Образование преципитатов, геттерирование и другие эффекты при легировании фосфором

Фосфор при легировании кремния играет роль не только активного донора, но используется как геттер. Выделяясь при больших концентрациях, в виде преципитатов, он создаст стоки для быстро диффундирующих примесей, таких как Au, Cu, Li.

Характерный диффузионный профиль фосфора (рис. 1.2) можно разделить на три области: область высокой концентрации (вблизи поверхности), переходную или область средних концентраций и область низких концентраций. В области высокой концентрации часть ионов фосфора, объединяясь с вакансиями, дает комплексы {P^•V"}'. В кремнии вблизи переходной области вероятность образования комплексов меньше, в результате чего возрастает количество несвязанных вакансий и ускоряется диффузия в области средних и низких концентраций фосфора.

Когда концентрация фосфора в кремнии выше 5·10²⁰ см^–3, то на диффузию влияет искаже­ние кристаллической решетки. В таком сильнолегированном ма­териале величина деформаций несоответствия за счет разницы в размерах атомов Si и Р оказы­вается достаточной для искаже­ния кристаллической решетки и уменьшения ширины запрещен­ной зоны E_g кремния. Это препятствует образованию ком­плексов {P^•V"}', в результате чего сохраняется повышенная концентрация вакансий и уско­ряется диффузия примесей.

Рис. 1.2. Схема диффузионного профиля фосфора в кремнии

Влияние окисляющей среды

Легирование кремния В, Р, As в окисляющей среде показа­ло, что глубина залегания р- n перехода под окислом больше, чем, например, под слоем Si_зN₄. При легировании Sb наблюдался об­ратный эффект. Это получило следующее объяснение. При окис­лении на границе SiO₂-Si возникает большой избыток Si_i – межузельного кремния, который диффундирует в объем кристалла. Поскольку соотношение концентраций V_Si и Si_i в объеме кремния определенное (в равновесных условиях), то появление большого количества межузельного кремния должно уменьшать концентра­цию вакансий. Замедление диффузии Sb в окислительных усло­виях объясняется тем, что сурьма диффундирует исключительно по вакансиям, а увеличение скорости диффузии Р и В предпола­гает для них возможность перемещения частиц и по межузлиям. Присутствие в приповерхностном слое кремния в окислительной среде большого избытка Si приводит, кроме рассмотренных эффектов, к образованию дефектов упаковки внедрения и, как след­ствие, – скоплений легирующей примеси на этих структурных не­совершенствах.

Методы измерения

Экспериментальные методы контроля реального процесса диффузии включают: измерения глубины р- n перехода и по­верхностного сопротивления диффузионного слоя; различные ме­тоды измерения профиля диффузии – в том числе вольтфарад­ный метод; масс-спектроскопию вторичных ионов; метод сопро­тивления растекания и др. [1, 4]. Рассмотрим более подробно один из них, использованный в данной работе.

Определение глубины р-п перехода и поверхностного сопротивления

Результаты процесса диффузии можно проконтролировать по измерениям глубины р- n перехода и поверхностного сопротивле­ния легированного слоя. Глубину р- n перехода определяют под микроскопом после вскрытия его сферическим или косым шлифом (рис. 1.3). Химическое окрашивание придает разные оттенки р- и n - областям. Для этого наносят на сошлифованную поверхность кап­лю смеси, состоящей из 100 мл НF (49%) и 2–5 капель НNО_з. По­сле выдержки на ярком свете область р-типа в травителе темнеет по сравнению с областью n -типа проводимости.

Рис. 1.3. Определение глубины р- n перехода методом сфериче­ского шлифа

Возможно проводить трав­ление с декорированием р-п пе­рехода медью. В частности, ис­пользуется травитель состава 30 мл 4%-ного водного раствора Сu(NО_З)₂ и 2–3 капли НF. Медь осаждается на n - области, оттеняя р- n переход. Сильное освещение ускоряет процесс.

