Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде инертных газов, не являющихся легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды. Плазменное легирование может проводиться без специальных мер безопасности при исключении из процесса дорогостоящих высокочистых токсичных пожаровзрывоопасных газов, что упрощает процесс и снижает затраты. До ионно-плазменной обработки сопротивление пластины кремния составляло 10 Ом, после обработки оно уменьшилось до 3 Ом, что свидетельствует об улучшении технико-экономических параметров легирования кремния.

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников, и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния.

Наиболее известными способами легирования полупроводников являются диффузионное легирование (диффузия) , ионно-пучковое и ионно-плазменное внедрение (имплантации) легирующих примесей (ионное легирование) . Они используются в полупроводниковой технологии для формирования р-n-переходов в структурах интегральных микросхем (ИМС), солнечных элементов (СЭ) и других полупроводниковых приборов .

Диффузионное легирование заключается в том, что пластину нагревают до высокой температуры в диффузионных печах при использовании:

Газообразных диффузантов (типа PH 3 , B 2 H 6 при легировании кремния) ,

В парах жидких диффузантов (типа BBr 3 , РС1 3 при легировании кремния), поставляемых в рабочую зону газом-носителем (обычно N 2), с добавлением кислорода ,

Твердого диффузанта (соединения бора или фосфора при легировании кремния), предварительно нанесенного на поверхность полупроводника .

Однако, несмотря на простоту и дешевизну, этот способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Из-за малых коэффициентов диффузии (например, диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму) легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si при 800-1000°C) и в течение длительного времени.

2. Трудно получить тонкие легированные слои и резкие p-n-переходы.

3. В качестве диффузантов применяются высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и жидкости, что затрудняет промышленное применение этого способа.

Известен способ ионной имплантации , в котором ионизированные атомы (ионы) легирующей примеси с высокой энергией (1-50 кэВ) внедряют в кристалл.

Внедряясь в кристалл, ионы примеси занимают в его решетке положение атомов замещения (при больших дозах большинство ионов останавливаются в междоузлиях и становятся электрически нейтральными), создавая соответствующий тип проводимости (в зависимости от типа примеси). Глубина проникновения ионов и характер их распределения в полупроводнике определяются: ускоряющим напряжением ионного ускорителя (блока ионно-лучевой установки), электрофизическими параметрами внедряющихся ионов и атомов полупроводника, направлением движения ионного пучка относительно кристаллографических осей полупроводника, условиями процесса внедрения и термообработки пластин после ионного внедрения. Для активации имплантированных примесей (перемещение их из межузельного положения в узлы кристаллической решетки), отжига аморфизированных слоев и дислокаций, индуцированных имплантацией, легируемую пластину нагревают (для кремния это 600-800°C ).

Для получения мелкозалегающих слоев используют две модификации этого способа.

Это известный способ ионно-пучковой имплантации, заключающийся в экстракции ионов, фокусировке, ускорении и сканировании ионного пучка по поверхности полупроводниковой пластины .

Недостатками этого способа являются следующие.

1. Оборудование (ионно-пучковые имплантеры) считается дорогостоящим.

2. Низкая производительность.

3. Высокие затраты в расчете на одну пластину.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ ионно-плазменной имплантации , который заключается в том, что пластину полупроводника обрабатывают в тлеющем разряде газа, имеющего в своем составе легирующий элемент.

По сравнению с ионно-пучковым способом этот метод является более производительным и менее затратным и так же, как и ионно-пучковый способ, позволяет получать мелкозалегающие слои.

Согласно данному способу легируемая пластина располагается в плазме, содержащей ионы легирующих примесей. Для легирования, как правило, используются те же, что и при диффузионном легировании, высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и пары (водородные соединения - гидриды и галогениды фосфора и бора). На легируемую пластину подается последовательность отрицательных импульсов, в результате воздействия которых и низкой подвижности ионов в прикатодном пространстве вокруг легируемой пластины образуется ионная оболочка. Ионы, ускоряясь, бомбардируют поверхность пластины и внедряются в приповерхностный слой. В результате последующего отжига одновременно по всей площади пластины формируется тонкий легированный слой и резкий p-n-переход .

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Применение в качестве источников легирующих примесей высокотоксичных, пожаровзрывоопасных газов и паров затрудняет промышленное применение данного способа, так как предъявляет повышенные, особые требования по безопасности к производственным помещениям и оборудованию, усложняя тем самым их конструкцию и эксплуатацию, приводит тем самым к росту затрат.

2. При использовании в качестве газа-источника легирующих примесей ВХ 3 или РХ 3 (X - галоген) внутрь легируемой пластины вместе с бором попадает X (фтор, хлор, бром), что негативно влияет на электрофизические свойства полупроводниковых структур.

Целью настоящего изобретения является улучшение технико-экономических параметров ионно-плазменного легирования кремния.

