Легирование полупроводников

Для изготовления элементов микросхем требуется метод се-
лективного легирования кремниевой подложки с целью создания
в ней областей N- или P-типа. До начала 70-х годов для легиро-
вания использовалась диффузия в печи при температу-
рах 950-1280 °С (рисунок 2.15,а). Диффузионный процесс произ-
водится в два этапа. На первом этапе атомы легирующей при-
меси осаждаются на поверхность подложки или в приповерхностном слое из
газовой фазы или нанесенного на подложку слоя, содержащего
требуемую легирующую примесь (процесс загонки). Затем осуществляется про-
цесс разгонки, во время которого легирующие атомы продвига-ются в глубь подложки. Характер результирующего распределе-
ния примеси определяется прежде всего способом предваритель-
ного осаждения примеси в приповерхностном слое подложки, тогда
как глубина диффузии зависит в основном от температуры и
времени диффузионной разгонки.

Рисунок 2.15 - Сравнение процессов диффузии и ионной имплантации для селективного введения примесей в кремний: а – диффузия, б – ионная имплантация

Параметры процесса	Диффузия	Ионная имплантация
Управление процессом Однородность легирующей примеси и воспроизводимость	± 5% на пластине ± 15% общая	± 1% общая
Возможность загрязнения	Большая	Пренебрежимо малая
Конструкционные материалы	Тугоплавкие металлы, поликремний	Тугоплавкие и нетугоплавкие материалы
Окружающая среда	Печь	Вакуум

В начале 70-х годов селективное внедрение примесей в кри-
сталлический кремний стали проводить при комнатной темпера-
туре методом ионной имплантации, который иллюстриру-
ется на рисунке 2.15,б, а позднее методом, основанным на преобра-
зованиях ядер, вызываемых потоками нейтронов. Эти методы
обеспечивают лучшее управление процессом легирования, чем
при диффузии.

Диффузия примесей

Диффузия используется для введения в полупроводник не-
которого заданного количества легирующей примеси. Большин-
ство примесных атомов располагаются в кремнии в узлах кри-
сталлической решетки, замещая основные атомы. Эти примеси
могут перемещаться в направлении пустых узлов кристалличе-ской решетки (вакансий). При очень высокой температуре
(1000°С) многие атомы кремния покидают узлы решетки, и
плотность вакансий становится высокой. Если существует гра-
диент концентрации, то атомы примеси перемещаются по ва-
кансиям, как показано на рисунке 2.16 а, и происходит диффузия
в твердом теле. Когда после диффузии кристалл остывает, ва-
кансии исчезают, а примесные атомы, занимающие узлы ре-
шетки, фиксируются. Примесные атомы, которые занимают пространство между
основными атомами, называются межузельными примесями.
Примесные атомы перемещаются по кристаллической решетке
скачками от одного межузлия (или узла) к другому. При высо-
кой температуре пространство между атомами увеличивается
так, что примеси могут диффундировать по межузлиям, как по-
казано на рисунке 2.16 б. После охлаждения кристалла межузель-
ные атомы могут вернуться в узлы, замещая основные атомы, и стать электрически активными. Замещение является меха-
низмом диффузии для бора, фосфора и большинства примесей,
используемых для легирования кремния. Особым исключением
является золото, которое диффундирует в основном по междо-
узлиям.

Рисунок 2.16 - Диффузия примесей в кристаллической решетке:

а – диффузия атомов примеси по вакансиям; б – диффузия атомов примеси по межузлиям

Рисунок 2.17 - Процесс диффузии примесных атомов

Рисунок 2.18 - Предельные растворимости распространенных легирующих примесей

в кремнии в зависимости от температуры

Обе стадии диффузионного процесса – загонка и разгонка
примесей – описываются уравнением диффузии

(2.10)

при соответствующих граничных условиях, представленных на
рисунке 2.17.

Зависимость от температуры предель-
ной растворимости в кремнии некоторых часто используемых
примесей показана на рисунке 2.18.На рисунке 2.19 представлена тем-
пературная зависимость коэффициента диффузии различных
примесей. Формирование P-N перехода может быть осуществлено
диффузией примеси P- типа в материал N- типа. В этом случае
распределение примеси определяется как

, (2.11)

где N_c – исходная концентрация примесей в кремнии N - типа.
Величину расстояния p-n перехода от поверхности z, можно
получить при подстановке в формулу (2.11) N = 0:

z_i = . (2.12)

Глубина залегания p-n - перехода является важным парамет-
ром полупроводниковых приборов.

На рисунке 2.20 показаны профили распределения примесей для
p-n - перехода и n-p-n транзистора, изготовленных методом
диффузии. Профиль легирующей примеси изменяется каждый
раз при повторных нагревах подложки, когда проводится оче-
редной термический процесс: окисление или диффузия. Это оз-
начает, что при разработке технологического процесса для по-
лучения требуемых глубин залегания переходов и профилей ле-
гирующих примесей необходимо учитывать каждый термиче-
ский процесс.

а б

Рисунок 2.20 - Профили распределения примесей в p-n переходе (а) и n-p-n транзисторе (б),

изготовленных методом диффузии

2.1.4.2. Ионная имплантация примесей

При ионной имплантации атомы легирующей примеси иони-
зируются, а затем ускоряются в электрическом поле до высоких
энергий (30 - 350 кэВ), как показано на рисунке 2.21. Магнитный
масс-сепаратор отделяет ненужные ионы от легирующих. После
прохождения через отклоняющую и фокусирующую системы
ионный пучок направляется на полупроводниковую мишень, где и
оны высокой энергии проникают в поверхностный слой полу-
проводника. Ионы теряют свою энергию при столкновениях
с ядрами и электронами материала мишени и в конце концов
останавливаются. Весь путь, который проходит ион до своей
полной остановки, называется его пробегом (R), а проекция
этого пути на направление падения ионного пучка называется
проекцией пробега (Rp).

Профиль легирования обычно характеризуется проекцией
пробега и ее разбросом DR_p. На рисунке 2.22 приведены графики
зависимости R_p и R_p + DR_pот энергии внедренных в кремний ионов бора, фосфора и мышьяка. Если предположить, что полу-
проводник ориентирован относительно ионного пучка не по на-
правлению главных кристаллографических осей, то результирую-
щие профиля легирования примесей по своему виду близки к
распределению Гаусса. Концентрация легирующей примеси
в зависимости от расстояния от поверхности кремния определяется как -

, (2.13)

где N_макс = (2.14)

N_D = (Число имплантированных атомов)/см².

Однако если ион проникает в кристалл кремния параллельно
главной кристаллографической оси или плоскости, то глубина
проникновения увеличивается за счет эффекта каналирования,
что приводит к профилю распределения, показанному на
рисунке 2.23. Пространственное селективное легирование прово-
дится с помощью маски, в качестве которой используется дву-
окись кремния с фоторезистом заданного рисунка.

Рисунок 2.21 - Схема ионной имплантации для селективного внедрения примесей в кремний

Основное преимущество ионной имплантации заключается
в удобстве управления этим процессом. Точное количество ле
гированных в кремний ионов можно определить путем измере
ний иоиного тока и времени имплантации. Концентрацию при-
месей можно изменять в широких пределах, так как количество
внедренной примеси не зависит от условий ее растворимости
в кремнии. Кроме того, регулируя ускоряющее напряжение,
можно изменять распределение примеси, что является также преимуществом по сравнению с высокотемпера-
турной диффузией.

Поскольку ускоренны-
е ионы соударяются
с атомами кремния,
в кристаллографической
решетке образуется зна-
чительное количество де-
фектов. Однако большин-
ство этих дефектов мо-
жет быть исправлено пу
тем отжига подложек
при температуре 700 -
1000 °С. Отжиг приводит к тому, что смещенные
атомы возвращаются
в свои равновесные поло-
жения в решетке, тем самым восстанавливая монокристаллическую структуру. Хотя во время
отжига и происходит некоторая диффузия примесей, темпе-
ратура при этом обычно гораздо ниже, а продолжитель-
ность процесса короче, чем для типичных диффузионных
циклов.

Рисунок 2.22 - Изменения проекции пробега ионов Rp и стандартного отклонения этой величины D Rp в зависимости от энергий имплантированных ионов

Рисунок 2.23 - Эффект каналирования ионов в кремниевом кристалле вдоль

главной кристаллографической оси или плоскости

В последнее время после легирования для устранения обра-
зованных при ионной имплантации дефектов используется мощ-
ное лазерное облучение. Для отжига лазеры используются
в двух режимах: в импульсном и непрерывном. В случае импуль-
сного режима лазер с модулированной добротностью очень бы-
стро (за 30 - 50 нс) нагревает узкую поверхностную область
подложки. Эта область расплавляется и рекристаллизуется, об-
разуя высококачественный монокристаллический слой и пол-
ностью отожженный профиль с имплантированной примесью.
В случае непрерывного режима лазерный луч сканирует всю поверхность подложки и нагревает кремний до температуры ниже точки плавления. В данном случае дефектные области превращаются постепенно в недефектные из глубины подложки по направлению к ее поверхности, подобно тому как образуются мо-
нокристаллические слои в эпитаксиальном процессе; при этом
диффузия (перераспределение) примесей не наблюдается.