для образования на поверхности легированной кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину.

41. Способ по п.40, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

42. Способ по п.41, в котором стадию мокрого окисления проводят приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 ч.

43. Способ по п.36, дополнительно включающий стадию получения легированной кремниевой пластины путем нагревания кремниевой пластины в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества.

44. Способ по п.43, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих элементов микромеханических датчиков, например подвесов чувствительных маятниковых элементов интегральных акселерометров.

Изобретение относится к технологии изготовления оптоэлектронных приборов, в частности солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ)

Способ легирования кремния фосфором и выращивания оксида на кремнии в присутствии пара

Чистый беспримесный полупроводник - исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный -переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т. д.

Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т. е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью - один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния.

Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при

Рис. 17.19. Зонное выравнивание монокристалла

обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания (см. рис. 17.16). Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания со временем несколько снижают. Это приводит к снижению К и обеспечивает постоянство легирующей присадки в растущем монокристалле.

ТАБЛИЦА 17.7. Свойства чистого и легированного германия и кремния

Метод зонного выравнивания (рис. 17.19) применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине.

Очищенный монокристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь.

Из формулы (17.3) следует, что постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала. При большом значении К (см. рис. 17.19) расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле.

Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электрического сопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину Измеренные параметры указывают в марках легированных полупроводников.

Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 17.7. Первая цифра в марке указывает значение электрического сопротивления, а вторая - диффузионную длину L.

Для получения -переходов используют диффузионный или сплавно-диффузионный

методы и ионное легирование в тлеющем разряде.

При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси - фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора.

На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).

Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет его использовать в серийном производстве. Кроме этого, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с -проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает -переход (рис. 17.20). Меняя температуру процесса и время выдержки, можно получать -переход на любой глубине.

Рис. 17.20. Образование -перехода путем диффузии сурьмы в германии -типа

Рис. 17.21. Образование -переходов путем диффузии сурьмы и галлия в германий -типа

Метод диффузии позволяет получать сразу несколько -переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную и акцепторную примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее. На рис. 17.21 показана диффузия в дырочный германий акцепторной и донорной примесей. Скорость диффузии донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном -слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около -перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора. Этих недостатков лишен -переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффузионным методом.

При сплавно-диффузионном методе на пластину германия с -проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор)

Рис. 17.22. Схема образования -переходов в германии при сплавно-диффузионном методе

Английский физик Майкл Фарадей, выросший в бедной семье, стал одним из величайших ученых в истории человечества. Его выдающиеся достижения были сделаны в то время, когда наука являлась уделом людей, рожденных в привилегированных семействах. В его честь названа единица электрической емкости - фарад.

Фарадей (физик): краткая биография

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в столице Великобритании Лондоне. Он был третьим ребенком в семье Джеймса и Маргарет Фарадеев. Его отец был кузнецом, который имел слабое здоровье. До брака его мать работала служанкой. Семья жила бедно.

До 13 лет Майкл посещал местную школу, где получил начальное образование. Чтобы помочь семье, он начал работать посыльным в книжном магазине. Усердие мальчика впечатлило его работодателя. Через год его повысили до ученика переплетчика.

Переплет и наука

Майкл Фарадей хотел узнать больше о мире; он не ограничивался После усердного ежедневного труда он проводил все свое свободное время за чтением книг, которые он переплетал.

Постепенно он обнаружил, что увлекся наукой. Особенно ему понравились две книги:

• «Британская энциклопедия» - источник его познаний об электричестве и о многом другом.
• «Беседы о химии» - 600 страниц о химии в доступном изложении авторства Джейн Марсе.

Он был настолько очарован, что начал тратить часть своего скудного заработка на химические вещества и аппаратуру, чтобы подтвердить истинность того, о чем читал.

Расширяя свои научные познания, он услышал, что Джон Татум собирался дать серию публичных лекций по натуральной философии (физике). Для посещения лекций необходимо было внести плату в один шиллинг - слишком много для Майкла Фарадея. Его старший брат, кузнец, впечатленный растущей преданностью своего брата науке, дал ему необходимую сумму.

Знакомство с Хамфри Дэви

Фарадей сделал еще один шаг к науке, когда Уильям Дэнс, клиент книжного магазина, поинтересовался у Майкла, нет ли у него желания получить билеты на лекции в Королевском институте.

Лектор, сэр Хамфри Дэви, был одним из самых известных в мире ученых того времени. Фарадей ухватился за шанс и посетил четыре лекции, посвященные одной из новейших проблем химии - определении кислотности. Он наблюдал за экспериментами, которые проводил Дэви на лекциях.

Это был мир, в котором он хотел бы жить. Фарадей вел записи, а затем сделал так много дополнений в примечаниях, что произвел 300-страничную рукопись, которую сам переплел и отправил Дэви в знак благодарности.