Величину поверхностного сопротивления диффузионного слоя можно измерить четырехзондовым методом (см. дополнительное описание к работе). Для данного диффузионного профиля средняя величина удельного сопротивления ρ связана с глубиной р- n перехода

ρ = R_s x _j .                                               (1.15)

Зависимости концентрации примеси на поверхности диффу­зионного слоя C_s от величины среднего удельного сопротивления слоя ρ при различных значениях x/x _j и фиксированных значени­ях С_П предложены Ирвином для простых диффузионных профи­лей [1,4]. Кривые Ирвина широко используются при обработке результатов измерений на диффузионных слоях кремния, легиро­ванного основными примесями, при известном диффузионном профиле распределения примеси. Этот метод неприменим при высокой концентрации примеси и малой глубине диффузии.

ЗАДАНИЕ

1. Считая, что легирование осуществляется из ограничен­ного (или постоянного по заданию преподавателя) источника при заданных значениях температуры диффузии, С_П, типа про­водимости подложки и легирующей примеси, определить за­висимость х_j от t (1.5).

2. Для предложенной пластины кремния, на которой по­лучен диффузионный р-п переход, по методу сферического шлифа, определить х_j и сравнить экспериментальные данные с рас­четными.

3. Рассчитать (1.9) и построить диффузионные профили для t = 0,06; 0,25; 1 и 4 часа.

4. Промерить четырехзондовым методом поверхностное удельное сопротивление и по кривым Ирвина (см. дополни­тельное описание) определить поверхностную концентрauию примеси в диффузионном слое. Сравнить полученную величину C_s с расчетными данными.

Вопросы к зачету

1. Воспользовавшись соотношениями (1.4) или (1.9), выведите уравнение, определяющее глубину залегания р-п перехода при заданном уровне легирования подложки С_п.

2. Получив у преподавателя значения, например, C_s = 10¹⁹ см^–3 при распределении примеси по дополнительной функции ошибок и Q_s = 10¹³ см^–2 при гауссовом распределении примеси, С_п = 10¹⁵ см^–3 и D = 10^–15 см²·с^–1, рассчитайте глубину р-п перехода и градиенты концентрации для обоих видов распределения.

3. Для определения возможности применения собственного коэффициента диффузии при данной температуре, необходимо знать собственную концентрацию носителей п_i. Воспользова­вшись для кремния соотношениями

п_i = 2,869·10¹⁵ Т ехр( – E_g / 2kT);

E_g= 1,21 – 2,3·10^–4 Т,

где 1,21 эВ – ширина запрещенной зоны Si при 0 К, – постройте график зависимости п_i от температуры.

4. Объясните, что влияет на отклонение реальных профилей диффузии от расчетных, полученных в предположении постоян­ного коэффициента диффузии.

5. Объясните принцип четырехзондового метода измерения удельного сопротивления диффузионного слоя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология СБИС / Под ред. Зи С. М.: Мир, 1986. Т. 1. С. 227 – 290.

2. Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961. 462 с.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1968. 690 с.

4. Павлов Л. П. Методы измерения параметров полу­проводниковых материалов. М.: Высш. ШК., 1987. С. 30–32.

Лабораторная работа № 2

Изучение особенностей легирования методом ионной имплантации

Цель работы – ознакомление с основами ионного леги­рования, расчетом дозы, профилей распределения примеси, глубиной залегания переходов.

Методом ионной имплантации называют процесс внедрения – имплантации – в полупроводиик ионизованных час­тиц. Энергия легирующих ионов до 0,5 МэВ достаточна для их проникновения в подложку на глубину до 1 мкм.

Ионное легирование имеет ряд преимуществ по сравне­нию с обычными методами диффузионного легирования:

- возможна более точная дозировка количества вводи­мой примеси и высокая однородность легирования по площади пластин;

- низкая температура и сокращение длительности про­цесса легирования обеспечивают сохранение ранее сформи­рованных профилей распределения примеси и высокую чис­тоту процесса;

- более проста методика создания локально легирован­ных областей полупроводника, так как в качестве масок ис­пользуют широкий набор материалов в том числе и слои фоторезистов;

- возможность легирования сквозь тонкие слои, находя­щиеся на поверхности полупроводника, возможность форми­рования под поверхностью полупроводника слоев оксидов или иных соединений;

- менее жесткие требования к чистоте легирующего ве­щества, которое дополнительно очищается при разделении ионов по массам в ускорителе.

Наиболее существенным недостатком ионного легирова­ния является образование большого числа радиационных де­фектов. Кроме того, непосредственно после легирования часть примесных ионов занимает неузловые положения в ре­шетке и поэтому электрически неактивна. Для восстановле­ния совершенства кристаллической решетки необходим по­следующий отжиг. Температура отжига обычно заметно меньше, чем температура, при которой осуществляется леги­рование методом диффузии.

Оборудование

На рис. 2.1 приведена схема промышленной установки для проведения процесса ионной имплантации.

Рис. 2.1. Схема установки ионной импланта­ции:

1 – газовый источник, 2 – блок питания источника ионов, 3 – источник ионов,  4 – ионный пучок, 5 – магнитный анализатор ионов по массе, 6 – апертурная диафрагма, 7 – ускоряющая трубка, 8 – мишень, 9 – от­клоняющие пластины сканирования пучка, 10 – диффузионные насосы; 11 – апертурная диафрагма,            12 – ловушка Фарадея, 13 – механизм перемещения подложки

В качестве источника легирующей примеси 1 используют­ся газообразные соединения, например ВF₃ или АsН₃. Через регулируемый блок питания 2 газ направляется к источнику ионов 3. Источник ионов создает ионную плазму частиц ⁺As⁷⁵, ⁺B¹¹ или ⁺BF₂⁴⁹ при давлении порядка 1 Па. Переход ионов из источника 3 в пучок 4 обеспечивается за счет раз­ряжения, которое создается диффузионным насосом 10. Магнитный сепаратор ионов 5 разделяет их по массовым чис­лам (отношение массы иона к его заряду). Только нужные частицы с выбранным массовым числом проходят через щель – апертурную диафрагму 6 и попадают в ускоряющую трубку 7, после прохождения которой ионный пучок подго­товлен к бомбардировке мишени 8. К отклоняющим по осям х и у пластинам 9 приложено пилообразное напряжение; пластины сканируют ионный пучок для обеспечения одно­родности внедрения ионов по площади мишени. Во избежание перезарядки ионов при столкновении с атомами оста­точных газов по пути следования ионного пучка установле­ны диффузионные насосы канала пучка и прием ной камеры 10. Камера мишени состоит из апертурной диафрагмы 11, ловушки Фарадея 12 и механизма перемещения подложки 13. Сканирование ионного пучка ограничено площадью апер­турной диафрагмы. Подложка имеет хороший электрический контакт с металлическим держателем мишени, который присоединен к заземленному интегратору заряда. Проходя через интегратор заряда, электроны нейтрализуют имплан­тированные ионы в кремниевой подложке.

Управление дозой имплантированных ионов

Доза имплантированных ионов Ф, см^–2, определяется ин­тегрированным зарядом Q, Кулон:

Ф=Q/mqА=Jt/mqА,                                (2.1)

где q – заряд электрона, m – кратность заряда нона в пуч­ке, А – площадь сканирования на подложке.

Интегрированный заряд Q задается током пучка ионов J, А, протекающим за время t, с. Концентрацией вводимой примеси можно управлять c точностью 1·10¹⁵ см^–3. Методом ионной имплантации при токе в несколько мА в течение 100 с возможно получить концентрацию легирующей приме­си порядка 10²⁰–10²¹ см^–3.

Пробеги ионов

Имплантированные ионы при внедрении в мишень много­кратно сталкиваются с атомами мишени, теряют свою энергию и останавливаются на расстоянии R_p от поверхности (рис. 2.2). При этом общая траектория движения иона или длина пробега равна R, а R_p – проецированная длина про­бега на направление, перпендикулярное к поверхности. Чис­ло столкновений каждого иона с атомами мишени различно, и поэтому различны величины R_p отдельных ионов. Флуктуации (или рассеяние) величины проецированного пробега обозначим ∆R_p.

Рис. 2.2. Радиационные дефекты, вводимые имплантированным ионом, и схематическое изображение полной R и проецированной R_р длин пробега,                    а также проецированного ∆R_p и бокового ∆R_p┴ рассеяния