В. И. Смирнов (987304), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Распределение примеси поцепторы и наоборот.глубине (ограниченный источник)Глубинузалеганияр-п-переходаможно рассчитать аналитически, если известны доза легирования Q и исходнаяконцентрация примеси Сисх:x p − n = 2 ⋅ D ⋅ t ⋅ lnC0C исх,37где величина С0 определяется выражениемC0 =Q.πDtТаким образом, если известна доза легирования, исходная концентрацияпримесных атомов в пластине, а также технологические параметры процесса(тип примесных атомов и температура), то можно рассчитать время диффузии,которое необходимо для того, чтобы сформировать p-n-переход на заданнойглубине.Факторы, влияющие на скорость диффузииНа скорость диффузии оказывают влияние такие факторы, как температура; тип примесных атомов и среда, в которой они диффундируют; наличиедефектов кристаллической решетки; концентрация вводимой примеси и концентрация примеси, уже имеющейся в пластине.
С повышением температурыскорость диффузии возрастает, поскольку увеличивается вероятность перескокапримесного атома из одного положения в другое, причем зависимость эта примерно экспоненциальная.Тип атомов также влияет на скорость диффузии, поскольку для разныхатомов различны энергия активации диффузии и, что более важно, может бытьразличен и сам механизм диффузии.
Как уже отмечалось, примесные атомы,диффундирующие по вакансионному механизму, имеют значительно болеенизкийкоэффициентдиффузии,чематомы,диффундирующиепо междоузлиям.Влияние дефектов кристаллической структуры на скорость диффузиипримесных атомов обусловлено тем, что дефекты создают вокруг себя механические напряжения, способствующие образованию вакансий. Это, в свою очередь, увеличивает скорость диффузии атомов, перемещающихся по вакансионному механизму.Влияние концентрации примесных атомов (вводимых в пластину или ужеимеющихся в ней) обусловлено тем, что при высоких температурах практически все они находятся в ионизированном состоянии: доноры становятся положительно заряженными ионами, акцепторы – отрицательно заряженными. Если, например, пластина была легирована донорами, а в нее вводятся акцепторы,то за счет дополнительного воздействия электрического поля доноров ионыакцепторы будут диффундировать быстрее.
Если же пластина была легированадонорами, а в нее вводятся снова доноры, то их скорость диффузии из-за электрического поля будет меньше.На скорость диффузии влияет и концентрация самой вводимойв пластину примеси, причем это влияние проявляется заметно лишьпри условии, что концентрация вводимой примеси превышает собственнуюконцентрацию свободных носителей заряда в полупроводнике.
Если, например,38вводятся доноры, то, как уже отмечалось, в кристаллической решетке они ионизируются с образованием свободных электронов и положительно заряженных ионов-доноров. Электроны являются значительно более подвижными частицами, поэтому они быстро диффундируют в глубь кристалла и создают электрическое поле, действующее на ионы-доноры. В результате эффективный коэффициент диффузии донорных примесных атомов возрастает. Разумеется,данный эффект заметно проявляется только тогда, когда дополнительное увеличение свободных электронов в кристалле превышает количество собственных носителей.3.4.
Формирование структур методом ионной имплантацииСущность метода и отличительные особенностиИонная имплантация – это управляемое введение примесных атомовв поверхностный слой подложки путем бомбардировки ее ионами с энергиейот нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлектрон-вольт (обычноот 20 кэВ до 100 кэВ). Процесс ионного легирования осуществляют для модификации свойств (в первую очередь электрофизических) поверхностного слоя.Избирательность процесса легирования обеспечивается либо сканированиемостросфокусированного ионного пучка по заданной программе, либо перемещением широкого ленточного пучка по предварительно маскированной поверхности.Ионы при движении в подложке сталкиваются с атомами подложкии выбивают их из своих узлов.
В результате вдоль траектории движения имплантированныхионовобразуютсямногочисленныевакансиии междоузельные атомы, то есть создаются радиационные дефекты. Когдаплотность пучка ионов превышает некоторое критическое значение, может образоваться сплошной аморфный слой. В результате столкновений ионовс атомами мишени они теряют свою энергию и, в конечном итоге, останавливаются (обычно в междоузлиях). Для того чтобы внедренные таким образоматомы смогли выполнить свои функции доноров или акцепторов,их необходимо перевести из междоузлий в узлы кристаллической решетки.
