Как вводят легирующие добавки в расплав кремния. Способ легирования кремния фосфором и выращивания оксида на кремнии в присутствии пара

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде инертных газов, не являющихся легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды. Плазменное легирование может проводиться без специальных мер безопасности при исключении из процесса дорогостоящих высокочистых токсичных пожаровзрывоопасных газов, что упрощает процесс и снижает затраты. До ионно-плазменной обработки сопротивление пластины кремния составляло 10 Ом, после обработки оно уменьшилось до 3 Ом, что свидетельствует об улучшении технико-экономических параметров легирования кремния.

Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников, и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния.

Наиболее известными способами легирования полупроводников являются диффузионное легирование (диффузия) , ионно-пучковое и ионно-плазменное внедрение (имплантации) легирующих примесей (ионное легирование) . Они используются в полупроводниковой технологии для формирования р-n-переходов в структурах интегральных микросхем (ИМС), солнечных элементов (СЭ) и других полупроводниковых приборов .

Диффузионное легирование заключается в том, что пластину нагревают до высокой температуры в диффузионных печах при использовании:

Газообразных диффузантов (типа PH 3 , B 2 H 6 при легировании кремния) ,

В парах жидких диффузантов (типа BBr 3 , РС1 3 при легировании кремния), поставляемых в рабочую зону газом-носителем (обычно N 2), с добавлением кислорода ,

Твердого диффузанта (соединения бора или фосфора при легировании кремния), предварительно нанесенного на поверхность полупроводника .

Однако, несмотря на простоту и дешевизну, этот способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Из-за малых коэффициентов диффузии (например, диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму) легирование обычно проводят при высоких температурах (для Si при 800-1000°C) и в течение длительного времени.

2. Трудно получить тонкие легированные слои и резкие p-n-переходы.

3. В качестве диффузантов применяются высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и жидкости, что затрудняет промышленное применение этого способа.

Известен способ ионной имплантации , в котором ионизированные атомы (ионы) легирующей примеси с высокой энергией (1-50 кэВ) внедряют в кристалл.

Внедряясь в кристалл, ионы примеси занимают в его решетке положение атомов замещения (при больших дозах большинство ионов останавливаются в междоузлиях и становятся электрически нейтральными), создавая соответствующий тип проводимости (в зависимости от типа примеси). Глубина проникновения ионов и характер их распределения в полупроводнике определяются: ускоряющим напряжением ионного ускорителя (блока ионно-лучевой установки), электрофизическими параметрами внедряющихся ионов и атомов полупроводника, направлением движения ионного пучка относительно кристаллографических осей полупроводника, условиями процесса внедрения и термообработки пластин после ионного внедрения. Для активации имплантированных примесей (перемещение их из межузельного положения в узлы кристаллической решетки), отжига аморфизированных слоев и дислокаций, индуцированных имплантацией, легируемую пластину нагревают (для кремния это 600-800°C ).

Для получения мелкозалегающих слоев используют две модификации этого способа.

Это известный способ ионно-пучковой имплантации, заключающийся в экстракции ионов, фокусировке, ускорении и сканировании ионного пучка по поверхности полупроводниковой пластины .

Недостатками этого способа являются следующие.

1. Оборудование (ионно-пучковые имплантеры) считается дорогостоящим.

2. Низкая производительность.

3. Высокие затраты в расчете на одну пластину.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ ионно-плазменной имплантации , который заключается в том, что пластину полупроводника обрабатывают в тлеющем разряде газа, имеющего в своем составе легирующий элемент.

По сравнению с ионно-пучковым способом этот метод является более производительным и менее затратным и так же, как и ионно-пучковый способ, позволяет получать мелкозалегающие слои.

Согласно данному способу легируемая пластина располагается в плазме, содержащей ионы легирующих примесей. Для легирования, как правило, используются те же, что и при диффузионном легировании, высокотоксичные, пожаровзрывоопасные газы и пары (водородные соединения - гидриды и галогениды фосфора и бора). На легируемую пластину подается последовательность отрицательных импульсов, в результате воздействия которых и низкой подвижности ионов в прикатодном пространстве вокруг легируемой пластины образуется ионная оболочка. Ионы, ускоряясь, бомбардируют поверхность пластины и внедряются в приповерхностный слой. В результате последующего отжига одновременно по всей площади пластины формируется тонкий легированный слой и резкий p-n-переход .

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков.

1. Применение в качестве источников легирующих примесей высокотоксичных, пожаровзрывоопасных газов и паров затрудняет промышленное применение данного способа, так как предъявляет повышенные, особые требования по безопасности к производственным помещениям и оборудованию, усложняя тем самым их конструкцию и эксплуатацию, приводит тем самым к росту затрат.

