Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
Авторы благодарят товарищей по работе за полезные советы и помощь при подготовке рукописи.
Критические замечания по книге просим направлять по адресам: 630090, г. Новосибирск, 90, проспект Науки,, 13, Институт физики Полупроводников; г. Оопинск Калужской области, филиал Фйзико-химического института им. Л. С. Карпова.
Л. С. Смирнов
Глава 1
ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Легирование полупроводникового материала — это контролируемое введение необходимой концентрации определенной примеси. В настоящее время в технике используются материалы с разной степенью легирования — от очень «чистых« кристаллов с концентрацией электрически активной примеси менее 1012 см-3 до сильно легированных с концентрацией примеси более 1020 см-3. Планарная технология изготовления полупроводниковых приборов предъявляет все более, жесткие требования к технике легирования. Это прежде всего получение равномерно легированных кристаллов и тонких слоев (1 — 10 мкм) и легирование небольших объемов сложной конфигурации. По этой причине методы легирования развиваются и совершенствуются. Подробное описание традиционных методов и ссылки на оригинальную литературу можно найти в монографиях [1—12].
1.1. ЛЕГИРОВАНИЕ ИЗ РАСПЛАВА
Из энергетических соображений следует, что примесь Нб-г одинаково распределена между жидкой и твердой фазами. Распределение характеризуется коэффициентом к, который представляет собой отношение концентраций В. твердой (ААв) И жидкой (А^) фазах. Для равновесных условий
. к = Н.гВ!Мж. (1-1)
Для двухкомпонентной системы, состоящей из растворите-' ля и растворенного вещества, следует рассматривать две качественно различающиеся ситуации: к > 1 и к < 1. При к >> 1 температура плавления растворителя с введением примеси повышается, а для к <С 1 точка плавления понижается. Для большинства примесей, растворенных в германии и кремнии^ более характерен последний случай. При иллюстрации рас, пределения примесей между двумя фазами обычно берут малые концентрации, для которых линии ликвидуса и солидуса можно считать прямыми. При более высоких концентрациях линии искривляются и их положение зависит от концентрации примеси. :
у В случае к > 1 примеси концентрируются в твердой фазе*, которая обогащается ими, и, наоборот,, при к <1 примеси в процессе затвердевания отгоняются от твердой фазы и последняя очищается. В обоих случаях вблизи границы раздела в жидкости возникают градиенты концентраций, причем их относительная крутизна зависит от скорости переноса примеси в жидкости и скорости движения границы раздела. Для к < 1 вблизи поверхности создается слой, обогащенный примесью^ а для к > 1 — обедненный примесыо.
Если концентрация в расплаве равна N0f то концентрация примеси в первой порции затвердевшего вещества составляет «Л о- В процессе дальнейшей кристаллизации растворенные атомы примеси будут концентрироваться на поверхности раздела, и по мере уменьшения объема жидкости концентрация примеси в ней увеличится от начального значения А^0 до М0/к. Концентрация примеси в твердой фазе, при атом возрастает Ш Ш0 до Лг0.
. Истинная сегрегация примесей в данном кристалле будет функцией условий переноса, преобладающих в жидкости. Эти условия можно классифицировать следующим образом,
1. Примесь, выделяющаяся на поверхности раздела, быстро распределяется в расплаве благодаря сильному перемешиванию.
2. В расплаве отсутствует конвекция перемешиванием,; а перенос примеси от поверхности раздела осуществляется исключительно диффузией.
3. Промежуточный случай между условиями 1 и 2. Примесь переносится через тонкий приповерхностный слой расплава б в объем путем диффузии, а. в объеме преобладают конвекция и перемешивание. Применительно к германию и кремнию наиболее часта последняя ситуация.
В первом случае базируются на предположениях об однородности концентрации в расплаве, пренебрежимой малости диффузии в твердой фазе и постоянстве значения к. Концентрацию растворенного вбщества в жидкости можно записать в виде . , 1
• ¦ Л ж =¦ ЛГ/(1 - - ‘ (1.2)
где N количество примеси, оставшейся в жидкости после затвердевания объема д. Тогда с учетом (1.1)
— /сЛг/(1—- д). (1-3)
Исходя из дифференциальных уравнений (1.2) и (1.3) и учитывая, что начальная концентрация примеси равна /\А0, подучим
; = ллг0( 1 - (1.4)
где к — равновесий! коэффициент распределения. Полностью
6
однородный расплав можно получить при выращивании только в условиях сильного перемешивания. Во многих случаях роста кристалла/перемещение примеерй^ оттесняющихся от фронта роста, происходит главным образом благодаря диффузий, ибо не всегда можно преодолеть технические трудности.
Частично расплав перемешивается и в результате термической конвекции, однако в случае вертикального выращивания распределение температуры может быть таким, что наименее плотная часть жидкости находится наверху. Следовательно^ при этих условиях естественная конвекция сильно ограничена. При горизонтальном росте небольшое поперечное сечение и ограниченный объем расплавленной зоны также будут препятствовать возникновению конвекционных потоков.