Предлагается способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

В данном изобретении газ в разряде преимущественно инертные газы: аргон, гелий, криптон, неон. Для различных целей возможно добавление водорода или азота. Легирующий элемент появляется в газовой среде за счет катодного распыления легирующего электрода при ионной бомбардировке. И в дальнейшем ионы легирующего элемента могут ионизироваться и внедряться в кремниевую пластину.

Легирующий электрод для легирования кремниевой пластины содержит кремний (чтобы не загрязнять посторонними примесями и обеспечивать необходимую проводимость электрода) и легирующий элемент (фосфор или бор) с содержанием легирующего элемента (0,01-50) масс. % в виде растворенной примеси в кремнии и включений второй фазы.

Концентрация легирующего элемента выбирается в зависимости от требуемой степени легирования и воспроизводимости техпроцесса.

Легирующий электрод сплавляется в индукторе с сильным перемешиванием и быстрым затвердеванием расплава, так что в кремнии выпадает вторая фаза (легирующий элемент) с величиной включений, зависящей от скорости охлаждения. Также могут быть использованы ячеистые структуры, созданные по технологиям микроэлектроники, или структуры типа пористого кремния для помещения в них легирующего вещества.

Отказ от гидридов и галогенидов легирующих элементов позволяет проводить процесс плазменного легирования без специальных мер безопасности, убрать из процесса дорогостоящие высокочистые токсичные, пожаровзрывоопасные газы (которые, как правило, закупаются за границей), упростить техпроцесс и снизить затраты.

Устройство, реализующее предложенный способ, представляет собой диодную систему и содержит следующие элементы.

1. Вакуумная камера с необходимыми средствами откачки и возможностью напуска газов.

2. Блок питания (генератор импульсов).

3. Сильнолегированный электрод - источник легирующей примеси.

4. Обрабатываемая пластина (возможна групповая обработка).

5. Система напуска газа.

Работа устройства.

Камеру откачивают и напускают в нее аргон.

Подают импульсы напряжения на параллельно расположенные идентичные по площади электроды (один из которых - источник легирующей примеси, представляющий собой пластину из сплава кремния с бором, а другой - пластина кремния, предназначенная для легирования).

Импульсы напряжения амплитудой около 2 кВ, длительностью 20 мкс и частотой 1 кГц имеют форму, близкую к прямоугольной, и следуют группами (пачками). Каждая такая пачка состоит из 5 импульсов, полярность которых изменяется с частотой 50 Гц. Разрядный промежуток составляет 0,5 сантиметра, давление аргона 10 кПа. В межэлектродном промежутке загорается знакопеременный импульсный тлеющий разряд. В результате в межэлектродной области появляется плазма, которая включает атомы и ионы кремния, бора и аргона.

Легирование происходит за счет двух механизмов:

1. Имплантация приповерхностного слоя легируемой пластины ионами бора.

2. Доставка распыленных атомов на поверхность легируемой пластины с последующей диффузией, активированной ионной бомбардировкой, направленной в объем пластины.

Ионы образованной низкотемпературной плазмы аргона движутся, ускоряясь, в темном катодном пространстве (которое автоматически формируется в любом разряде из-за малой подвижности ионов) по направлению к мишени (катоду). В процессе движения ионы сталкиваются с атомами газа. При этом происходит упругое столкновение с рассеянием на большой угол или резонансная перезарядка, при которой ионы превращаются в нейтральные частицы с сохранением вектора своей скорости, а газовые атомы превращаются в ионы с энергией, соответствующей тепловой энергии атомов газа. Образованные в результате перезарядки ионы начинают ускоряться до нового столкновения с газовым атомом или мишенью, а нейтральные частицы полетят к мишени-катоду по инерции.

Ионы аргона, ускоряясь в области катодного падения потенциала, бомбардируют мишень - катод. Происходит процесс катодного распыления. При этом большая часть энергии ионов (до 90%) расходуется на нагрев мишени, а остальная часть - на эмиссию электронов, ионную имплантацию и распыление атомов и ионов (с легируемой пластины в основном Si, а с электрода - источника в основном Si и B).

При движении распыленные атомы (РА) сталкиваются как между собой, так и с атомами аргона, вследствие чего происходит перераспределение атомов по импульсам и энергиям.

Направление движение РА катода сильно изменяется уже после нескольких первых столкновений на расстоянии нескольких длин свободного пробега. Их распределение по направлениям импульса становится изотропным. Часть атомов в результате изменения направления возвращается на мишень, а остальные термализуются, и их дальнейший транспорт происходит в результате диффузии. Для эффективного легирования возврат РА на мишень минимизирован.

При смене полярности прикладываемого напряжения электроды поочередно выполняют функции анода и катода.

Во время ионной бомбардировки осажденные и имплантированные атомы легирующей примеси (бора) активизируются и диффундируют внутрь катода, легируя его.

В результате обработки по уменьшению сопротивления пластины обнаружено формирование приповерхностного легирующего слоя.

