Основы радиационных технологий . Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнечных элементов n+ –p–p+ (p+–n–n+)- типа Методические указания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 1248

Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков

А.А. Полисан В.П. Астахов

Основы радиационных технологий

Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных

атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнечных элементов n+ñpñp+(p+ñnñn+) типа

Методические указания

Рекомендовано редакционно издательским советом института

Москва Издательство ´УЧЕБАª 2007

УДК 621.315.59 П50

Р е ц е н з е н т канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук

Полисан А.А., Астахов В.П.

П50 Основы радиационных технологий. Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнеч- ных элементов n+–p–p+(p+–n–n+)-типа: Метод. указания. –

М.: МИСиС, 2007. – 18 с.

В методических указаниях рассматриваются принципы расчета режимов ионной имплантации при формировании структур n+–p–p+(p+–n–n+)-типа и профилей распределения имплантированной примеси. Излагается методика расчета в программе Math Cad 2001.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 150601 «Материаловедение и технология новых материа- лов» и 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

♥Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) (МИСиС), 2007

3

ВВЕДЕНИЕ

Ионная имплантация является одним из наиболее распространен- ных методов радиационной технологии, использующихся при изго- товлении полупроводниковых приборов. При внедрении ускоренных ионов в решетку твердого тела они теряют свою энергию за счет не- упругих и упругих столкновений (взаимодействие с электронами атомов мишени и с ядрами атомов мишени, соответственно) вплоть до остановки. Если энергия иона, переданная атому при упругом столкновении, превышает энергию связи атомов в мишени, то атом выбивается из узла решетки с образованием пары Френкеля (вакан- сия и междоузельный атом). Первичный выбитый атом при даль- нейшем движении в кристалле выбивает из узлов вторичный и по- следующие атомы, что приводит к накоплению радиационных де- фектов. Внедренный ион может попасть в узел решетки, проявляя донорные или акцепторные свойства. Ионы, остановившиеся в меж- доузлиях, не являются электроактивными.

Для устранения радиационных дефектов, вызванных ионной им- плантацией, и перевода примеси в электроактивное состояние прово- дят постимплантационный отжиг. Обычно отжиг содержит этап электроактивации и этап «разгонки» имплантированной примеси для достижения требуемой глубины залегания легированного слоя. Элек- троактивация при отжиге учитывается введением коэффициента ис- пользования ионно-внедренной примеси k, значения которого опре- делены по экспериментальным данным. «Разгонка» является само- стоятельной задачей и в данной работе не рассматривается. Отметим только, что этот этап отличается от «разгонки» в диффузионном ме- тоде формирования легированных слоев наличием так называемой радиационно-стимулированной диффузии.

Аналогично проводятся расчеты и для биполярных приборных кремниевых структур, с той только разницей, что в этом случае им- плантация ионов донорной и акцепторной примесей проводится с одной стороны кремниевой пластины, а при формировании структур для солнечных элементов донорная примесь имплантируется с одной стороны кремниевой пластины, а акцепторная – с другой. При этом n+–p(p+–n)-переход является фронтальным легированным слоем, на ко- торый падает солнечное излучение, а изотипные барьеры p–p+(n–n+) – тыльным легированным слоем.

4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Траектория движения имплантируемого иона представляет собой ломаную линию. Полный путь иона в кристалле (длина пробега) яв- ляется случайной величиной и для совокупности внедренных ионов оценивается средним значением пробегов R. С точки зрения практи- ческого использования более важным параметром является проекция среднего пробега на направление первоначальной траектории дви- жения иона – Rp (средний проективный пробег). Разброс отдельных проективных пробегов относительно среднего пробега оценивается дисперсией пробега Rp. Параметры Rp и Rp зависят от энергии иона Е, эффективного диаметра атома примеси (или от порядкового номе- ра Z в периодической таблице элементов) и увеличиваются с увели- чением Е и уменьшением Z.

Профиль распределения имплантированной примеси по глубине легированного слоя N(x) зависит также от кристаллографической ориентации мишени, температуры мишени и некоторых других фак- торов. Однако в первом приближении он может быть оценен по уп- рощенной модели Линдхарда–Шарфа–Шиотта, справедливой для аморфной мишени, где рассеяние ионов носит случайный характер, а распределение пробегов описывается функцией Гаусса (достаточно хорошо согласующейся с экспериментальными величинами):

где Q – доза имплантации, равная произведению плотности ионного тока j на время облучения t. Считается, что на глубине Rp + 3 Rp со- средоточены почти все имплантированные атомы примеси и эта глу- бина примерно равна глубине залегания p–n-перехода.

При проведении постимплантационного отжига повышается кон- центрация электроактивной примеси, что учитывается в расчетах ко- эффициентом использования примесных атомов k.

Данные расчеты носят оценочный характер, но их результаты яв- ляются отправными параметрами для экспериментальной отработки этих технологических процессов.

5

2.ЗАДАНИЕ

2.1.Определить режимы имплантации: энергии ионов (Е), дозы

имплантации (Q) и длительности процессов имплантации (t) для ионов бора и фосфора при формировании n+–p–p+-структуры на кремнии р-типа проводимости для солнечных элементов, для которой заданы следующие параметры:

–глубина залегания фронтального легированного слоя ( dn+ − p );

–глубина залегания тыльного легированного слоя ( d p− p+ );

–средняя концентрация фосфора во фронтальном легированном слое ( NсрР );

–средняя концентрация бора в тыльном легированном слое ( NсрВ );

–концентрация примеси бора в исходном материале ( NисхВ ).

Считать, что коэффициент использования примесных атомов по- сле отжига составляет: для бора kВ = 0,8; для фосфора kР = 0,98.

2.2. Пользуясь данными табл. 2.1, рассчитать профили распреде- ления имплантированных атомов.

раполяцией их зависимости от Е в соответствующих интервалах энергий. Значения Rp и Rp, выходящие за рамки указанных значе- ний, определяются также линейной экстраполяцией ближайшего участка их зависимости от Е.

6

Таблица 2.2

Варианты заданий

7

3. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Для нахождения энергий и доз имплантации ионов бора и фосфо- ра сначала рассчитывают дозы легирования Q, см–2 исходя из задан- ных глубин залегания легированных слоев и средних концентраций бора и фосфора в этих областях. Расчет производят с учетом величин коэффициентов использования примеси при последующем отжиге по формулам

Длительность процессов имплантации бора (tB) и фосфора (tP) оп- ределяют по формулам

где j – плотность тока соответствующих ионов.

Принимают jВ = jР = 1 мкА см–2 = 6,2 1012 ион см–2 с–1 или 6,2 1012 см–2 с–1. Тогда, например, при дозе 1,24 1015 см–2 длительность процесса будет составлять:

Таким образом, дозы и длительности процессов оказываются оп- ределенными.

Определение энергий ионов бора и фосфора производят с исполь- зованием формулы (1.1) и табл. 2.1. Сначала по данным табл. 2.1 вы- бирают такую энергию ионов бора, которая соответствует значению

8

получалось значение N(x) = NисхВ с точностью ± 20 %. После того,

как подобрана энергия, по формуле (1.1) строят профиль распределе- ния атомов бора.

Подбор энергии ионов фосфора производится аналогично.

Примечания

1.Построение профилей распределения бора и фосфора произво- дят с обозначением координат переходов.

2.Количество расчетных точек на каждом участке профиля долж- но быть не менее 20 с равномерной разбивкой по координате.

9