Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
Для получения кристаллов с равномерным распределением примеси используется метод зонной плавки. ,
В процессе фракционной кристаллизации очистку легко осуществить путем чередования процессов затвердевания и расплавления, если примесь в процессе кристаллизации концентрируется в жидкости (к 1). Перед затвердеванием по-
следней порции расплава твердый кристалл отделяется от остатка жидкости. Затем кристалл вновь переплавляется и при затвердевании отделяется от последней порции расплава. Так как после каждого затвердевания примеси концентрируются в отделяемой части жидкости, то процесс может повторяться несколько раз до получения желаемой очистки. При этом теряется часть материала. ¦.<
В. методе зонной очистки жидкая зона может проходить через слиток несколько раз, без значительной потери материала, если не считать испарения. Процесс может быть значительно ускорен путем использования расплавленных зон, двигающихся последовательно одна за другой. Очистка германия
9
в виде бруска, расположенного в графитовой лодочке, осуществляется без особого труда. Очистка кремния из-за его большой активности в жидкой фазе более сложна. Здесь используется главным образом метод вертикальной, или бестнгельной* зонной плавки. Использование последнего метода ограничено потому,- что процесс не может быть ускорен применением одновременно проходящих ЖИДКИХ ЗОН. ’ .
Экспериментально найдено, что после первого прохода расплавленной зоны вдоль слитка наблюдаются три области, различающиеся по характеру распределения примеси. Концентрация в начале слитка растет, достигает постоянного Значения, а в конце вновь круто поднимается. Форма кривой распределения, примеси, помимо других факторов, зависит от значения к. При начальном расплавлении жидкая фаза имеет исходную концентрацию N0. При ее продвижении первая порция образующейся твердой фазы имеет концентрацию kN0, которая меньше No для случая к <1. В результате жидкая фаза непрерывно обогащается примесью. Концентрация растворенного вещества в твердой фазе также растет .от начального значения kN0 при х — 0. Когда наступит равновесие между примесью, поступающей в жидкую фазу и удаляемую из нее, концентрация примеси в твердой фазе будет постоянна. При затвердевании концевой части слитка длина зоны уменьшается до нуля и концентрация примеси резко возрастает. V
При решении простейшего уравнения, определяющего распределение примесей вдоль твердого слитка После первого прохода зоны, получено следующее выражение для Л*в:
' ¦ NTв = N0(k — 1) exp (—kxlty 4- N0, или
NTJN0 =1 — (1 — A:) exp (—hx/l), (1.12)
где I — ширина зоны.
Степень очистки при одном проходе зоны меньше, чем при обычном затвердевании. Более того, при к <0,5 начальная переходная область распределения простирается на всю длину слитка, т. е. горизонтального участка с постоянной концентрацией не наблюдается.
. Для к < 1 зона должна пройти значительное расстояние вдоль слитка до того, как в расплаве будет аккумулировано количество примесей, достаточное для равновесной концентрации NJk, при Которой количество примеси, поступающей и покидающей жидкую зону, остается постоянным. Если концентрация примеси в жидкой зоне в начале ее возникновения iV0/Ar,, то начальная переходная область на кривой распределения может быть устранена.; ; /
Следовательнр, добавляя необходимое количество желаемой легирующей примеси в жидкую фазу в начале ее прохождения вдоль чистого слитка с равномерным поперечным сечением* можно получить постоянное распределение примеси.
10. - . ¦ ' ' ;¦ ::
После однократного прохода зоны концентрация Жтв представляется как ¦ ,
Лгтв = kNK exp (~kx!l)t (1.13)
где Nn — начальная концентрация примеси в жидкой зоне.
Заметно улучшить распределение примеси можно также путем изменения направления прохождения зоны. Отклонения после первого прохода будут частично компенсироваться при обратном проходе, и при достаточном чередовании прямых и. обратных проходов будет получено достаточно равномерное распределение примеси вдоль всего слитка, за исключением, конечно* последней затвердевшей зоны.
Другие методы получения кристаллов с однородным распределением примеси сводятся к добавлению желаемой примеси в очень чистый расплав со скоростью, с которой она удаляется с затвердевающей поверхности.
Один из методов получения равномерного распределения примеси заключается в контроле за парциальным давлением пара легирующего элемента. Так как концентрация примеси в жидкой фазе растет с увеличением расстояния от начала слитка, парциальное давление пара над жидкостью увеличивается. Следовательно, сохраняя нужное парциальное давление примеси, теоретически можно поддерживать постоянной и концентрацию примеси в расплаве. Модификация этого метода успешно использовалась при выращивании кристаллов в условиях пониженного давления. окружающего газа. Потерю примеси вследствие испарения из расплава можно сбалансировать выделением примеси из растущего кристалла (к <1)-
Еще один вариант метода, позволяющий поддерживать постоянную концентрацию примеси в расплаве — постоянная подпитка расплава. Подикристаллический стержень непрерывно подается в расплав со скоростью, в точности равной скорости вытягивания монокристалла, т. е. скорости плавления и затвердевания строго контролируются таким образом,, что объем жидкого материала в тигле остается постоянным. Питая расплав слитком с заданной концентрацией примеси,j можно вытягивать кристалл с нужной концентрацией, при этом концентрация примеси в жидкости также остается постоянной.