До ионно-плазменной обработки сопротивление составляло 10 Ом, а после обработки оно уменьшилось до 3 Ом.

Литература

1. Физико-химические основы технологии микроэлектроники / Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1979. - 408 с.

2. Материаловедение полупроводников и металловедение / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1973. 495 с.

3. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учеб. для вузов по направлению ″Материаловедение и технология новых материалов″, ″Материаловедение, технологии материалов и покрытий″ / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МИСИС, 2003. - 480 с.

4. Ионная имплантация / X. Риссел, И. Руге. - М.: Наука, 1983. - 362 с.

5. Ионное легирование полупроводников (кремний и германий) / Дж. Мейер, Л. Эриксон, Дж. Дэвис. - М.: Мир, 1973. - 296 с.

6. Ионная имплантация / Ф.Ф. Комаров, А.П. Новиков, А.Ф. Буренков. - Минск: Унiверсiтэцкае, 1994. - 303 с.

7. Физико-химические основы технологии полупроводников. Пучковые и плазменные процессы в планарной технологии: учеб. пособие / А.В. Бобыль, С.Ф. Карманенко. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005. 113 с.

8. Jones Е.С. et al. Plasma immersion ion implantation for electronic materials // Jap. J. Appl. Phys. - 1996. - Pt. 1. - Vol. 35. - № 2 - B. - Р. 1027-1036.

9. Weiner K.H. et al. Microelectronic Engineering, 1993. - Vol. 20. - Р. 107-119.

10. Qin S., Chan C. Plasma immersion ion implantation doping experiments for microelectronics // J. of Vac. Sci. Technology-B. - 1994. - Vol. 12, № 2 (March/April).

11. Учебное пособие по дисциплине «Плазменные технологии в наноэлектронике» / А.А. Голишников Α.Α., Путря М.Г. - М.: МИЭТ, 2011. - 172 с.

12. Дифракционная рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия / И. Зельцер, Е. Моос. - Саарбрюкен, Германия: Ламберт, 2012. - 593 с.

Способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащему сплав, содержащий Si в диапазоне от 31% по массе или более до 50% по массе или менее, Sn в диапазоне от 16% по массе или более до 41% по массе или менее, Al в диапазоне от 24% по массе или более до 43% по массе или менее и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий кремний в диапазоне от 33% по массе до 50% по массе, цинк в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 46% по массе исключительно, ванадий в диапазоне от 21% по массе до 67% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрических устройств, преимущественно для аккумуляторной батареи или конденсатора в источниках питания для электромобиля, содержащий сплав, имеющий состав, представленный формулой SixCyAlz.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, который представляет собой сплав, содержащий Si в количестве от 17 до 90 масс.%, Ti в количестве от 10 до 83 масс.%, Ge в количестве от 0 до 73 масс.% и неизбежные примеси в качестве остатка.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, и может быть использовано в аккумуляторных батареях, конденсаторах или подобных устройствах для приводных и вспомогательных источников питания электродвигателей транспортных средств.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Свойство полупроводников, которое делает их наиболее полезным для создания электронных приборов, является то, что их проводимость может быть легко изменена введением примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующего элемента, добавленного к собственному (чистому) полупроводнику меняет уровень его проводимости. Легированные полупроводники часто называются примесными.

Легирующие элементы

Материалы, которые выбираются в качестве легирующего элемента, зависят от атомных свойств и легирующего элемента, и материала, который должен быть легирован. В общем, легирующие элементы, которые производят желаемые управляемые изменения классифицируются как акцепторы элекронов или доноры. Атом - донор, который активизируется, отдает слабо-связанные валентные электроны материалу, создавая избыточные отрицательные носители заряда. Эти слабо-связанные электроны могут двигаться в кристаллической решетке сравнительно свободно и могут облегчать электропроводимость в присутствии электрического поля. И наоборот, активизированный акцептор оставляет дырку. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются полупроводниками n -типа, а легированные акцепторными примесями известны как полупроводникир -типа. Обозначенияn иp - типы указывают на то какой носитель заряда выступает в качестве основного носителя в материале. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует в результате термического возбуждения в гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводник кремний имеет четыре валентных электрона. Для кремния наиболее подходящими легирующими элементами являются 13 группа (известная как группа III) и 15 группа по ИЮПАК (известная как группаV). Все элементы 13 группы содержат три валентных электрона, что заставляет их вести себя как акцепторы при легировании кремния. Элементы группы 15 имеют пять валентных электронов, которые позволяют им действовать как доноры. Следовательно, кристалл кремния, легированный бором, создает дырочный полупроводник, а легированный фосфором полупроводник с электронной проводимостью.

Концентрация носителей заряда

Концентрация легирующих элементов, введенных в собственный полупроводник определяет его концентрацию и косвенно влияет на многие его электрические свойства. Важнейший фактор, на который непосредственно влияет легирование – концентрация носителей заряда в материале. В беспримесном полупроводнике при тепловом равновесие концентрация электронов и дырок одинакова. То есть n =p =n i .