2. При использовании в качестве газа-источника легирующих примесей ВХ 3 или РХ 3 (X - галоген) внутрь легируемой пластины вместе с бором попадает X (фтор, хлор, бром), что негативно влияет на электрофизические свойства полупроводниковых структур.

Целью настоящего изобретения является улучшение технико-экономических параметров ионно-плазменного легирования кремния.

Предлагается способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

В данном изобретении газ в разряде преимущественно инертные газы: аргон, гелий, криптон, неон. Для различных целей возможно добавление водорода или азота. Легирующий элемент появляется в газовой среде за счет катодного распыления легирующего электрода при ионной бомбардировке. И в дальнейшем ионы легирующего элемента могут ионизироваться и внедряться в кремниевую пластину.

Легирующий электрод для легирования кремниевой пластины содержит кремний (чтобы не загрязнять посторонними примесями и обеспечивать необходимую проводимость электрода) и легирующий элемент (фосфор или бор) с содержанием легирующего элемента (0,01-50) масс. % в виде растворенной примеси в кремнии и включений второй фазы.

Концентрация легирующего элемента выбирается в зависимости от требуемой степени легирования и воспроизводимости техпроцесса.

Легирующий электрод сплавляется в индукторе с сильным перемешиванием и быстрым затвердеванием расплава, так что в кремнии выпадает вторая фаза (легирующий элемент) с величиной включений, зависящей от скорости охлаждения. Также могут быть использованы ячеистые структуры, созданные по технологиям микроэлектроники, или структуры типа пористого кремния для помещения в них легирующего вещества.

Отказ от гидридов и галогенидов легирующих элементов позволяет проводить процесс плазменного легирования без специальных мер безопасности, убрать из процесса дорогостоящие высокочистые токсичные, пожаровзрывоопасные газы (которые, как правило, закупаются за границей), упростить техпроцесс и снизить затраты.

Устройство, реализующее предложенный способ, представляет собой диодную систему и содержит следующие элементы.

1. Вакуумная камера с необходимыми средствами откачки и возможностью напуска газов.

2. Блок питания (генератор импульсов).

3. Сильнолегированный электрод - источник легирующей примеси.

4. Обрабатываемая пластина (возможна групповая обработка).

5. Система напуска газа.

Работа устройства.

Камеру откачивают и напускают в нее аргон.

Подают импульсы напряжения на параллельно расположенные идентичные по площади электроды (один из которых - источник легирующей примеси, представляющий собой пластину из сплава кремния с бором, а другой - пластина кремния, предназначенная для легирования).

Импульсы напряжения амплитудой около 2 кВ, длительностью 20 мкс и частотой 1 кГц имеют форму, близкую к прямоугольной, и следуют группами (пачками). Каждая такая пачка состоит из 5 импульсов, полярность которых изменяется с частотой 50 Гц. Разрядный промежуток составляет 0,5 сантиметра, давление аргона 10 кПа. В межэлектродном промежутке загорается знакопеременный импульсный тлеющий разряд. В результате в межэлектродной области появляется плазма, которая включает атомы и ионы кремния, бора и аргона.

Легирование происходит за счет двух механизмов:

1. Имплантация приповерхностного слоя легируемой пластины ионами бора.

2. Доставка распыленных атомов на поверхность легируемой пластины с последующей диффузией, активированной ионной бомбардировкой, направленной в объем пластины.

Ионы образованной низкотемпературной плазмы аргона движутся, ускоряясь, в темном катодном пространстве (которое автоматически формируется в любом разряде из-за малой подвижности ионов) по направлению к мишени (катоду). В процессе движения ионы сталкиваются с атомами газа. При этом происходит упругое столкновение с рассеянием на большой угол или резонансная перезарядка, при которой ионы превращаются в нейтральные частицы с сохранением вектора своей скорости, а газовые атомы превращаются в ионы с энергией, соответствующей тепловой энергии атомов газа. Образованные в результате перезарядки ионы начинают ускоряться до нового столкновения с газовым атомом или мишенью, а нейтральные частицы полетят к мишени-катоду по инерции.

Ионы аргона, ускоряясь в области катодного падения потенциала, бомбардируют мишень - катод. Происходит процесс катодного распыления. При этом большая часть энергии ионов (до 90%) расходуется на нагрев мишени, а остальная часть - на эмиссию электронов, ионную имплантацию и распыление атомов и ионов (с легируемой пластины в основном Si, а с электрода - источника в основном Si и B).

