Выбор легирующей примеси

Параметры, характеризующие процесс легирования

Основные задачи легирования

Легирование полупроводников

Легирование – это процесс введения в полупроводник специально подобранной примеси для придания ему определенных свойств.

Для обеспечения процесса легирования необходимо:

· выбрать легирующую примесь;

· обеспечить введение примеси заданной концентрации с повышенной точностью;

· обеспечить равномерное распределение примеси.

1. Пределы легирования.

Нижний предел легирования определяется минимальной концентрацией легирующей примеси, обеспечивающей направленное и воспроизводимое изменение свойств полупроводника, и зависит от содержания в исходном материале фоновых примесей. Превышение концентрации легирующей примеси над суммарной концентрацией фоновых примесей должно быть минимум в пять раз.

Верхний предел легирования характеризует максимальную концентрацию легирующей примеси, которая исключает образование большого количества структурных дефектов. Определяется, главным образом, характером предельной растворимости примеси в полупроводниковом материале с учетом ее температурной зависимости.

2. Точность легирования.

Точность легирования характеризуется воспроизводимостью достижения заданного уровня легирования. Определяется уровнем загрязнений, вносимым в растущий кристалл с исходным материалом и из технологической аппаратуры, а также и самой природой легирующей примеси и в том числе возможностью ее взаимодействия с точечными дефектами кристалла.

Выбранная легирующая по возможности примесь должна обладать совокупностью свойств:

· высокой растворимостью в полупроводнике для варьирования свойств в широких пределах;

· близостью атомных радиусов примеси и полупроводникового материала, что исключает напряжения в выращиваемой структуре;

· коэффициентом распределения примеси в идеальном случае близким к 1, что облегчает задачу получения однородно легированного кристалла;

· оптимальным давлением паров. Определяется способом введения примеси в полупроводник;

· быть нетоксичной и поддающейся высокой степени очистки.

Выбор примеси определяется также видом решаемой задачи.

1. Для управления электрофизическими свойствами, необходимо, чтобы примесь создавала локальные примесные центры с минимальным зарядом. Этому условию отвечают водородоподобные примеси (примеси элементов, отличающиеся по валентности на единицу). При этом необходимо учитывать характер температурной зависимости растворимости примеси в полупроводнике.

2. Для создания резкого p-n перехода необходимо учитывать диффузию в твердой фазе. В этом случае коэффициент диффузии в твердой фазе должен быть минимальным.

3. При управлении рекомбинационными характеристиками (диффузионной длиной и временем жизни неосновных носителей заряда) используются примеси, создающие в запрещенной зоне глубокозалегающие уровни (атомы переходных металлов), которые создают ловушки для носителей заряда. Эти примеси используются для создания высокоомных или полуизолирующих полупроводников, применяемых в качестве подложек в эпитаксиальных процессах. В этом случае, в полупроводнике внутри запрещенной зоне образуются глубокие уровни, которые способствуют компенсации мелких донорных (акцепторных уровней). В виду неполной ионизации примесных атомов концентрация глубокой примеси всегда превышает концентрацию мелкой примеси.

4. Для оптоэлектронных приборов часто применяют изоэлектронные примеси, создающие специфические уровни (донорный уровень ниже уровня Ферми или акцепторный выше уровня Ферми). Такие уровни не влияют на электрофизические характеристики, но активно участвуют в рекомбинационных процессах. Примером таких примесей являются элементы lll и V групп периодической системы для полупроводниковых соединений типа A^lllB^V.

5. В ряде случаев для легирования используют амфотерные примеси. Для соединений A^lllB^V амфотерной примесью являются элементы ΙV группы, например, германий. В позиции A^lll примесь ведет себя как донор, в позиции B^V как акцептор. Например, в GaAs<Ge> могут образовываться примесные центры: – донор – акцептор, а также комплексы дефектов: – нейтральный комплекс и – акцептор. Поведение амфотерной примеси зависит от способа получения полупроводника. Например, при жидкофазной эпитаксии в происходит варьирование характера поведения примеси с переходом от n-типа проводимости к p-типу при t⁰~820⁰С. При температуре выращивания выше 820⁰С проявляется n-тип проводимости, ниже – р-тип.

6. Для обеспечения постоянства уровня легирования по длине кристалла, если не удается подобрать примесь с коэффициентом распределения близким к 1, применяют сложное легирование путем введения в полупроводник нескольких примесей. При подборе пары примесей для одной , для другой .

7. В некоторых случаях введение легирующей примеси используется во вспомогательных целях, в частности, для изменения фоновых примесей. Например, для кремния кислород является нежелательной фоновой примесью. Для уменьшения концентрации используется в качестве добавки , так как обладает высоким сродством к кислороду.

Если процесс легирования производится из жидкой фазы, то эффективный коэффициент распределения может изменяться в пределах от до единицы. На величину эффективного коэффициента распределения влияет целый ряд факторов связанных как с определением величины отклонения от равновесного состояния, так и с некоторой неопределенностью значений .

Во-первых, наличие в расплаве других примесей, строго говоря, требует рассмотрения не двухкомпонентной диаграммы вещество-примесь, а более сложной диаграммы, определяющей значения .

Во-вторых, поскольку скорости роста кристалла в различных направлениях отличаются, то при послойном формировании кристалла для медленнорастущих граней будет ближе к значениям , чем для быстрорастущих. Это приведет к неоднородному распределению примеси по сечению кристалла. Кроме того, при различной ориентации затравки значения также будут отличаться.

В-третьих, предположение о линейной зависимости ликвидуса и солидуса вблизи точки плавления вещества (или независимости значений от состава) является достаточно грубым.

В-четвертых, кристаллизация происходит не в изолированных условиях, а, следовательно, неизбежно влияние на значения окружающей среды (атмосферы в установке, материала контейнера и т.д.).

И, наконец, в большинстве случаев технолога интересует не валовое содержание примеси в кристалле, а электрически активная ее часть.

Рассмотрим некоторые способы учета вышеперечисленных факторов.

Зависимость коэффициента распределения от ионизации примеси и ее концентрации

Легирование кристалла примесью в процессе выращивания его из жидкой фазы можно представить в виде двух последовательных процессов:

1. Вхождение примесей в вакансии растущего кристалла. Величина растворимости определяется физико-химическими свойствами примеси и кристаллической матрицы, и чем они ближе, тем больше растворимость.

2. Ионизация растворенной примеси.

Представим эти два процесса в виде квазихимических реакций со своими константами равновесия. Для определенности считаем примесь донорной.

1. , - константа равновесия реакции вхождения примеси в кристалл.

2. , - константа равновесия реакции ионизации примеси.

Результирующая реакция записывается в виде:

Для большинства мелких примесей в широком интервале концентраций и поэтому (квадратные скобки обозначают концентрации реагентов).

Рассмотрим два случая легирования кристалла, обладающего собственной проводимостью с концентрацией носителей заряда .

Дата добавления: 2014-01-07