Где n - концентрация проводящих электронов,p - концентрация дырок, иn i – концентрация носителей в чистом материале. Концентрация носителей в собственном полупроводнике изменяется в зависимости от материала температуры.n i кремния приблизительно 1×10 10 см -3 при 300 кельвинах (комнатная температура).

В общем, увеличение концентрации примеси позволяет увеличить электропроводность в связи с более высокой концентрацией носителей заряда, доступных для проводимости. Сильно легированные полупроводники имеют уровнень проводимости, сравнимый с металлами, они часто применяются в современных интегральных схемах в качестве замены металла. Надстрочные индексы плюс и минус часто используются для обозначения относительной концентрации примеси в полупроводниках. Например, n + обозначает полупроводник n -типа с высокой концентрацией примеси. Аналогично,p − указывает на слегка легированный материал с дырочной электропроводимостью. Также необходимо отметить, что даже высокие уровни легирования подразумевают низкие концентрации примесей по отношению к основному полупроводнику. В собственном кристаллическом кремнии приблизительно 5×10 22 атомов/см 3 . Концентрация примеси для кремниевых полупроводников может варьироваться от 10 13 см -3 до 10 18 см -3 . Концентрация примеси свыше 10 18 см -3 считается высокой при комнатной температуре. Высоколегированный кремний содержит соотношение примеси к кремнию как частей на тысячу. Это соотношение может быть уменьшено до частей на миллиард в слегкалегированном кремнии. Типичные значения концентрации находятся в этом диапазоне и приспособлены, чтобы воплотить желаемые свойства в приборе, для которого этот полупроводник предназначен.

Легирование полупроводников представляет собой процесс введения примесей или структурных дефектов с целью направленного изменения электрических свойств.

Электрические свойства легированных полупроводников зависят от природы и концентрации введенных примесей доноров или акцепторов. Примеси, как правило, образуют в полупроводниках твердые растворы замещения и обладают высокой растворимостью вплоть до значений 1018 – 1020 см–3. Эти примеси имеют малые сечения захвата носителей, являются малоэффективными центрами рекомбинаций и практически не влияют на время жизни носителей заряда.

Методы легирования делятся на две группы: либо непосредственно в процессах выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур, либо локальное легирование отдельных областей монокристаллов.

На рис. 1.19 приведена классификация методов легирования полупроводников. Дадим краткий анализ этих методов.

Высокотемпературное легирование

Метод высокотемпературной диффузии состоит в том, что легирующая примесь приводится в соприкосновение с поверхностью монокристалла кремния. Монокристалл разогревается, и атомы примеси проникают внутрь монокристалла, замещая атомы кремния в решетке.

Метод высокотемпературной диффузии является одним из наиболее развитых и широко используемых процессов создания локальных областей с заданным типом проводимости в полупроводниках.

Рис. 1.19. Классификация методов локального легирования полупроводников

Существует несколько механизмов внедрения примесей.

При диффузии замещения (диффузия по вакансиям) решетка испытывает при нагреве сильную тепловую вибрацию. Некоторые атомы покидают свои места и замещаются другими. Если поблизости окажется атом примеси с приблизительно теми же размерами и валентностью, то может произойти замещение ушедшего атома в узле решетки атомом примеси. Атомы примесей движутся по узлам решетки стохастически во всех направлениях, но в целом их движение направлено в сторону снижения концентрации примеси. Скорость диффузии замещения зависит от скорости возникновения вакансий в решетке.

При диффузии внедрения атом примеси находит себе место в кристаллической решетке в междоузлиях, не замещая атома исходного элемента. При высоких температурах атомы примеси могут перепрыгивать с одного междоузлия на другое, распространяясь с большей скоростью, чем при диффузии замещения.

Для изготовления барьеров и р–n-переходов используется процесс диффузии примесных атомов, которые внедряются в кристаллическую решетку полупроводника и меняют ее электрофизические свойства.

Процесс изотропной диффузии описывается с помощью коэффициента диффузии D и определяется из первого закона Фика:

где j – плотность потока диффундирующих атомов, N – концентрация атомов, х – координата.

Этот феноменологический закон был сформулирован в 1855 году А. Фиком по аналогии с уравнением теплопроводности.

Коэффициент диффузии D зависит от температуры Т следующим образом:

где D 0 – постоянная величина, ε – энергия активации для скачка атома, k – постоянная Больцмана.

Изменение концентрации диффундирующего вещества во времени при одномерной диффузии определяется вторым законом Фика:

Легирующая примесь в полупроводник может быть введена из газообразного, жидкого или твердого источника. Поэтому по способу подведения примеси из внешнего источника к среде, в которой необходимо создать неоднородности концентрации примесей, различают три метода.

В процессе проведения диффузии в замкнутой системе (метод "закрытой трубы") пластины проводника и источники примеси (диффузант) загружают в кварцевую ампулу, вакуумируют, герметизируют и помещают в печь (рис. 1.20, а ). В качестве диффузанта могут быть использованы вещества в любом агрегатном состоянии. Закрытая труба сначала разогревается до температуры разложения газообразного источника. На легируемых пластинах формируется локальный источник диффузии, место которого определяется соответствующей маской. Затем температура повышается, благодаря чему создаются необходимые условия диффузии легирующей примеси в объеме полупроводника. В результате формируются области с заданной концентрацией примеси и заданным типом проводимости. Метод имеет ряд недостатков:

– электрофизические параметры легированных областей существенно зависят от состава атмосферы в изолируемом рабочем объеме;

– двухступенчатый процесс термообработки увеличивает продолжительность процесса легирования;

– подготовка закрытой трубы требует много времени;

– получение образца сопровождается разрушением трубы;

– низкая воспроизводимость электрофизических параметров при низкой поверхностной концентрации примеси.

Рис. 1.20. Схема способов проведения диффузии: 1 – открытая диффузионная труба; 2 – закрытая диффузионная труба; 3 – пластины; 4 – вытяжка; 5 – выходной конец для введения газа-носителя; 6 – диффузионная печь; 7 – ампулы с диффузантом; 8 – твердый диффузант; 9 – жидкий диффузант

Чаще всего этот метод применяется с целью глубокого легирования.

Наиболее широкое применение получил метод диффузии в открытой системе (метод "открытой трубы"). Диффузия в этом случае может проводиться из твердых, жидких или газообразных источников. Основными диффузантами при диффузии в кремний являются бор и фосфор. Создание локальных неоднородностей проводится в две стадии. На первой стадии (стадия загонки) в необходимых местах поверхности при невысоких по сравнению с диффузией температурах создают тонкий диффузионный слой примеси. На второй стадии (стадии разгонки) пластины нагревают в атмосфере, не содержащей диффузантов. При этом происходит диффузионная перераспределение примесей, приводящая к созданию локальной области в объеме пластины.

Двустадийная диффузия в этом методе имеет два основных преимущества. Во-первых, разделение процесса на две стадии делает технологический процесс более управляемым, повышает воспроизводимость результатов и упрощает контроль. Во-вторых, низкотемпературный процесс стадии загонки облегчает маскирование будущих статических неоднородностей. Стадия разгонки происходит в отсутствие паров диффузанта.

Высокотемпературная диффузия возможна с использованием твердых планарных источников легирующей примеси. Существует несколько способов использования твердых источников. Наиболее привлекательным является расположение источника примеси параллельно между легируемыми полупроводниковыми пластинами. Расстояние между пластинами и диффузантом определяется соотношением

где D – коэффициент диффузии примеси в газовой среде, t – время обработки пластин. Обычно значение L (пластина-диффузант) подбирают близким к размеру полупроводниковых пластин, а материалом служит стеклокерамическая композиция с использованием окиси бора (В2О3), нитрид-бора (BN), фосфата алюминия (Аl2О3 · 3Р2О5).

Использование твердых планарных источников позволяет улучшить однородность легирования, поднять процент выхода годных структур, рационально использовать рабочий объем диффузионной печи, исключить токсичные продукты реакции и т. д.

Метод высокотемпературной диффузии из твердой фазы позволяет также сократить в 2 – 4 раза длительность высокотемпературной обработки, вводить донорные и акцепторные примеси одновременно, сократить трудоемкость операции легирования в 2 – 3 раза при одновременном улучшении электрофизических параметров структур.

Решение второго закона Фика для заданных начальных и граничных условий имеет вид:

где N (x , t )– концентрация примесей на расстоянии х от поверхности, N – поверхностная концентрация примесей, t – время диффузии.

Формирование областей транзистора происходит путем задания концентрационных и временных параметров диффузионного процесса.

На рис. 1.21 приведены расчетные кривые (а) и полученный профиль распределения примесей (б) в областях биполярного транзистора.

Рис. 1.21. Формирование методом высокотемпературной диффузии областей транзисторной биполярной структуры

Подводя итоги анализа методов высокотемпературной диффузии, отметим, что эти технологические процессы обеспечивают создание локальных неоднородностей в полупроводниковых континуальных средах в виде областей с широким диапазоном концентрации и глубин залегания примесей.

Вместе с тем методам высокотемпературной диффузии присущ ряд недостатков: – изотропность, приводящая к ограничению размеров формируемой неоднородности в кремниевой пластине;

– изменение электрофизических характеристик, а также генерация дислокаций и механических напряжений в континуальной среде из-за обработки пластин при высоких температурах;

– ограниченный набор диффузантов, в диапазоне температур 900 – 1250 °С, обладающих высоким коэффициентом диффузии и хорошей растворимостью;

– появление используемых примесей в активной области при формировании структуры вследствие протекания газов-носителей или проникающих через трубы газов из окружающей среды;

– трудность получения тонких легированных слоев и редких р–n-переходов.