При движении распыленные атомы (РА) сталкиваются как между собой, так и с атомами аргона, вследствие чего происходит перераспределение атомов по импульсам и энергиям.

Направление движение РА катода сильно изменяется уже после нескольких первых столкновений на расстоянии нескольких длин свободного пробега. Их распределение по направлениям импульса становится изотропным. Часть атомов в результате изменения направления возвращается на мишень, а остальные термализуются, и их дальнейший транспорт происходит в результате диффузии. Для эффективного легирования возврат РА на мишень минимизирован.

При смене полярности прикладываемого напряжения электроды поочередно выполняют функции анода и катода.

Во время ионной бомбардировки осажденные и имплантированные атомы легирующей примеси (бора) активизируются и диффундируют внутрь катода, легируя его.

В результате обработки по уменьшению сопротивления пластины обнаружено формирование приповерхностного легирующего слоя.

До ионно-плазменной обработки сопротивление составляло 10 Ом, а после обработки оно уменьшилось до 3 Ом.

Литература

1. Физико-химические основы технологии микроэлектроники / Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1979. - 408 с.

2. Материаловедение полупроводников и металловедение / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский: учеб. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1973. 495 с.

3. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: учеб. для вузов по направлению ″Материаловедение и технология новых материалов″, ″Материаловедение, технологии материалов и покрытий″ / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МИСИС, 2003. - 480 с.

4. Ионная имплантация / X. Риссел, И. Руге. - М.: Наука, 1983. - 362 с.

5. Ионное легирование полупроводников (кремний и германий) / Дж. Мейер, Л. Эриксон, Дж. Дэвис. - М.: Мир, 1973. - 296 с.

6. Ионная имплантация / Ф.Ф. Комаров, А.П. Новиков, А.Ф. Буренков. - Минск: Унiверсiтэцкае, 1994. - 303 с.

7. Физико-химические основы технологии полупроводников. Пучковые и плазменные процессы в планарной технологии: учеб. пособие / А.В. Бобыль, С.Ф. Карманенко. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005. 113 с.

8. Jones Е.С. et al. Plasma immersion ion implantation for electronic materials // Jap. J. Appl. Phys. - 1996. - Pt. 1. - Vol. 35. - № 2 - B. - Р. 1027-1036.

9. Weiner K.H. et al. Microelectronic Engineering, 1993. - Vol. 20. - Р. 107-119.

10. Qin S., Chan C. Plasma immersion ion implantation doping experiments for microelectronics // J. of Vac. Sci. Technology-B. - 1994. - Vol. 12, № 2 (March/April).

11. Учебное пособие по дисциплине «Плазменные технологии в наноэлектронике» / А.А. Голишников Α.Α., Путря М.Г. - М.: МИЭТ, 2011. - 172 с.

12. Дифракционная рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия / И. Зельцер, Е. Моос. - Саарбрюкен, Германия: Ламберт, 2012. - 593 с.

Способ легирования кремния, заключающийся в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде газа, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы, которые не являются легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащему сплав, содержащий Si в диапазоне от 31% по массе или более до 50% по массе или менее, Sn в диапазоне от 16% по массе или более до 41% по массе или менее, Al в диапазоне от 24% по массе или более до 43% по массе или менее и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий кремний в диапазоне от 33% по массе до 50% по массе, цинк в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 46% по массе исключительно, ванадий в диапазоне от 21% по массе до 67% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Активный материал отрицательного электрода для электрического устройства включает в себя сплав, содержащий Si в диапазоне содержания, большего или равного 27% по массе и меньшего 100% по массе, Sn в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, V в диапазоне содержания, большего 0% по массе и меньшего или равного 73% по массе, и неизбежные примеси в качестве остатка.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрических устройств, преимущественно для аккумуляторной батареи или конденсатора в источниках питания для электромобиля, содержащий сплав, имеющий состав, представленный формулой SixCyAlz.

Предложен активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, который представляет собой сплав, содержащий Si в количестве от 17 до 90 масс.%, Ti в количестве от 10 до 83 масс.%, Ge в количестве от 0 до 73 масс.% и неизбежные примеси в качестве остатка.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, и может быть использовано в аккумуляторных батареях, конденсаторах или подобных устройствах для приводных и вспомогательных источников питания электродвигателей транспортных средств.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

Цели легирования

Основная цель - изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация , нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

• Загонка (имплантация) атомов примеси из плазмы (газа).
• Активация примеси, контроль глубины залегания и плавности pn-перехода путем отжига .

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

• доза - количество примеси;
• энергия - определяет глубину залегания примеси (чем выше, тем глубже);
• температура отжига - чем выше, тем быстрее происходит перераспределение носителей примеси;
• время отжига - чем дольше, тем сильнее происходит перераспределение примеси.

Нейтронно-трансмутационное легирование

При нейтронно-трансмутационном легировании легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атомов исходного вещества (кремний, арсенид галлия) в результате ядерных реакций , вызванных облучением исходного вещества нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо равномерным распределением атомов примеси. Метод используется в основном для легирования подложки, особенно для устройств силовой электроники .

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся 31 P создаёт проводимость n-типа.

В России возможность нейтронно-трансмутационного легирования кремния в промышленных масштабах на реакторах АЭС и без ущерба для производства электроэнергии была показана в 1980 году. К 2004 году была доведена до промышленного использования технология по легированию слитков кремния диаметром до 85 мм, в частности, на Ленинградской АЭС . .

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

• Осаждение легирующего материала.
• Термообработка (отжиг) для загонки примеси в легируемый материал.
• Удаление легирующего материала.

Легирование в металлургии

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

Примечательно то, что первыми сталями , с которыми познакомился человек были природнолегированные стали. Еще до начала железного века применялось метеоритное железо , содержащее до 8,5 % никеля .

Высоко ценилось и природнолегированные стали, изготовленные из руд , изначально богатых легирующими элементами . Повышенная твёрдость и вязкость японских мечей с возможностью обеспечить остроту кромки возможно объясняются наличием в стали молибдена .

Современные взгляды о влиянии на свойство стали различных химических элементов начали складываться с развитием химии во второй четверти XIX века .

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода , 9 % вольфрама и 2,5 % марганца . Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей . Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Принято считать, что первой легированной сталью массового производства стала Сталь Гадфильда , открытая английским металлургом Робертом Эбботом Гадфильдом в 1882 г . Сталь содержит 1,0 - 1,5 % углерода и 12 - 14 % марганца, обладает хорошими литейными свойствами и износостойкостью . Без особых изменений химического состава эта сталь сохранилась до настоящего времени.

Влияние легирующих элементов

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам , ванадий , ниобий , титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу - повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит , занимающий в структуре не менее 90 % по объему . Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность , снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). Главное назначение легирования: повышение прочности стали без применения термической обработки путем упрочнения феррита, растворением в нем легирующих элементов; повышение твердости, прочности и ударной вязкости в результате увеличения устойчивости аустенита и тем самым увеличения прокаливаемости; придание стали специальных свойств, из которых для сталей, идущих на изготовление котлов, турбин и вспомогательного оборудования, особое значение имеют жаропрочность и коррозионная стойкость . Легирующие элементы могут растворяться в феррите или аустените, образовывать карбиды , давать интерметаллические соединения, располагаться в виде включений, не взаимодействуя с ферритом и аустенитом, а также с углеродом. В зависимости от того, как взаимодействует легирующий элемент с железом или углеродом, он по-разному влияет на свойства стали. В феррите в большей или меньшей степени растворяются все элементы. Растворение легирующих элементов в феррите приводит к упрочнению стали без термической обработки. При этом твердость и предел прочности возрастают, а ударная вязкость обычно снижается. Все элементы, растворяющиеся в железе, изменяют устойчивость феррита и аустенита. Критические точки легированных сталей смещаются в зависимости от того, какие легирующие элементы и в каких количествах присутствуют в ней. Поэтому при выборе температур под закалку , нормализацию и отжиг или отпуск необходимо учитывать смещение критических точек.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления , они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости , прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Альтернативная версия написанного выше:

Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1 % снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости . Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите , кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

• Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента;
• Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;
• Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.

Примеры использования

• Стали
  • Хромистые стали;
  • Хорошо известные стали ШХ15 (устаревшее обозначение марки), используемые в качестве материала для подшипников;
  • Так называемые «нержавеющие стали »;
  • Стали и сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием;
  • Жаростойкие стали и сплавы.
• Алюминий
• Бронзы
• Латуни
• Стекла

См. также

Примечания

Ссылки

• «Легирование» - статья в «Химической энциклопедии»
• «Легирование» - статья в «Металлургическом словаре»
• «Легирование» - статья в «Энциклопедии Кирилла и Мефодия»

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Легирование" в других словарях:

- (нем. legieren сплавлять от лат. ligo связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или… … Большой Энциклопедический словарь

