Для чего применяют легирование полупроводников
Легирование (полупроводники)
При производстве полупроводниковых приборов легирование является одним из важнейших технологических процессов (наряду с травлением и осаждением).
Связанные понятия
300 К) полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 10−4−10
10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
100 000), малой коэрцитивной силой, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнито-механических устройствах и других устройствах.
Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.
ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
для электронного типа проводимости и
Примеси тяжёлых и благородных металлов (Fe, Ni, Сг, Mb, W, Сu, Ag, Au и др.) образуют «глубокие» уровни в запрещённой зоне, имеют большие сечения захвата носителей и являются эффективными центрами рекомбинации, что приводит к значит. снижению времени жизни носителей. Эти примеси обладают малой и ярко выраженной ретроградной растворимостью. Их используют для получения полупроводников с малым временем жизни носителей или с высоким удельным сопротивлением, достигаемым за счёт компенсации мелких энергетич. уровней противоположной природы. Последнее часто применяют для получения полуизолирующих кристаллов широкозонных соединений 
(GaAs, GaP, InP, используют примеси Fe, Ni, Cr). Основные характеристики наиболее распространённых примесей в важнейших полупроводниках даны в табл.
Методы легирования. Л. п. обычно осуществляют непосредственно в процессах выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур. Примесь вводится в расплав, раствор или газовую фазу. Расчёт необходимого содержания примеси требует знания количественной связи между её концентрацией и свойствами полупроводника и свойств примеси: коэф. распределения К между фазами, упругости паров и скорости испарения в широком интервале темп-р, растворимости в твёрдой фазе и т. д.
При Л. п. необходимо равномерное распределение примеси в объёме кристалла или по толщине эпитаксиального слоя. При направленной кристаллизации из расплава равномерное распределение примеси по длине слитка достигается поддержанием постоянной её концентрации в расплаве (за счёт его подпитки) либо программированным изменением коэф. распределения примеси. Последнее достигается изменением параметров процесса роста. Повысить однородность распределения примесей в монокристаллах можно воздействуя на расплав магн. полем. Магн. поле, приложенное к проводящему расплаву, ведёт к возникновению пондеромоторных сил. Последние резко снижают интенсивность конвекции и связанные с ней флуктуации темп-ры и концентрации примесей. В результате однородность кристалла повышается. Однородного распределения при эпитаксии из жидкой фазы достигают кристаллизацией при пост. темп-ре; в случае газофазной эпитаксии, обеспечивая пост. концентрацию примеси в газовой фазе над подложкой.
Радиационное легирование. Доноры и акцепторы могут возникать в результате ядерных реакций. Наиб. важны реакции под действием тепловых нейтронов, к-рые обладают большой проникающей способностью. Это обеспечивает однородность распределения примеси. Концентрация примесей, образующихся в результате нейтронного облучения, определяется соотношением
метод перспективен для легирования GaAs и др.
В скобках указана темп-ра, соответствующая макс. растворимости.
Лит.: Горелик С. С., Дашевский М. Я., Материаловедение полупроводников и металловедение, М., 1973; Мильвидский М. Г., Пелевин О. В., Сахаров Б. А., Физикохимические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений, М., 1974; Легирование полупроводников методом ядерных реакций, Новосиб., 1981.
Легирование полупроводников
Легирование полупроводниковпредставляет 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.
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 Dи 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 Dзависит от температуры Т следующим образом:
где D0 – 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 (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 Xпредставляет 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; NД – 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 Будет полезно почитать по теме:
Легирование полупроводников.
Легирование− добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) его физических и химических свойств. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование. В разных отраслях применяются разные технологии легирования. При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости. Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип). Легирование может осуществляться как в процессе выращивания монокристалла, так и на последующих стадиях обработки.
В настоящее время легирование производят тремя основными технологическими способами: диффузией, лазерным легированием и ионной имплантацией
Термодиффузия,или термическая диффузия примесей (ТДП), является самым простым способом легирования полупроводников. Термодиффузия включает следующие этапы: осаждение легирующего материала, термообработка (отжиг) для внедрения примеси в легируемый материал, удаление легирующего материала.
Возможны три механизма осуществления диффузии легирующе-го элемента: обмен местами из одного равновесного состояния в другое; движение по вакансиям; движение по межузлиям.
Диффузионное введение примеси используется при создании структур с р-n-переходами. Профиль распределения концентрации примеси при диффузии определяется: температу-рой и временем проведения процесса, толщиной слоя, из которого осуществляется диффузия, концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также её электрическим зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами. ТДП сопровождается генерацией значительного количества дефектов, в частности дислокаций. Методом диффузии трудно получить тонкие легированные слои и резкие р-n-переходы.
Лазерное легированиезаключается в насыщении материала легирующими элементами посредством диффузии предварительно нанесенного слоя под воздействием лазерного пучка. При этом достигается высокая концентрация легирующих компонентов в поверхностных слоях материалов. Лазерное легирование позволяет осуществить локальный нагрев участка образца, а также относительно просто производить регулировку температуры. По способу подвода лазерного излучения различают две схемы: прямую и обратную. В прямой схеме лазерный луч попадает на легируемую поверхность, в обратной схеме подложку облучают с обратной стороны. При использовании обратной схемы энергия квантов излучения должна быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, иначе излучение будет поглощаться подложкой.
Недостатком данного способа является то, что легирование полупроводников осуществляют при больших интенсивностях лазерного излучения из-за необходимости локального нагрева поверхности полупроводника в области контакта с материалом примеси. Необходимость предварительного подогрева полупроводниковых подложек до 500÷600 °С и специфические процессы протекания диффузии примеси приводят к появлению механических напряжений, которые в ряде случаев достаточны для образования трещин на всю глубину легированного слоя.
Ионная имплантация– процесс внедрения примесей в подложку путем бомбардировки ее поверхности ионами примесей.
Идея использования ионного пучка для легирования полупроводников (в частности, Si) достаточно проста. Разогнанные электрическим полем, обладающие значительной энергией ионы элементов, используемых обычно для создания примесной проводимости, внедряясь в кристалл полупроводника, занимают в его решетке положение атомов замещения и создают соответствующий тип проводимости.
Ионное легирование по сравнению с методом диффузии имеет ряд преимуществ: позволяет в более широких пределах и с большей точностью варьировать величину поверхностной концентрации примесей; вести процесс при более низких температурах; допускает существенно больший выбор легирующих примесей; позволяет получать разнообразные по форме примесные распределения с чёткими границами областей легирования; обеспечивает большую чистоту внедряемых примесей и возможность локального легирования (либо узким ионным пучком, либо с помощью защитных масок).