2. Введение примеси в уже полученный полупроводниковый кристалл:

1. Диффузионное легирование.

Используется в приборной технологии, осуществляется либо из газовой фазы, либо нанесением диффузанта непосредственно на поверхность полупроводникового материала.

Позволяет легировать только тонкую приповерхностную область и сильно зависит от структурного совершенства исходного кристалла.

2. Ионная имплантация.

Пластина полупроводника в вакууме подвергается бомбардировке ионами легирующего элемента.

Достоинства:

• гибкость (можно менять глубину проникновения ионов; изменяя интенсивность потока ионов, легко управлять уровнем легирования);

• легированию подвергаются тонкие приповерхностные слои.

Недостатки:

• нарушение структуры поверхностного слоя полупроводника и беспорядочный характер вхождения ионов в решетку;

• необходимость после имплантационного отжига пластины, который, перемещая примесь в электрически активные позиции, уменьшает концентрацию образовавшихся дефектов.

3. Облучение полупроводникового материала.

Свойства полупроводника меняются при облучении потоками элементарных частиц.

1. Облучение нейтронами

Например, при облучении кремния нейтронами происходит реакция:

.

Время полураспада составляет ~ 2,6 часа. Фосфор в кремнии является, как известно, донорной примесью.

Достоинства:

• однородное распределение легирующей примеси в кристалле;

• возможно легирование объемных кристаллов большого размера благодаря высокой проникающей способности нейтронов как нейтральных частиц.

Ограничения:

• исходные кристаллы должны быть высокой степени чистоты, так как наличие неконтролируемых примесей может приводить к побочным ядерным реакциям с образованием долго живущих изотопов;

• равномерность потока нейтронов по энергии и интенсивности, так как наличие нейтронов с высокой энергией приводит к нежелательным реакциям;

• возникновение структурных дефектов, и для их удаления необходим отжиг после облучения.

2. Облучение электронами.

Метод основан на регулировании образования собственных точечных дефектов, проявляющих электрическую активность. Широкого применения метод не находит.

Лекция №9.

Схема расчёта легирующих добавок при выращивании кристалла

1. Легирование введением нелетучей примеси в расплав.

Предположим, что необходимо получить материал n-типа проводимости с удельным сопротивлением ρ_n, но исходный материал обладает p-типом проводимости за счет фоновой примеси, которая определяет удельное сопротивление ρ_р исходного материала.

Необходимо найти навеску m_d.^ж. легирующей добавки, вводимой в жидкую фазу.

• Находим (см^-3) – концентрацию акцепторной примеси в исходном материале.

,

где e – заряд электрона (1,602·10^-19Кл), а _р – подвижность дырок.

Очевидно, что концентрация примеси в жидкой фазе, без учета разности плотностей твердой и жидкой фаз, будет равна концентрация примеси в исходном кристалле:

=.

Концентрация акцепторной примеси в выращенном кристалле связана с концентрацией в жидкой соответствующим коэффициентом распределения :

.

• Если акцепторная примесь содержится и в контейнерном материале с концентрацией , то переход примеси из контейнера в расплав пропорционален площади контакта расплава и контейнера S и времени контакта . В свою очередь, переход примеси в растущий кристалл определяется коэффициентом распределения. Тогда:

,

где – приведенный коэффициент распределения для второй акцепторной примеси.

Таким образом, суммарная концентрация акцепторной примеси в кристалле будет:

.

• Для компенсации акцепторной примеси необходимо ввести в кристалл эквивалентное количество донорной примеси:

.

Кроме того, для обеспечения требуемого значения удельного сопротивления концентрация донорной примеси в кристалле должна составлять:

.

Общая концентрация донорной примеси в выращенном кристалле должна быть:

.

• Для выращивания такого кристалла в жидкой фазе необходимо обеспечить концентрацию донорной примеси:

,

где – коэффициент распределения донорной примеси.

• Определим навеску легирующей примеси:

,

где – атомная масса легирующей донорной примеси; - объем жидкой фазы; – число Авогадро, равное 6,02·10²³ат., и d^ж. – плотность жидкости.

2. Легирование летучей примесью из расплава.

При легировании летучей примесью необходимо вводить поправки на испарение летучей примеси из расплава. В этом случае согласно (60):

-открытая поверхность расплава, с которой происходит испарение;  – коэффициент испарения, который характеризует количество испаряющейся примеси с единицы поверхности в единицу времени при единичной разности между концентрациями (см·с^-1).

Потери легирующей примеси из расплава составят:

.

Чтобы компенсировать испарение из расплава, необходимо обеспечить технически сложно выполнимое условие:

.

Эту задачу решают либо с помощью второй температурной зоны в печи, создающей равновесное давление летучей примеси, препятствующего испарению, либо программируемым растворением в расплаве дополнительного заранее легированного кристалла (использование подпитки).

3. Легирование с помощью лигатуры.

Легирование с помощью лигатуры применяют главным образом в двух случаях.

Во-первых, при необходимости обеспечить низкий уровень легирования растущего кристалла, а также при коэффициенте распределения легирующей примеси больше 1 , рассчитанная навеска легирующей примеси может оказаться столь малой, что технически трудно реализуемой.

Во-вторых, как было показано выше, при выращивании кристалла с распределение примеси по длине кристалла будет неоднородным, и проведенные расчеты уровня легирования будут справедливы лишь для начальной его части. Кроме того, возможно испарение примеси из расплава в процессе выращивания. Все это приводит к необходимости поддержания постоянства состава жидкой фазы в процессе кристаллизации. Одним из способов управления составом жидкой фазы является программируемое растворение во время выращивания в расплаве дополнительного кристалла с известной концентрацией примеси (лигатуры).

Допустим, что легирующий кристалл (лигатура) обладает удельным сопротивлением .

Тогда концентрация примеси в лигатуре ():

Из условия материального баланса:

где - объем растворенной лигатуры.

Откуда масса лигатуры рассчитывается, пренебрегая отличием плотностей жидкой и твердой фаз, как:

4. Легирование из газовой фазы

Расчет уровня легирования растущего кристалла сводится, в конечном итоге, к решению элементарных диффузионных задач (см. курс «Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов»).

Однако, для корректной формулировки задачи очень важны условия процессов и технологическое оформление. Поэтому на практике легирование производят по номограммам легирования, основанным на экспериментальных результатах.