Все это снижает эффективность методов высокотемпературной диффузии, затрудняет высокоэффективную автоматизацию и интеграцию всего технологического процесса. Поэтому поисковые работы в области технологии создания областей заданной проводимости и концентрации направлены на увеличение эффективности процессов, рациональном сочетании этих процессов с другими методами легирования.

Ионная имплантация

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) представляет собой процесс введения примесных атомов в твердое тело путем бомбардировки его поверхности ускоренными ионами.

Практически метод ионной имплантации состоит в бомбардировке твердых тел пучками ускоренных ионов с энергией в пределах от 10 кэВ до 1 МэВ с целью создания в них локальных неоднородностей и р–n-переходов. Ускоренные ионы проникают в кристаллическую решетку, преодолевая отталкивающее противодействие положительных заряженных ядер атомов. Ионы более легких веществ проникают глубже, чем ионы тяжелых веществ, однако траектория движения последних более прямолинейна.

Глубина проникания ионов в среду характеризуется понятием пробега. Средний нормальный пробег X представляет собой проекцию траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости иона. При точной ориентации направления падения пучка ионов вдоль кристаллографической оси происходит каиалирование ионов в кристалле. В этом случае пробег ионов существенно больше, чем при неориентированном облучении. Ион может вызвать в решетке зоны разупорядочения, размер которых может составлять 3 – 10 нм. Это происходит в том случае, когда энергия, переданная ионом атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле. Разупорядоченные зоны или радиационные дефекты при облучении накапливаются, и когда число их превосходит критическое значение, происходит локальный переход кристаллической структуры в аморфный слой. Большинство внедренных ионов находится в междоузлиях и не является электрически активным. Для восстановления кристаллической структуры облученную среду отжигают, в результате чего происходит распад радиационных дефектов. В это же время ионы примеси занимают вакантные узлы, внедряются, образуя области с заданной концентрацией примеси или р–n-переходы. Конструктивно установка для ионной имплантации представлена на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Схема установки ионной имплантации: 1 – источник ионов; 2 – вытягивающие электроды; 3 – канал; 4 – магнитный сепаратор; 5 – система фокусирования и сканирования; 6 – заслонка; 7 – ускорительная трубка; 8 – источник высокого напряжения; 9 – приемная камера; 10 – барабан; 11 – баллон с натекателем

Источником ионов служит газоразрядная камера, в которой с помощью электронной бомбардировки происходит ионизация молекул и атомов имплантируемого вещества. Дополнительная ионизация осуществляется с помощью магнитного сепаратора. Обычно используются два или более источников ионов примеси для получения областей р- и n-типов. Например, в качестве источника акцепторной примеси используется трехфтористый бор (BF3), поступающий из баллона с натекателем. В качестве донорной примеси часто используют пары фосфора, образуемые в нагревателе с красным фосфором. Ионы имитируются с помощью вытягивающих электродов, подключенных к источнику высокого напряжения. Ионный пучок формируется в канале с помощью магнитного сепаратора и систем фокусирования и сканирования. После прохождения магнитного сепаратора, в котором происходит отбор ионов по массе, они попадают в систему фокусировки.

Сформированный ионный пучок сканирует поверхность, расположенную в вертикальной плоскости. Заслонка в канале предназначена для перекрытия ионного пучка при наборе заданной дозы облучения. Ускорительная трубка с источником высокого напряжения (~ 200 кВ) предназначена для ускорения ионов до нужной энергии. Облучаемый материал помещается в кассету барабанного типа, расположенную в приемной камере, которая откачана до уровня 10–3 Па.

Однородность легирования конструктивно обеспечивается вращением барабана и сканированием ионного пучка в заданное время облучения t (с), определяемое из соотношения

где α – угол сектора облучаемой окружности барабана; Q – доза облучения, Кл/м2; j – плотность ионного тока в пучке, А/м2.

Доза облучения определяет число частиц, внедренных в единицу поверхности:

где q – заряд одного иона, п – кратность ионизации, е – заряд электрона.

Отличительной особенностью метода ионной имплантации является возможность создания максимальной концентрации не на поверхности, что было характерно для диффузионных процессов, а в глубине среды. Это происходит потому, что с увеличением энергии ионов максимум концентрации располагается в глубине полупроводника. Поверхностная концентрация при этом падает. С повышением энергии ионов до 2,5 МэВ повышается глубина проникновения. Инверсионный слой концентрации примеси в этом случае формируется в глубине среды, образуя р–n- и n–р-переходы (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Образование р–n-переходов при внедрении ионов малых (а ) и больших (б ) энергий

В режиме каналирования пучков возникают нежелательные слабо контролируемые эффекты. Следует отметить, что при полном легировании концентрация свободных носителей заряда в легированном слое меньше концентрации внедренных примесей. Это происходит из-за попадания ионов в междоузельное положение, где они электрически неактивны. Коэффициент использования примесей, например, для акцепторной примеси составляет

где пр – концентрация дырок в инверсном слое; N Д – концентрация доноров в исходном кремнии; NA – средняя концентрация введенных атомов акцепторной примеси. Аналогично выводится коэффициент использования при внедрении донорной примеси.

