Легирование материалов радиационным способом

Легирование уже выращенных кристаллов полупроводников и диэлектриков, т.е. в твёрдой фазе, можно осуществлять методом диффузии примеси из внешней газовой, жидкой или твёрдой фаз и методом радиационного легирования. При облучении кристаллов полупроводников и диэлектриков ядерными частицами (нейтронами, протонами, γ-квантами и др.) в результате протекания ядерных реакций может наблюдаться превращение частиц атомов основных компонентов вещества в атомы других химических элементов, ранее отсутствовавших в материале (трансмутационное легирование). Это явление в настоящее время находит все более широкое применение для однородного легирования выращенных кристаллов. Наибольшее практическое применение для радиационного легирования получило использование тепловых нейтронов, поскольку большинство элементов имеют сравнительно высокие значения захвата сечения ядерной реакции на тепловых нейтронах. Кроме того, достаточно доступны для практического использования очень высокие потоки тепловых нейтронов, особенно в ядерных реакторах. Концентрация легирующей примеси, введённой радиационным легированием при облучении тепловыми нейтронами, вычисляется по формуле

С_пр = ФσС_осн._каτ,                          (3.10)

где Ф – плотность потока тепловых нейтронов; а – изотопное эффективное сечение ядерного превращения по данной ядерной реакции;  С_осн._к – концентрация атомов основного компонента; а – распространённый изотоп основного компонента, испытывающего ядерное превращение; τ – время облучения.

В качестве примера легирования кристаллов облучением их тепловыми нейтронами рассмотрим радиационное легирование кремния.

Естественный кремний представляет собой смесь трёх стабильных изотопов: ²⁸Si (92,28 %), ²⁹Si (4,67 %) и ³⁰Si (3,05 %). При облучении кремния медленными нейтронами ядра этих изотопов, поглощая нейтроны и испуская γ-кванты, превращаются, соответственно, в изотопы ²⁹Si, ³⁰Si и ³¹Si. Изотоп ³¹Si нестабилен и распадается с периодом полураспада 2,6 ч, превращаясь в стабильный изотоп фосфора ³¹Р. Концентрацию введённого таким образом фосфора рассчитывают по (3.10). При этом считается, что за время выдержки образца после облучения распадутся практически все ядра нестабильного изотопа ³¹Si.

Так как в (3.10.) σ , С_осн.к и а – физические характеристики исходного материала, а плотность потока медленных нейтронов в каждой серии процессов легирования можно считать постоянной, то концентрация вводимого фосфора зависит только от времени облучения (рисунок 3.5), которое можно контролировать с высокой степенью точности (~1% и лучше). Однородность распределения концентраций фосфора и соответственно удельного сопротивления по объёму кристалла в первую очередь зависит от распределения концентрации остаточных после выращивания монокристаллов компенсирующих примесей в кремнии (бора). Следовательно, для получения кристаллов кремния, однородных по удельному сопротивлению, необходимо, чтобы концентрация вводимого фосфора была намного больше остаточной концентрации бора. Измерения микро- и макрораспределений удельного сопротивления вдоль оси и радиуса слитков показывают, что неоднородность удельного сопротивления по слитку при радиационном легировании не превышает ±3 %. Это значительно превышает степень однородности распределения удельного сопротивления по объёму легированных монокристаллов кремния, выращенных из расплава.

Рисунок 3.5 – График зависимости концентрации атомов фосфора, вводимого в кремний, от длительности облучения кристаллов тепловыми нейтронами

Недостатком метода радиационного легирования является одновременное образование в облучаемых кристаллах радиационных нарушений кристаллической решётки. Причём в ядерном реакторе помимо медленных нейтронов обычно присутствуют быстрые нейтроны и мощное γ-излучение. В результате суммарного действия всех этих частиц в легируемый кристалл вводится заметное количество радиационных дефектов, которые существенно изменяют электрофизические свойства кремния. Поэтому обязательной стадией процесса при получении радиационно-легированного материала является термообработка кристаллов после облучения, что необходимо для отжига радиационных дефектов и достижения требуемых электрофизических свойств кремния. Относительно полное восстановление свойств кремния, легированного в реакторе, достигается после отжига при температуре 800 °С в течение 1 ч.

Вторым недостатком данного метода легирования являются стоимость облучения и необходимость введения мер радиационной безопасности.

Нейтронное трансмутационное легирование кристаллов – важная и быстро развивающаяся область технологии полупроводников. Этим методом можно производить легированный материал в объёмах, значительно превосходящих объёмы, получаемые другими радиационными методами, используемыми в технологии полупроводников (например, метод ионной имплантации).

Кремний, легированный нейтронной трансмутацией, в промышленных масштабах стал производиться в 1975 г. и является основным материалом для производства силовых приборов, где в качестве главного требования выдвигается высокая однородность распределения примесей в кристалле. Ежегодное использование такого кремния составляет свыше 100 т.

Метод радиационного легирования находит все большее применение для легирования других полупроводниковых материалов, им осуществляют легирование германия галлием и мышьяком, антимонида индия оловом, арсенида галлия германием и селеном и т. д.