Этоосуществляют с помощью термического отжига. Другой важной задачей отжига является устранение возникших радиационных дефектов и восстановлениеисходной кристаллической структуры. Температура и продолжительность отжига определяется тем, насколько сильно нарушена кристаллическая структураподложки.Метод ионного легирования имеет ряд преимуществ по сравнениюс методом диффузии. Во-первых, этот метод универсален, так как с его помощью можно вводить любые примеси в любое твердое тело. Во-вторых,он обеспечивает высокую чистоту легирования, практически исключающуюпопадание неконтролируемых примесей в легированный слой. В-третьих, ионное легирование проводится при низких температурах (вплоть до комнатных),39что позволяет использовать в качестве масок слои из фоторезиста.
В-четвертых,данный метод легирования гораздо более управляем, чем метод диффузии. Изменяя плотность пучка ионов и их энергию, можно в достаточно широких пределах варьировать количество имплантированных примесных атомов и глубинуих залегания.Серьезным ограничением метода является малая глубина проникновенияионов в подложку и, вследствие этого, малая глубина залегания р-п-переходов.Это затрудняет выполнение последующих технологических операцийи предъявляет высокие требования к качеству поверхности исходной подложки.Есть проблемы с легированием пластин большого диаметра из-за расфокусировки ионного пучка при больших отклонениях его от нормали. Радиационныедефекты хотя и устраняются в значительной степени отжигом, тем не менее оставшаяся часть может негативно сказаться на работе полупроводниковых приборов.Упрощенная схема установки для ионной имплантации представленана рис.
3.9. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – источник ионов (газоразрядная камера); 2 – вытягивающийэлектрод; 3 – электромагнитнаяфокусирующая линза; 4 – ускоряющий электрод; 5 – отклоняющие ионный пучок пластины; 6 – входная и выходнаядиафрагмы; 7 – магнитный сепаратор; 8 – подложка; 9 – держатель подложки.Наличие в установке дляионной имплантации магнитноРис. 3.9. Схема установкидля ионной имплантацииго сепаратора обеспечивает высокую чистоту легирования.Принцип действия сепаратора основан на взаимодействии магнитного поля,созданного в сепараторе, с движущимися ионами. В результате действия силыЛоренца ионы движутся по дуге окружности, радиус R которой определяетсявыражениемR=2mU,qB2где m − масса иона; U − ускоряющее напряжение; q − заряд иона; B − магнитнаяиндукция.
Поскольку радиус кривизны траектории зависит от массы иона,то это дает возможность настроить сепаратор таким образом, чтобы через еговыходную щель проходили только ионы определенной массы. Все другие ионыбудут задерживаться диафрагмой и подложки не достигнут.40Физические основы метода. Распределение имплантированных ионовпо глубине.
Эффект каналированияПри движении ионов в подложке в результате столкновений с атомнымиядрами и электронами они теряют свою энергию и останавливаются. Длина пути иона от поверхности подложки (точка А на рис. 3.10) до точки останова(точка В) называется длиной пробега R, а ее проекция на направление первоначального движения – проекцией пробега Rx.Именно эта величина и определяет глубину проникновения иона в подложку. Движущиеся ионымогут остановиться в любой точке внутри подложки, так как столкновения с тормозящимичастицами носят случайный характер. Поэтомуследует ввести понятие «распределение пробегаионов».
Для разъяснения этого понятия используют такие параметры, как средний пробег ионов и среднеквадратичное отклонение пробегаРис. 3.10. К определениюионов. Аналогичные характеристики использупараметров пробега ионовются и для определения проекций пробега ионов. В дальнейшем под Rx и ∆Rx будем понимать именно средние характеристики проекций пробега.Глубина проникновения ионов в подложку и распределение пробега ионов в аморфной подложке зависит, главным образом, от энергии ионов, а такжеот вещества подложки, массы и атомного номера ионов. Для монокристаллических подложек на распределение пробега оказывает влияние кристаллографическая ориентация подложки относительно пучка ионов.Рассмотрим кратко физические основы процессов потери энергии ионовпри их торможении в подложке.
Теория ионной имплантации ионовв аморфную подложку была разработана датскими учеными Линдхардом,Шарфом и Шиоттом и получила название теории ЛШШ. Согласно этой теориидвижущиеся в подложке ионы теряют свою энергию в основном за счет двухмеханизмов: из-за столкновений с атомными ядрами мишени (ядерное торможение) и из-за взаимодействия с электронами (электронное торможение). Впервом приближении считается, что оба вида потерь не зависят друг от друга идействуют одновременно. Потеря энергии ионов на единице длины пробегав этом случае определяется выражениемdE= N ⋅ (Sn + Se ),dxгде Е − энергия иона в произвольной точке х на его траектории движения;N – концентрация атомов подложки; Sn и Se – ядерная и электронная тормозныеспособности. Знак минус показывает, что энергия иона при торможенииуменьшается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