Электрические свойства полупроводника зависят как от количества имплантированных ионов, так и от числа радиационных дефектов.

На практике при создании транзисторных структур используют оба способа внедрения примесей: высокотемпературную диффузию и ионную имплантацию. В технологическом процессе на стадии загонки примеси используется ионная имплантация, а в дальнейшем – диффузионная разгонка. В этой весьма перспективной технологии сочетаются достоинства методов: точность дозировки ионной имплантации и глубокие уровни залегания переходов, характерные для процесса диффузии.

В процессе ионного легирования важна операция отжига, при которой устраняются радиацион­ные дефекты и активизируются внедренные атомы. Режим отжига зависит от дозы облучения. Для малых доз температура отжига составляет Тотж £260 °С, для больших – Тотж ³570 °С. Заметим, что граница между понятиями отжиг и диффузия лежит вблизи 1000 °С. При температурах < 1000 °С процессами диффузии можно пренебречь.

Метод ионной имплантации, используемый для создания статических неоднородностей в микроэлектронных приборах и устройствах, имеет ряд преимуществ:

– нетермический характер введения примесей обеспечивает большой выбор легирующих примесей;

– чистота вводимой примеси в технологическом процессе;

– широкий диапазон концентраций вводимой примеси;

– эффективный контроль дозы вводимой примеси, что позволяет достичь высокой воспроизводимости результатов;

– высокая однородность легирования;

– возможность создания неоднородности проводимости в объеме континуальной среды путем подбора энергии ионов;

– возможность создания неоднородностей субмикронных размеров;

– сокращение длительности производственного процесса по сравнению с методом диффузии;

– возможность автоматизации технологического процесса.

Тенденции в развитии метода ионной имплантации заключаются в преодолении ограничений физического и технического характера, среди которых:

– возникновение радиационных нарушений кристаллической решетки, растущих с дозой внедрения примесей;

– трудность создания примесей на глубине более 2 мкм;

– сложность эксплуатации технологического оборудования и его высокая стоимость.

Радиационно-стимулированная диффузия (РСД) представляет новое направление, являющееся комбинацией высокотемпературной диффузии и ионной имплантации. Этот метод сконцентрировал в себе ряд достоинств обоих ранее описанных методов. Сущность метода РСД заключается в бомбардировке кристалла легкими ионами, энергия которых передается атомам подложки. Вследствие этого наблюдается смещение атомов в междоузельное пространство и образуются вакансии. В определенных условиях вакансии могут мигрировать в кристалле, меняясь положением в решетке с соседними атомами основного кристалла или атомами примеси. Эта часть процесса носит диффузионный характер и аналогична термической генерации дефектов. Ионная бомбардировка увеличивает коэффициент диффузии любой примеси. При стимулировании диффузии в полупроводниках методом ионной бомбардировки главную роль играют неравновесные вакансии и междоузельные атомы. Ионизационные и полевые эффекты существенной роли не играют. Процесс РСД обычно описывается диффузионными уравнениями вида:

где D – коэффициент радиационно-стимулированной диффузии, v – скорость перемещения поверхности вследствие ее распыления. Приведенные уравнения несколько отличаются от известных уравнений Фика, описывающих процесс высокотемпературной диффузии.

Процесс РСД осуществляется ионами электрически неактивных примесей (Н2, Не, N, Аr и др.) высокой или низкой энергии. Обработка среды высокоэнергетичными ионами (10 – ЮОКэВ), например протонами, обеспечивает целенаправленное управление концентрацией и типом распределения примеси в уже сформированных структурах. Глубина проникновения примеси зависит от длительности протонной бомбардировки, энергии протонов и интенсивности облучения.

К преимуществам метода РСД по отношению к методам высокотемпературной диффузии и ионной имплантации следует отнести:

– сравнительно низкую температуру подложки в процессе обработки;

– прямую зависимость скорости генерации дефектов от параметров луча, а не температуры подложки;

– формирование направления диффузии не градиентом концентрации примеси, а слоем нарушений, создаваемым ионным пучком;

– незначительные радиационные нарушения в легированном слое;

– активацию введенной примеси в узлы решетки уже в процессе обработки.

Лазерный отжиг

В настоящее время в микроэлектронике все большее распространение получает лазерное облучение полупроводниковых материалов с целью создания в них локальных неоднородностей и р–n-переходов.

