1.2. Радиационно-стимулированная диффузия

Одной из важнейших электронных технологий является ионная имплантация – внедрение в полупроводник–мишень ионов легирующей примеси, ускоренных до энергий в десятки и сотни килоэлектронвольт. В результате столкновений с атомными ядрами и электронами мишени внедряемый ион теряет энергию и в конечном итоге останавливается на некотором расстоянии от точки падения на поверхность мишени. Процесс торможения является статистическим, поэтому предсказать точку остановки конкретного иона нельзя. Но можно вывести теоретически функцию пространственного распределения ионов в полубесконечном полупроводнике. Впервые это сделали в 1963 году датские физики Линдхард, Шарф и Шиотт. В одномерном случае, что физически соответствует облучению широким ионным пучком, функция распределения ЛШШ имеет вид

(1.12)

Если доза облучения составляет , то концентрация примеси на глубине от поверхности равна

(1.13)

Параметры и называются средним проективным пробегом и разбросом пробегов соответственно. Они монотонно возрастают с ростом энергии ионов. Метод ионной имплантации позволяет гибко и точно управлять глубиной залегания p-n –перехода. Но неизбежным сопутствующим эффектом является образование огромного числа неравновесных радиационных дефектов – вакансий, междоузельных атомов и более сложных комплексов. Поэтому после имплантации приходится проводить термический отжиг полупроводника при температуре порядка для восстановления его кристаллической структуры и электрического активирования примесных атомов. При такой температуре диффузионная подвижность примесных атомов становится столь высокой, что происходит их пространственное перераспределение и деформация исходного профиля. На перераспределение примесных атомов оказывают самое существенное влияние радиационные дефекты, так как внедрённые атомы диффундируют в составе примесно-дефектных комплексов, образованных ими с вакансиями и междоузельными атомами. При диффузии по вакансионному механизму коэффициент диффузии атома можно приближённо представить в виде

(1.14)

где - равновесный коэффициент диффузии, - равновесная концентрация вакансий, - их реальная концентрация. Избыточные нравновесные вакансии сами распределены в полупроводнике неоднородно. После имплантации их распределение может быть в первом приближении описано функцией распределения , аналогичной (1.12),

(1.15)

Параметр задаёт положение максимума распределения вакансий, он всегда меньше . есть ширина распределения, она, как правило, немного больше . При температурах отжига подвижность вакансий очень высока, они быстро диффундируют вглубь полупроводника и рекомбинируют на стоках. Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни вакансий . В результате профиль распределения вакансий является функцией координат и времени. Следовательно, зависит от координат и времени также и коэффициент диффузии примеси . Поэтому перераспределение примеси при отжиге описывается в первом приближении двумя диффузионными уравнениями: