125070 (Легирование полупроводниковых материалов)

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Материаловедение»

на тему:

«Легирование полупроводниковых материалов»

Ростов-на-Дону

2010 г.

Содержание

1. Легирование выращенных кристаллов

2. Легирование объемных кристаллов из жидкой фазы

3. Методы выравнивания состава вдоль кристалла

3.1 Пассивные методы выравнивания состава

3.2 Активные методы выравнивания состава кристаллов

3.3 Механическая подпитка расплава

3.4. Изменение условий выращивания

4. Растворимость примесей

4.1 Взаимодействие примесей, связанное с электронно-дырочным равновесием

4.2 Взаимодействие между примесными ионами, приводящее к образованию нейтральных пар, устойчивых при низких температурах

4.3 Взаимодействие между примесными ионами, приводящее к образованию комплексов, устойчивых в широком интервале температур

Список литературы

2. Легирования выращенных кристаллов

Для изготовления многих полупроводниковых приборов необходим легированный материал. Возможны следующие способы легирования: 1) легирование уже выращенных кристаллов; 2) легирование кристаллов в процессе выращивания из жидкой фазы; 3) легирование кристаллов в процессе выращивания из газовой фазы.

Легирование выращенных кристаллов осуществляется методом диффузии примеси из внешней газовой, жидкой или твердой фаз, методом радиационного легирования и методом ионной имплантации. Метод диффузии в технологии производства объемных легированных материалов не получил распространения из-за малых скоростей диффузии в кристаллах. Тем не менее сами процессы диффузии играют большую роль в технологии получения и обработки полупроводниковых материалов и создании приборов на их основе.

Суть же радиационного (или трансмутационного) метода легирования выращенных кристаллов сводится к следующему. При облучении кристаллов полупроводников и диэлектриков ядерными частицами (нейтронами, протонами, γ-квантами и др.) в результате протекания ядерных реакций может происходить превращение части атомов основного вещества в атомы других химических элементов, которые отсутствовали ранее в веществе. Например, при облучении Si медленными нейтронами образуется нестабильный изотоп ³¹Si, который, распадаясь с периодом полураспада 2.6 часа, превращается в стабильный изотоп ³¹P. Эти явления находят все более широкое применение для однородного легирования выращенных кристаллов. Неоднородность удельного сопротивления при радиационном легировании не превышает 1% на глубине 50 мм. Это значительно превосходит степень однородности легирования кристаллов другими методами. В настоящее время наибольшее практическое применение при радиационном легировании получило использование тепловых нейтронов.

Ионной имплантацией называют процесс внедрения в кристалл ионизированных атомов с энергией, достаточной для проникновения в его приповерхностные области. В настоящее время в электронной промышленности ионная имплантация наиболее широко применяется для ионного легирования кремния при изготовлении полупроводниковых приборов. Энергия легирующих ионов (бора, фосфора или мышьяка) обычно составляет 3–500 кэВ, что достаточно для их имплантации в приповерхностную область кремниевой подложки на глубину 10–1000 нм. Глубина залегания имплантированной примеси, которая пропорциональна энергии ионов, может быть выбрана исходя из требований конкретного применения имплантированной структуры. Основным преимуществом технологии ионной имплантации является возможность точного управления количеством внедренных атомов примеси. Нужную концентрацию легирующей примеси (в кремнии в диапазоне 10¹⁴–10²¹ см⁻³) получают после отжига мишени. Кроме того, можно легко управлять профилем распределения внедренных ионов по глубине подложки. Процесс ионной имплантации, проводимый в вакууме, относится к категории.чистых и сухих. процессов.

Одним из недостатков ионной имплантации и метода радиационного легирования является одновременное с легированием образование в облучаемых кристаллах радиационных нарушений кристаллической решетки, что существенно изменяет электрофизические свойства материала. Поэтому необходимой стадией процесса при получении ионно-легированных и радиационно-легированных кристаллов является термообработка (отжиг) материала после облучения. Отжиг ионно-имплантированных слоев проводится для активирования имплантированных атомов, уменьшения дефектов кристаллической структуры, образующихся при ионной имплантации и радиационном легировании, и в конечном счете, для создания области с заданным законом распределения легирующей примеси и определенной геометрией. Другими недостатками данного метода легирования являются стоимость облучения и необходимость соблюдения мер радиационной безопасности.

Тем не менее ионная имплантация и радиационное легирование кристаллов сейчас — важные и быстро развивающиеся области технологии полупроводников. Так как ионная имплантация обеспечивает более точный контроль общей дозы легирующей примеси в диапазоне 10¹1–10¹⁶ см², там, где это возможно, ею заменяют процессы диффузионного легирования. Очень интенсивно ионная имплантация используется для формирования сверхбольших интегральных схем. Метод радиационного легирования используется для получения кремния, необходимого для производства силовых приборов, где в качестве главного требования выступает высокая однородность распределения примесей в кристалле.

Метод радиационного легирования также находит все большее применение и для легирования других полупроводниковых материалов. Так, им осуществляют легирование Ge галлием и мышьяком, InSb оловом, GaAs германием и селеном и т. д.

2. Легирование объемных кристаллов из жидкой фазы

Рассмотрим особенности легирования кристаллов в процессе их выращивания из жидкой фазы. Широко применяемым методом получения легированных монокристаллов полупроводников является выращивание их из расплава, к которому добавлена нужная примесь.

Общие принципы такого легирования заключаются в следующем. Навеска примеси p_i, подлежащая введению в расплав или жидкую зону для получения в твердом кристалле концентрации N_i, рассчитывается по формуле, определяющей коэффициент разделения примеси.

K₀ = C_S/C_L = N_iM_iV_L/N_Ap_i,

p_i = N_iM_iV_L/K₀N_A, (1)

где M_i — атомный вес примесного элемента, N_A — число Авогадро, V_L — объем расплава.

При выборе примесей для легирования необходимо учитывать величину коэффициента разделения и ее изменение при изменении условий выращивания. Эти факторы являются чрезвычайно важными для получения монокристаллов с равномерным распределением примесей из-за принципиальной однократности процесса легирования и невозможности исправления ошибок в дозировании примеси.

Пусть, для определенности, K₀ < 1. Тогда если скорость роста кристалла V больше, чем скорость выравнивания состава в жидкой фазе, то из-за оттеснения примеси из твердой фазы в жидкую и замедленности диффузионных процессов установления равновесия в жидкой фазе концентрация примеси в расплаве у границы раздела будет возрастать.

Накопление избытка примеси приведет к образованию перед движущимся фронтом кристаллизации диффузионного слоя δ, из которого примесь путем диффузии переходит в объем расплава. Если K₀ > 1, то вблизи поверхности роста ощущается недостаток примеси. Таким образом, от равновесного коэффициента разделения K₀ мы переходим к эффективному K и учитываем влияние условий выращивания на процессы легирования:

K(f,D, δ) = K₀/[K₀ + (1 − K₀) exp(−Vδ/D)], (2)

где D — коэффициент диффузии примеси в расплаве

В некоторых случаях, если характер перемешивания расплава задан, определение значения δ возможно аналитически. Так, если при получении легированных кристаллов методом Чохральского перемешивание расплава осуществляется вращением кристалла и тигля вокруг своих осей во встречных направлениях с угловыми скоростями ω_к и ω_т, то значение δ при невысоких скоростях роста V может быть определено по формуле

δ = AD^1/3ν^1/6(ω_к + ω_т)^−1/2, (3)

где A — постоянная, принимающая значение от 1.3 до 1.6, а ν — кинематическая вязкость расплава.

Зависимость K от V показана на рис.1 для двух скоростей вращения и трех значений равновесного коэффициента разделения K₀. Видно, что только при скоростях V < 4 · 10⁻³ см/с можно говорить о совпадении K и K₀. Из рисунка также видно, сколь важно вращение расплава и (или) кристалла для выравнивания концентрации примеси в расплаве.

Особенно это важно в условиях зонной плавки: без перемешивания расплава δ может достигать размеров зоны. При δ = 1 см K и K₀ становятся сопоставимы по величине только при V < 10⁻⁴ см/с. Именно поэтому скорости выращивания кристаллов в методе зонной плавки значительно меньше, чем при вытягивании кристалла из расплава.

При выборе примеси чрезвычайно важным является учет ее чистоты, так как попадание в растущий кристалл вместе с легирующей примесью неконтролируемых сопутствующих примесей даже в очень малых количествах может приводить к существенному ухудшению параметров выращиваемых кристаллов (например, существенно снижать время жизни неосновных носителей заряда). Поэтому перед легированием оценивают требуемую чистоту легирующего элемента с учетом особенностей используемого метода легирования и допустимого содержания в легируемом кристалле посторонних примесей.

Рис. 1. Зависимость K от скорости кристаллизации V при разных скоростях вращения расплава и кристалла.

3. Методы выравнивания состава вдоль кристалла

Из рассмотренного материала можно сделать вывод, что существует несколько факторов, вызывающих появление неоднородностей состава в растущем кристалле. Неоднородности по причинам их возникновения можно разделить на две группы: сегрегационные и технологические.

Сегрегационные (или как их часто называют фундаментальные) связаны с закономерными изменениями состава растущего кристалла, обусловленными основными законами фазовых превращений в многокомпонентных системах. Эти закономерные неоднородности охватывают весь объем выращенного кристалла.

Технологические неоднородности имеют незакономерный характер. Они связаны с нарушениями стабильности условий роста кристаллов и охватывают небольшие объемы кристалла. Ясно, что технологические неоднородности могут быть устранены усовершенствованиями технологической аппаратуры для выращивания монокристаллов полупроводников и подбором оптимальных условий роста. Подобные способы уже рассматривались в предыдущей главе. В тоже время сегрегационные неоднородности таким путем устранены быть не могут. Для борьбы с ними необходимо разрабатывать специальные методы.

Методы выравнивания сегрегационных неоднородностей состава кристалла делятся на две группы: пассивные и активные методы. В первом случае монокристаллы с заданной однородностью распределения примеси получают без внесения каких-либо изменений в кристаллизационный процесс, то есть используются части кристалла с приблизительно равномерным распределением примеси. Под активными методами подразумеваются такие, которые позволяют активно влиять на ход процесса легирования во время роста, то есть по существу, позволяют программировать процесс изменения состава.

Эффективность метода выравнивания состава оценивают величиной, называемой выходом процесса или выходом годного материала. Выходом принято называть отношение части количества вещества с необходимыми для дальнейшего использования свойствами к общему его количеству, подвергнутому технологической обработке. В литературе также часто используется такое понятие, как теоретический выход годного материала. Имея аналитическое выражение для распределения состава в кристалле, выращиваемом каким-либо методом, можно рассчитать значение теоретического выхода для этого процесса. Поскольку теоретический расчет учитывает только сегрегационные неоднородности состава, то значение теоретического выхода будет характеризовать максимальный предел, выше которого нельзя увеличить реальный выход годного материала.

3.1 Пассивные методы выравнивания состава

Однородные кристаллы полупроводников проще всего получить, используя без всяких изменений обычные кристаллизационные процессы: нормальную направленную кристаллизацию и зонную плавку. В этом случае используют приблизительно однородно легированную часть кристалла. Анализ кривых распределения примесей в этих процессах показывает, что наиболее равномерно легированная часть кристалла примыкает к одному из его концов, поэтому целесообразно для дальнейшей работы использовать именно эти части.

При выращивании легированных кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации состав исходного расплава обычно задают так, чтобы требуемая концентрация примеси оказалась в начале слитка.

Оценка значения расчетного выхода с приемлемым (±10%) разбросом состава по длине слитка при выращивании легированных кристаллов методом нормальной направленной кристаллизации показала низкую эффективность этого метода для получения однородного материала (при K = 0.1 теоретический выход равен 10.5%). Однако, благодаря своей простоте этот метод иногда применяется для получения легированных монокристаллов методом Чохральского.

Рассмотрим теперь возможности использования приблизительно равномерно легированной части кристаллов, выращиваемых методом зонной плавки. Теоретический выход процесса в этом случае, как показывают оценки, зависит от распределения примеси в исходном материале. Наиболее распространенным в данной технологии является в среднем равномерное исходное распределение примеси.