Лазерное легирование и формирование контактов обработкой

обратной стороны подложки

В некоторых случаях, например при создании мелкозалегающих р-n-переходов и омических контактов, весьма эффективно применение метода твердофазного легирования полупроводников из предварительно нанесенных на поверхность микроструктур легирующей пленки путем облучения обратной стороны пластины непрерывным СО₂ лазером. Суть метода формирования субмикронных легированных слоев заключается в том, что при воздействии лазерного излучения с длиной волны, для которой полупроводник является прозрачным, поглощение световой энергии происходит в основном в пленке материала лигатуры, нанесенной на поверхность образцов. В процессе облучения пленка примесных элементов разогревается и происходит твердофазная диффузия лигатуры в полупроводник. Этот процесс можно характеризовать как холодную диффузию или диффузию при градиенте температур.

Профили распределения примесей по глубине легированных слоев имеют ряд особенностей, определяемых режимами облучения, а также спецификой протекания процессов диффузии и испарения примесей при воздействии излучения на структуру типа полупроводник - лигатура. Типичные профили распределения бора по глубине кремниевых пластин при равномерном облучении всей поверхности струк­тур типа кремний - бор приведены на рис. 7.28. На рис. 7.29 показано распределение концентрации носителей заряда в р-и-переходе сформированном твердофазной диффузией.

Рис. 7.28. Профили распределения бора в кремнии по глубине легированных слоев. Режимы легирования: плотность мощности лазерного излучения — 400 Вт/см²; длительность воздействия излучения: 1— 0,6 с; 2 — 1 с; 3 — 2,5 с.

Рис/ 7.29. Распределение концентрации носителей заряда в р-n-переходах, сформированных методом лазерной твердофазной диффузии цинка в пластину фосфида индия. Пунктиром показана граница раздела р- и п- областей перехода.

Одной из характерных особенностей профилей распределения примесей по глубине является наличие концентрационного максимума не на поверхности, а на некоторой глубине, зависящей от времени воздействия лазерного излучения. Увеличение длительности облучения приводит, во-первых, к увеличению времени диффузии примеси вглубь полупроводника и экспоненциальному возрастанию диффузии за счет более интенсивного разогрева. С другой стороны, процесс испарения примесей, продиффундировавших с поверхности в полупроводник, проявляется более сильно с увеличением времени облучения.

При неоднородном облучении структур, например, при использовании сканирующего лазерного луча, на формирование концентрационных профилей распределения примесей определяющую роль, кроме процессов диффузии и испарения, оказывают влияние наведенные механические напряжения. В условиях наличия градиента механических напряжений объемная деформация стимулирует процесс восходящей диффузии примесей, заключающийся в направленном перемещении примесей против первоначального градиента концентрации легирующих атомов. При этом возможно формирование плоского концентрационного профиля с пиком на глубине, соответствующей финальному положению области высокого градиента механических напряжений.

Исследования проводимости лазернолегированных из твердых источников слоев кремния показали, что слоевое сопротивление легированных слоев составляет 7-10 Ом/кв., что соответствует концентрации носителей заряда 10²⁰-10²¹ см^-3 и равно предельной равновесной растворимости бора в кремнии. Следовательно, в процессе лазерного твердофазного легирования кремния примесь бора проявляет электрическую активность при предельной равновесной ее растворимости и нет необходимости для ее дополнительной активации, как, например, при ионной имплантации. Время жизни неравновесных носителей заряда в кремниевых пластинах КДБ-10 после лазерного легирования бором не изменилось и составляло более 12 мкс. Этот результат свидетельствует о том, что процесс твердофазного легирования не приводит к существенному повышению плотности структурных дефектов и не увеличивает объемную рекомбинацию неосновных носителей заряда.

Формирование омических контактов сквозным облучением через полупроводниковую пластину

Одним из методов формирования контактов к полупроводникам является облучение лазерным излучением границы раздела полупроводник-металл сквозь полупроводниковую пластину, когда энергия кванта света hv меньше ширины запрещенной зоны полу­проводника Е. В результате максимальное высвобождение энергии на единицу объема происходит в пограничном слое границы металл-полупроводник.

