Легирование полупроводниковых материалов

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 уже выращенных кристаллов.

Оно осуществляется методом диффузии примеси из внешней газовой, жидкой или твердой фаз, методом радиационного легирования и методом ионной имплантации.

Суть радиационного 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.

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 (в кремнии в диапазоне 10¹⁴–10²¹ см⁻³). Кроме того, можно легко управлять профилем распределения внедренных ионов по глубине подложки.

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 см⁻², там, где это возможно, ею заменяют процессы диффузионного легирования.

Легирование объемных кристаллов в процессе 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.

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.

Технологические неоднородности имеют незакономерный характер. Они связаны с нарушениями стабильности условий роста кристаллов и охватывают небольшие объемы кристалла.

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

Первая группа методов выравнивания состава кристаллов

Механическая подпитка расплава твердой фазой

1. Идея первого способа состоит в опускании в расплав подпитывающего стержня (рис. 12). Процессом подпитки можно управлять, меняя площадь поперечного сечения подпитывающего стержня, его состав и механическую скорость его подачи. При необходимости в расплав может одновременно вводиться несколько стержней.

2. Второй способ подпитки — метод расплавленного слоя (рис. 13). В этом случае слиток подпитывающего материала помещают в нижней части кристалла, выращивание которого ведут с вершины подпитывающего слитка, подплавляемого специальным нагревателем. Рост кристалла в этом случае сопровождается синхронным перемещением подпитывающего слитка вверх. Этот метод имеет определенные преимущества: а) возникающие в расплаве концентрационные и тепловые потоки симметричны; б) процесс выращивания проводится в бестигельных условиях.

Механическая подпитка расплава жидкой фазой

Механическую подпитку кристаллизуемого расплава жидкой фазой чаще всего осуществляют при выращивании кристаллов методом Чохральского. Наибольшее распространение получили две модификации этого метода: первый — вытягивание монокристалла из расплава в плавающем тигле или в тигле, механически перемещающемся относительно внешнего контейнера, с которым они связаны капиллярным каналом (рис. 14); второй метод — вытягивание кристалла из тигля, разделенного перегородкой, через которую рабочая и подпитывающая части тигля соединены капиллярным каналом (рис. 15). В обеих модификациях в рабочем режиме в соединительном канале идет непрерывный поток расплава по направлению к рабочему объему. При этом перенос примесного компонента в канале состоит из двух частей: потока, вызванного потоком жидкости, и потока, обусловленного молекулярной диффузией. Для управления процессом выравнивания состава вытягиваемого кристалла необходимо, чтобы перенос примеси в канале осуществлялся только механическим перетоком расплава, а выравнивающее действие молекулярной диффузии было подавлено. Это условие легче всего выполняется при использовании длинных и узких соединительных каналов-

капилляров.

Рис. 14. Основные варианты капиллярной подпитки: а — плавающий тигель; б — механически опускаемый тигель (1 — расплав; 2 — кристалл; 3 — внутренний тигель; 4 — капилляр трубка; 5 — внешний тигель; 6 — держатель внутреннего тигля; 7 — двигатель; 8 — держатель кристалла).

Рис.15. Схема капиллярного двойного тигля: 1 — капиллярный канал; 2 — расплав; 3 — кристалл.

 

 

 

 

5.2.1.3. Механическая подпитка расплава газовой фазой

Механическую подпитку кристаллизуемого расплава газовой фазой осуществляют как при выращивании кристаллов методом Чохральского, так и при выращивании методом зонной плавки. Подпитка может проводиться как нелетучей, так и летучей примесью. В случае нелетучей примеси обычно эта примесь подводится к расплаву в виде летучего химического соединения, которое, взаимодействуя с расплавом, разлагается, вводимая примесь выделяется и легирует расплав. Такой процесс выделения примеси в результате химических реакций используется лишь для примесей с K > 1. Процесс подпитки кристаллизуемого расплава паровой фазой может осуществляться как путем поглощении примеси (K > 1) из газовой фазы, так и путем ее испарении (K < 1) из расплава.

5.2.2. Вторая группа методов выравнивания состава кристаллов (изменение условий выращивания)

Выравнивание состава выращиваемого кристалла с помощью программного изменения условий роста можно построить исходя из двух принципов.Процессы, основанные на первом принципе, сводятся к программному изменению скорости вытягивания и вращения кристалла. Суть методов, основанных на этом принципе, сводится к следующему. Если легирование кристалла проводится нелетучей примесью с K < 1, то по мере вытягивания монокристалла концентрация примеси в расплаве непрерывно увеличивается и для получения равномерно легированного кристалла режим выращивания должен быть построен так, чтобы по мере роста кристалла коэффициент разделения примеси непрерывно уменьшался. Управлять изменением K можно, изменяя скорость вытягивания или частоту вращения кристалла. Согласно второму принципу параметры системы меняются так, что состав расплава в течение процесса выращивания кристалла остается постоянным. Этого можно добиться в случае, когда подпитка не производится и легирование кристалла осуществляется нелетучей примесью, изменением объема расплава в ходе процесса, то есть либо изменением длины расплавленной зоны, либо применяя слитки переменного сечения. Однако вследствие сложности практического осуществления эти методы выравнивания состава на практике не применяются.