В это время на заднем дворе книжного магазина Майкл начал проводить более сложные эксперименты по созданию электрической батареи из медных монет и цинковых дисков, разделенных влажной соленой бумагой. Он использовал ее для разложения химических веществ, например таких, как сульфат магния. В этой области химии Хамфри Дэви был пионером.

В октябре 1812 года ученичество Фарадея завершилось, и он начал работать переплетчиком у другого работодателя, которого он нашел неприятным.

Не было бы счастья, да несчастье помогло

И вот произошел счастливый для Фарадея случай. В результате неудачного эксперимента Хамфри Дэви был ранен: это временно повлияло на его способность писать. Майклу удалось в течение нескольких дней вести записи для Дэви, впечатленного книгой, которую тот ему послал.

Когда недолгий период работы помощником закончился, Фарадей отправил ученому записку с просьбой нанять его своим ассистентом. Вскоре после этого один из лаборантов Дэви был уволен за нарушение дисциплины, и Хамфри осведомился у Майкла, не хотел ли бы он занять вакантное место.

Не хотел ли он работать в Королевском институте с одним из самых известных ученых в мире? Это был риторический вопрос.

Карьера в Королевском институте

Ему хорошо платили и выделили для проживания комнату на чердаке Королевского института. Майкл был очень доволен, и его связь с этим учреждением больше не прерывалась в течение 54 лет, за которые ему удалось стать профессором химии.

Работа Фарадея состояла в подготовке аппаратуры для проведения экспериментов и лекций в Королевском институте. Поначалу он имел дело с трихлоридом азота, взрывчатым веществом, которое травмировало Дэви. Майкл тоже при очередном взрыве ненадолго потерял сознание, и когда Хамфри снова получил травму, опыты с этим соединением были прекращены.

Через 7 месяцев работы в Королевском институте Дэви взял с собой Фарадея в турне по Европе, длившееся 18 месяцев. За это время Майклу удалось встретить великих ученых, таких как Андрэ-Мари Ампер в Париже и Алессандро Вольта в Милане. В некотором смысле, тур заменил ему университетское образование - Фарадей многое узнал за это время.

Большую часть тура он, однако, был несчастлив, поскольку в дополнение к научной и секретарской работе должен был прислуживать Дэви и его жене. Супруга ученого не считала Фарадея равным себе из-за его происхождения.

По возвращении в Лондон все стало на свои места. Королевский институт возобновил контракт Майкла и увеличил его вознаграждение. Дэви даже начал упоминать о его помощи в научных работах.

В 1816 г. в возрасте 24 лет Фарадей прочитал свою первую лекцию о свойствах материи. Проходила она в Городском философском обществе. Тогда же в «Ежеквартальном научном журнале» он опубликовал свою первую научную статью об анализе гидроксида кальция.

В 1821 г. в возрасте 29 лет Фарадей был повышен до должности заведующего хозяйством и лабораторией Королевского института. В том же году он женился на Саре Барнард. Майкл со своей супругой прожили в институте большую часть следующих 46 лет, уже не на чердаке, а в удобном помещении, которое когда-то занимал Хамфри Дэви.

В 1824 г. биография Фарадея (физика) ознаменовалась его избранием в члены Королевского общества. Это было признанием того, что он стал заметным ученым.

В 1825 г. физик Фарадей стал директором лаборатории.

В 1833 г. он стал фуллеровским профессором химии в Королевском институте Великобритании. Фарадей занимал эту должность до конца своей жизни.

В 1848 и 1858 годах ему было предложено возглавить Королевское общество, но он отказался.

Научные достижения

Чтобы описать открытия Фарадея в физике, потребуется не одна книга. Не случайно Альберт Эйнштейн в своем кабинете хранил фотографии только троих ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвелла и Майкла Фарадея.

Как ни странно, хотя еще при жизни ученого начали использовать слово «физик», ему самому оно не нравилось, и он всегда называл себя философом. Фарадей был человеком, шедшим к открытиям через эксперименты, и он был известен тем, что никогда не отказывался от идей, к которым приходил благодаря научной интуиции.

Если он полагал, что идея стоила того, он продолжал эксперименты, несмотря на множество неудач, пока не достигал ожидаемого или пока не убеждался в том, что мать-природа доказала его неправоту, что случалось крайне редко.

Так что открыл Фарадей в физике? Вот некоторые из его самых заметных достижений.

1821: открытие электромагнитного вращения

Оно стало предвестником того, что, в конечном итоге, привело к созданию электрического двигателя. Открытие базировалось на теории Эрстеда о магнитных свойствах провода, по которому проходит электрический ток.

1823: сжижение газа и охлаждение

В 1802 году Джон Далтон высказал мнение, что все газы могут быть сжижены при низких температурах или высоком давлении. Физик Фарадей доказал это опытным путем. Он впервые превратил хлор и аммиак в жидкость.

Жидкий аммиак был еще интересен тем, что, как заметил Майкл Фарадей, физика процесса его испарения вызывала охлаждение. Принцип охлаждения с помощью искусственного испарения был публично продемонстрирован Уильямом Калленом в Эдинбурге в 1756 г. Ученый с помощью насоса снизил давление в колбе с эфиром, в результате чего произошло его быстрое испарение. Это вызвало охлаждение, и на внешней стороне колбы из влаги воздуха образовался лед.

Важность открытия Фарадея состояла в том, что механические насосы могли превращать газ в жидкость при комнатной температуре. Затем жидкость испарялась, охлаждая все вокруг, полученный газ мог быть собран и с помощью насоса сжат в жидкость снова, повторяя цикл. Именно так работают современные холодильники и морозильники.

В 1862 году на Всемирной лондонской выставке Фердинанд Карре продемонстрировал первую в мире коммерческую машину по производству льда. В машине в качестве охлаждающей жидкости использовался аммиак, и она производила лед со скоростью 200 кг в час.

1825: открытие бензола

Исторически сложилось так, что бензол стал одним из наиболее важных веществ в химии, как в практическом смысле, т. е. он используется при создании новых материалов, так и в теоретическом - для понимания химической связи. Ученый обнаружил бензол в маслянистых остатках производства газа для освещения в Лондоне.

1831: закон Фарадея, формула, физика электромагнитной индукции

Это было чрезвычайно важным открытием для будущего науки и техники. Закон Фарадея (физика) гласит, что переменное магнитное поле вызывает в цепи электрический ток, и генерируемая прямо пропорциональна скорости изменения Одна из его возможных записей |E|=|dΦ/dt|, где Е - ЭДС, а Ф - магнитный поток.

Например, перемещение подковообразного магнита вдоль провода производит электрический ток, так как движение магнита вызывает переменное магнитное поле. До этого единственным источником тока была батарея. Майкл Фарадей, открытия в физике которого показали, что движение может быть превращено в электричество, или, более научным языком, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую, таким образом, причастен к тому, что большая часть энергии в наших домах сегодня производится именно по этому принципу.

Вращение (кинетическая энергия) преобразуется в электричество с помощью электромагнитной индукции. А вращение, в свою очередь, получают при действии на турбины пара высокого давления, создаваемого энергией угля, газа или атома, или напором воды в гидроэлектростанциях, либо давлением воздуха в

1834: законы электролиза

Фарадей-физик внес основной вклад в создание новой науки электрохимии. Она объясняет то, что происходит на границе раздела электрода с ионизированным веществом. Благодаря электрохимии мы пользуемся литий-ионными батареями и аккумуляторами, питающими современную мобильную технику. Законы Фарадея важны для нашего понимания электродных реакций.

1836: изобретение экранированной камеры

Физик Фарадей обнаружил, что, когда электрический проводник заряжен, весь лишний заряд скапливается на внешней его стороне. Это означает, что внутри комнаты или клетки, сделанной из металла, дополнительный заряд не появляется. Например, человек, одетый в костюм Фарадея, т. е. с металлической подкладкой, не подвергается действию внешнего электричества. Кроме защиты людей, клетка Фарадея может использоваться для проведения электрических или электрохимических экспериментов, чувствительных к внешним помехам. Экранированные камеры также могут создавать мертвые зоны для мобильной связи.

1845: открытие эффекта Фарадея - магнитооптического эффекта

Еще одним важным экспериментом в истории науки был опыт, впервые доказавший связь электромагнетизма и света, что в 1864 году было полностью описано уравнениями Джеймса Клерка Максвелла. Физик Фарадей установил, что свет представляет собой электромагнитную волну: «Когда противоположные магнитные полюса находились с той же стороны, это оказывало действие на поляризованный луч, что, таким образом, доказывает связь магнитной силы и света...

1845: открытие диамагнетизма как свойства всей материи

Большинство людей знакомо с ферромагнетизмом на примере обычных магнитов. Фарадей (физик) обнаружил, что все вещества диамагнитны - в большинстве своем слабо, но встречаются и сильные. Диамагнетизм противоположен направлению приложенного магнитного поля. Например, если поместить северный полюс у сильно диамагнитного вещества, то оно будет отталкиваться. Диамагнетизм в материалах, индуцированный очень сильными современными магнитами, может быть использован для достижения левитации. Даже живые существа, такие как лягушки, диамагнитны и могут парить в сильном магнитном поле.

Конец

Майкл Фарадей, открытия в физике которого произвели переворот в науке, умер 25 августа 1867 г. в Лондоне в возрасте 75 лет. Его жена Сара жила дольше. У четы не было детей. Всю свою жизнь он был набожным христианином и принадлежал к маленькой протестантской секте сандеманианцев.

Еще при жизни Фарадею было предложено погребение в Вестминстерском аббатстве вместе с королями и королевами Великобритании и учеными, подобно Исааку Ньютону. Он отказался ради более скромной церемонии. Его могилу, где также похоронена Сара, можно найти на кладбище Хайгейт в Лондоне.