Например, использовали для имплантации лазер на алюминате иттрия. Длина волны излучения составляла 1,08 мкм, а длительность импульсов — 50 мкс. Средняя плотность мощности в режиме имплантации составляла 2,3-10¹⁰ Вт/м². Для этого режима пороговая плотность мощности, при которой происходит разрушение поверхности полупроводника, составляла 4*10¹⁰ Вт/м². Для обеспечения импульсного нагрева структуры металл-полупроводник частота импульсов свободной генерации не превышала 2 Гц. Образец непрерывно сканировался, и через каждые 7 мкм производился импульс, а излучение фокусировалось на площадку диаметром 400 мкм.

Образцы представляли собой пластины кремния марки КЭФ-4.5 толщиной 0,5 мм, на которые напылялась пленка алюминия толщиной 1,3 мкм.

В результате лазерной имплантации концентрация примеси алюминия в кремний получается на порядок выше, чем при обычном термическом отжиге, при той же глубине легирования. Поверхностная концентрация примеси при лазерной имплантации составляла величину, сравнимую с пределом растворимости алюминия в кремнии, которая имеет значение 2-10¹⁹ см^-3.

Таким образом, описанный метод позволяет получить чрезвычайно высокие концентрации металла контакта в полупроводнике, что, по-видимому, должно обеспечивать его низкое сопротивление, поэтому его можно использовать для формирования контактов к мощным полупроводниковым приборам и при изготовлении некоторых типов аналоговых интегральных схем.

ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНО-ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Преимущество ионной имплантации перед другими методам модификации материалов состоит в универсальности, определяющейся тем, что имеется возможность вводить практически любой элемент в материал в строго контролируемых количествах, а также задавать распределение вводимого элемента по глубине. В настоящее время ионная имплантация является одним из наиболее развитых способов легирования в полупроводниковой технологии.

Источники ионов, используемые в настоящее время в ионной имплантации, не удовлетворяют растущим потребностям развития науки и производства. В последнее время широкое внимание привлекают лазерно-плазменные источники ионов. Фундаментом для создания этих типов лазерно-плазменных источников ионов явились комплексные исследования процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Они позволили детально изучить основные параметры плазмы на поздних стадиях разлета, эмиссию ионов из лазерной плазмы, сформулировать требования к системам вытяжки и формирования ионных пучков, а впоследствии реализовать высокопроизводительный лазерно-плазменный источник ионов для ионной имплантации. На базе этого источника была создана экспериментальная установка для ионной имплантации материалов, обладающая значительными преимуществами перед существующими установками. Использование этой установки позволило реализовать новый метод импульсной ионной имплантации в материалы.

Лазерная плазма как источник ионов

В лазерно-плазменном источнике ионов ионы извлекаются из плазмы, образующейся в результате действия мощного лазерного излучения на мишень. Формирование ионного пучка происходит на больших по сравнению с начальным размером плазмы расстояниях от мишени. После окончания лазерного импульса происходит свободный разлет плазмы в вакуум под действием градиента давления, а внутренняя энергия переходит в кинетическую энергию разлетающихся частиц.

Таким образом, лазерная плазма является мощным импульсным источником ионов. По яркости лазерно-плазменный источник ионов превосходит остальные типы источников. Наиболее сильное ограничение на эффективность использования образующихся ионов накладывает расплывание пучка ионов в поле собственного пространственного заряда.

Для формирования ионного пучка можно разделять электронный и ионный компоненты плазмы магнитным или электрическим полем.

Имплантация ионов из лазерно-плазменных источников

К основным параметрам лазерной плазмы как эмиттера ионов необходимо отнести широкий энергетический спектр ионов (несколько сотен электрон-вольт), практически изотропное угловое распределение ионов, частотный характер эмиссии ионов, высокие плотности ионного тока, высокую чистоту получаемых ионных пучков, большую яркость ионного источника.

Дата добавления: 2014-01-11