Лабораторная работа № 2

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УМЕНЬШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ИХ ВНЕДРЕНИИ В ПОДЛОЖКУ С ВЫСОКИМИ ДОЗАМИ.

При легировании кремния достаточно высокими концентрациями примеси () ее атомы могут образовывать преципитаты и кластеры в кремнии. Преципитация, происходящая из-за превышения предела растворимости примеси в твердом теле, обычно связана с большим числом атомов, образующих макроскопические дефекты в исходной решетке, содержащие 10²-10³ атомов и имеющие размеры до нескольких десятых долей микрометра.

Кластеры содержат обычно от двух до четырех примесных атомов (иногда больше), которые образуют связи друг с другом, одновременно сохраняя связи с исходной решеткой. Кластеры формируются до достижения предела растворимости примеси. Главная роль преципитации и кластеризации при диффузии примесей заключается в том, что количество электрически активных (т.е. находящихся в узлах решетки) атомов примеси в кремнии меньше количества атомов, внедренных в процессе легирования.

Преципитация и кластеризация уменьшают коэффициент диффузии при термообработке, т.к. только часть примеси находится в узлах решетки, она и является мобильной. Наиболее склонны к образованию прицепитатов и кластеров бор и мышьяк. Причем, появление кластеров наблюдается в кремнии независимо от способа легирования – имплантацией или диффузией. В случае легирования кремния фосфором кластеризации не наблюдается.

А. Кластеризация мышьяка

Наиболее ярко выражено явление кластеризации при легировании кремния мышьяком. Кластеры мышьяка могут содержать от 2 до 4 атомов примеси. Такой кластер из 4 атомов мышьяка образует внутри элементарной ячейки кремния тетраэдр, центр которого может совпадать с центром нормального тетраэдрического междоузлия, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Возможная структура мышьякового комплекса в кремнии

Светлые кружочки – атомы кремния затененные – атомы мышьяка. Четыре атома мышьяка образуют правильный тетраэдр, центр которого совпадает с центром нормального тетраэдрического междоузлия.

Концентрационный профиль мышьяка после загонки при низкой поверхностной концентрации (см^-3) близок по форме к распределению – erfc, с ростом концентрации до 10²⁰ см^-3 профиль мышьяка приближается к прямоугольному, его полная концентрация существенно отличается от концентрации активной примеси (рис. 2).

Рис.2 Распределение мышьяка в кремнии: часть примеси неактивна из-за кластеризации

Такое же явление наблюдается при имплантации мышьяка. Следует отметить, что кластеры образуются при сравнительно невысоких температурах диффузии и отжига: 800-900⁰С. С ростом температуры наблюдается распад или диссоциация кластеров.

Характерна также концентрационная зависимость коэффициента диффузии мышьяка, которая показывает, что при низких концентрациях (<10¹⁸ см^-3) коэффициент диффузии постоянен, с ростом концентрации до 10²⁰ см^-3 он достигает максимума, а затем, с дальнейшим ростом концентрации, уменьшается. Увеличение коэффициента диффузии можно связать с взаимодействием примеси с акцепторными моновакансиями с энергиями E_v1 и E_v2, а уменьшение – с образованием кластеров. Причем диффузия через акцепторные вакансии проходит с сохранением локального равновесия вблизи каждого кластера.

Наиболее распространенная модель предполагает, что кластер состоит из трех атомов и одного электрона, причем атомы электрически активны при температуре диффузии и электрически нейтральны при комнатной температуре:

где и - константы скорости кластеризации и распада кластера соответственно.

Из закона действующих масс для высокотемпературной области следует, что константа равновесия или равновесный коэффициент кластеризации определяется как

где - концентрация носителей;- концентрация атомов мышьяка в узлах, т.е. концентрация электрически активной примеси- концентрация кластеризованных атомов.

При комнатной температуре кластер электрически нейтрален, и концентрация носителей составляет. Таким образом, общее число атомов мышьякаможет быть выражено в виде суммы отдельных атомов и атомов, входящих в кластеры:

Наилучшее совпадение с экспериментальными данными наблюдается при коэффициенте кластеризации