К достоинствам лазерной обработки следует отнести:

– возможность локального изменения свойств материалов;

– локальный безынерционный нагрев практически до любой заданной температуры;

– более высокую активацию примеси, чем при обычном отжиге;

– получение качественной поверхности пластины после отжига.

В процессе легирования лазерное облучение среды используется как для непосредственного селективного легирования, так и для отжига пластин после проведения ионной имплантации, а также диффузии, эпитаксиального наращивания и т. д.

Особенно большое внимание в настоящее время уделяется лазерному отжигу полупроводниковых материалов после процесса ионной имплантации. Специфичность лазерного излучения позволяет сфокусировать световой пучок строго определенного спектрального состава на ранее облученную ионами поверхность. При этом кратковременно до необходимой температуры нагреваются лишь очень тонкий слой или его выбранные участки.

Различают два механизма отжига имплантированных структур: отжиг мощным импульсным излучением и отжиг непрерывным излучением.

Благодаря фокусировке лазерного излучения удается локально поднять температуру. При этом происходят процессы рекристаллизации полупроводниковой структуры аналогично эпитаксии из твердой фазы. И в этом случае неповрежденная имплантацией основа полупроводника используется в качестве затравки, на которой наращивается материал той же самой структуры и ориентации. В этом случае скорость рекристаллизации составляет 0,001 – 0,01 м/с, что на три порядка меньше скорости рекристаллизации при облучении лазерными гигантскими импульсами.

Особо отметим, что при отжиге непрерывным лазерным излучением профиль распределения примеси остается прежним (рис. 1.24, а ),в то время как при облучении мощным лазерным импульсом профиль распределения примеси зависит от мощности гигантского импульса (рис. 1.24, б ).

Рис. 1.24. Характер профилей распределения примесей в процессе лазерного отжига: а – облучение непрерывным излучением малой мощности (до и после отжига); б – облучение гигантскими импульсами; 1 – до отжига; 2 – отжиг излучением с изменяемой плотностью мощности W 1 < W 2< W 3

С помощью лазерной рекристаллизации можно обеспечить строго ориентированный рост всех кристаллов, формируемых на аморфной подложке. Этот процесс может сопровождаться ростом пленки поликристаллического кремния, текстурированного в направлении (100) с размером зерен 1 – 100 мкм. Этот метод ориентированного выращивания пленок на аморфных подложках получил название графоэпитаксии.

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существовало бы.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется процесс, называемый легированием.

Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал. Используются два типа примесей. Первая, которая называется пятивалентной, состоит из атомов с пятью валентными электронами. Примерами являются мышьяк и сурьма. Вторая, называемая трехвалентной, состоит из атомов с тремя валентными электронами. Примерами являются индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка. Атом мышьяка размещает четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным.

Атом мышьяка называется донорским атомом , поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов.

При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Следовательно, электроны называются основными носителями. Дырки называются неосновными носителями . Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, материал называется полупроводником п-типа .

Если к полупроводнику п-типа приложено напряжение, то свободные электроны, добавленные донорскими атомами, начнут двигаться по направлению к положительному выводу. Кроме того, к положительному выводу начнут двигаться электроны, которые смогут разрушить свои ковалентные связи. Эти электроны, разрушив ковалентные связи, создадут электронно-дырочные пары. Соответствующие дырки будут двигаться по направлению к отрицательному выводу.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным материалом, таким, как индий (In), атомы индия разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов. Это создаст в ковалентной связи дырку.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа .

Если к полупроводнику р-типа приложено напряжение, дырки начинают двигаться по направлению к отрицательному выводу, а электроны — по направлению к положительному выводу. Кроме дырок, которые создали акцепторные атомы, возникают дырки, образованные из-за разрыва ковалентных связей, создающие электронно-дырочные пары.

Полупроводниковые материалы п-типа и р-типа имеют значительно более высокую проводимость , чем чистые полупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки. Кристаллы образуются из атомов, которые совместно используют свои валентные электроны путем образования ковалентных связей.

Полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления: при повышении температуры их сопротивление падает. Тепло создает проблемы в полупроводниковых материалах, позволяя электронам разрывать ковалентные связи. При повышении температуры, электроны в полупроводниковом материале дрейфуют от одного атома к другому.

Дырка представляет собой отсутствие электрона в валентной оболочке.

Разность потенциалов, приложенная к чисто полупроводниковому материалу, создает поток электронов, движущийся к положительному выводу и поток дырок, движущийся к отрицательному выводу. Ток в полупроводниковых материалах состоит из направленного движения электронов и направленного движения дырок.

Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал.

Трехвалентные материалы имеют атомы с тремя валентными электронами и используются для изготовления полупроводников р-типа.

Пятивалентные материалы имеют атомы с пятью валентными электронами и используются для изготовления полупроводников п-типа.

В полупроводнике п-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями. В полупроводнике р-типа дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Полупроводниковые материалы п- и р-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы.