15. Практичнi методи проведення iонної iмплантацiї

Іонне легування широко застосовується при створенні напівпровідникових мікросхем та транзисторних приладів. На відміну від дифузії, іонне легування дозволяє створювати шари з товщиною меншою 0,1 мкм з високою відтворюваністю параметрів.

Іони елементів, які використовуються зазвичай для створення домішкової провідності, проникаючи у кристал напівпровідника, займають у його ґратці положення атомів заміщення і створюють відповідний тип провідності. Легуючи в монокристал кремнію іони III і V груп, можна отримати p-n перехід в будь-якому місці і на будь-якої площі кристалу.

При виготовленні біполярних транзисторів іонну імплантацію використовують для отримання емітера, бази, колектора, сильнолегованих областей для колекторного і базового контактів, розподільної дифузії, прихованих n⁺-шарів тощо.

Іони азоту застосовуються для зміцнення поверхні сталевих ріжучих інструментів (фрези, свердла та ін). Імплантація цих іонів запобігає утворенню тріщин на поверхні металу і зменшує коррозійні та фрикційні властивості сталі, що є важливим у медицині при виготовлення протезів, авіа- і космобудованні.

Технологія іонної імплантації дозволяє обробляти робочі лопатки парових турбін розміром до 1700 мм.

Іонна імплантація використовується як один з методів для надання верхньому шару металу аморфної структури.

16. Автоепiтаксiя кремнiю хлоридним та силановим методами.

В настоящее время большинство микросхем создается на базе автоэпитаксиальных слоев кремния или эпитаксиальных слоев кремния на сапфире.

Наиболее распространены процессы в газовой фазе (хорошая управляемость, воспроизводимость, однородность, большие площади). Концентрация примесей может быть изменена в широких пределах. Недостаток - наблюдаемое перераспределение примесей на границе слой – подложка. Устраняется формированием активной зоны прибора в объеме эпитаксиального слоя.

Промышленными методами получения автоэпитаксиальных слоев кремния являются хлоридный и силановый.

В основе хлоридного метода процесса лежит восстановление тетрахлорида кремния водородом: SiCl₄+2H₂Si+4HCl – реакция многостадийная.

Процесс проводят в горизонтальных или (чаще) в вертикальных реакторах в проточной системе при термостатировании. Парогазовая смесь образуется при пропускании Н₂ через испаритель с SiCl₄. Максимальный выход Si имеет место при Т=1479К и мольном соотношении Н₂ к SiCl₄ как 200:1.

 Скорость роста зависит от ориентации подложек (минимальная для грани [111]) и несколько больше для [110].

Для легирования бором и фосфором применяют BBr₃ (BCl₃), PCl₄. Их упругость пара близка к упругости SiCl₄, а для высокоомных слоев используют SbCl₃.

Надежными способами получения легированных слоев является газоразрядный или электроискровой. На Pt – электроды помещают GaP, GaAs, GaSb, LaB₆. Далее возбуждают электроискровый разряд. Соединения различаются и в атмосфере Н₂ образуются РН₃, AsH₃(стибин), B₂H₆(диборан). Ga – уносится газовым потоком. Иногда используют специальные стандартные смеси этих газов с концентрацией от 0,01 до 5 % при 100 ат.

Хлоридный метод не позволяет получать высокоомные слои вследствие загрязнения слоя летучими примесями.

Получение эпитаксического слоя Si.

Силановый метод получения эпитаксиальных слоев кремния основан на пиролизе моносилана. Приобретает ведущую роль. Позволяет получать высокоомные однородные слои Si.

В его основе реакция разложения силана: SiH_4(г)Si_(тв)+ 2H_2(г) Т≈1000°С.

Так как в этом методе температура ниже, чем в хлоридном, то уменьшается диффузия примесей.

Реактор для эпитаксиального роста обычно совмещают с установкой синтеза моносилана. Его получают двумя путями: по реакции

SiCl₄ + LiAlH_{4 (гидрид)}SiH₄ + LiCl + AlCl₃

или

MgSi + 2H₂ → SiH₄ + 2MgO.

SiH₄ – безцветный газ, самовоспламеняющийся при контакте с воздухом. При добавлении 5% Н₂или Ar теряется способность к самовоспламенению. Т_кип=161К, Т_затв=88,3К, Р_крит=48,3 атм. Хранят в баллонах при 60 атм. Оптимальная концентрация SiH₄ в реакторе 0,04 об %. Оптимальная температура процесса 1050÷1100°С. Скорость роста пленки в этих условиях ~ 0,8 мкм/мин, концентрация до 10^-4 об. % (PH₃, AsH₃, B₂H₆).

При утворенні епітаксійних шарів відбувається інтенсивне впровадження домішки, яка є в підкладці, - в епітаксійний шар. Це особливо помітно при нарощуванні високоомних шарів на сильноліговані підкладки. Прикладом можуть слугувати біполярні мікросхеми, в яких епітаксійний шар n- типу нарощується на сильнолігований «скритий» n+- шар.

При автолегуванні впровадження домішки з підкладки обумовлено травленням підкладки ( при реакції з хлористим воднем ). В результаті такого травлення утворюються не тільки хлориди кремнію, але й хлориди домішок.

На рис.2 показано розподіл домішки в епітаксійному шарі, вирощеному на підкладці n+ - типу.

 Рисунок 2 - Розподіл домішки в епітаксійному шарі товщиною  , вирощеному на підкладці  - типу.

 Хлориновий ( хлоридний ) метод обмежує одержання тонких епітаксійних шарів. Для вирішення цієї задачі використовується силановий метод, в основі якого лежить реакція піролітичного розкладання моносилану:

При силановому методі використовують установки, аналогічні тим, що застосовуються при хлоридному методі. Реакція піролітичного розкладу починається при температурі  . Ріст якісних шарів проходить при температурі біля  . Переваги силанового методу: більш низька температура процесу. Крім того, при силановому методі не утворюється ніяких галогенідів, здатних травити підкладку і, тим самим, переносити домішку через газову фазу в зростаючий епітаксійний шар.