- (нем. Legirung, от лат. ligare связывать). Сплавливание благородного металла с каким либо другим. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛЕГИРОВАНИЕ нем. Legirung, от лат. ligare, связывать. Сплавление… … Словарь иностранных слов русского языка

- (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Современная энциклопедия

ЛЕГИРОВАТЬ, рую, руешь; анный; сов. и несов., что (спец.). Добавить (влять) в состав металла другие металлы, сплавы для придания определённых свойств. Легирующие элементы. Легированная сталь. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова.… … Толковый словарь Ожегова

Чистый беспримесный полупроводник - исходный материал для изготовления полупроводниковых приборов. В нем создают электронно-дырочный -переход, возникающий на стыке зон разной проводимости, который позволяет выпрямлять и усиливать ток, превращать различные виды энергии в электрическую и т. д.

Для получения в монокристаллах определенной проводимости применяют специальное легирование очищенных германия или кремния. Легирующие элементы вводят в микродозах, содержание их не превышает

Для полупроводниковых приборов используют пластины, на которые разрезают легированные объемные монокристаллы определенной проводимости. Для стабильности рабочих характеристик таких приборов монокристалл должен иметь по всей длине однородную проводимость, т. е. равномерное распределение легирующей примеси.

Метод вытягивания монокристалла из расплава очищенного полупроводника с введенной легирующей примесью - один из способов получения легированных монокристаллов германия и кремния.

Легирующие примеси должны иметь небольшие значения коэффициента распределения. Только в этом случае при

Рис. 17.19. Зонное выравнивание монокристалла

обогащении расплава легирующей примесью состав растущего монокристалла незначительно изменяется по длине и его можно выровнять снижением скорости вытягивания.

Коэффициент распределения снижается при уменьшении скорости вытягивания (см. рис. 17.16). Используя это, можно начать процесс выращивания монокристалла из расплава при скорости Для компенсации увеличения концентрации легирующей примеси в расплаве вследствие убыли атомов полупроводника скорость вытягивания со временем несколько снижают. Это приводит к снижению К и обеспечивает постоянство легирующей присадки в растущем монокристалле.

ТАБЛИЦА 17.7. Свойства чистого и легированного германия и кремния

Метод зонного выравнивания (рис. 17.19) применяют также для получения легированных монокристаллов с однородной проводимостью по длине.

Очищенный монокристалл вместе с затравкой помещают в вакуумную камеру. После оплавления затравки индуктор перемещают вправо с постоянной скоростью. В расплавленную зону вводят легирующую примесь.

Из формулы (17.3) следует, что постоянство концентрации примеси в прутке будет достигнуто при малом К, если легирующая примесь введена в него в большом количестве и убыль ее в ходе процесса ничтожно мала. При большом значении К (см. рис. 17.19) расплав быстро обедняется, что вызывает уменьшение примеси в монокристалле.

Степень легирования, так же как и степень очистки, контролируют изменением электрического сопротивления. Специальными методами определяют тип проводимости, время жизни или диффузионную длину Измеренные параметры указывают в марках легированных полупроводников.

Некоторые марки чистого и легированного германия и кремния приведены в табл. 17.7. Первая цифра в марке указывает значение электрического сопротивления, а вторая - диффузионную длину L.

Для получения -переходов используют диффузионный или сплавно-диффузионный

методы и ионное легирование в тлеющем разряде.

При диффузионном методе легирующая примесь попадает в пластинку полупроводника в результате диффузии из газовой фазы, в состав которой входит легирующая примесь. Так, для диффузии донорной примеси - фосфора в дырочный германий используют соединение, которое при нагреве испаряется, переносится потоком аргона в зону диффузии с более высокой температурой и там диссоциирует с образованием активного атомарного фосфора.

На поверхности пластины фосфор взаимодействует с атомами полупроводника и диффундирует в германий, образуя с ним твердый раствор замещения. Возможность диффузии атомов легирующей примеси обусловлена наличием в полупроводнике точечных дефектов (вакансий).

Этот метод дает хорошую воспроизводимость основных характеристик, что позволяет его использовать в серийном производстве. Кроме этого, он дает возможность вводить примеси совместно, используя различные коэффициенты диффузии вводимых веществ. При диффузии донорной примеси в пластинке германия с -проводимостью на некотором расстоянии от поверхности возникает -переход (рис. 17.20). Меняя температуру процесса и время выдержки, можно получать -переход на любой глубине.

Рис. 17.20. Образование -перехода путем диффузии сурьмы в германии -типа

Рис. 17.21. Образование -переходов путем диффузии сурьмы и галлия в германий -типа

Метод диффузии позволяет получать сразу несколько -переходов в одной пластине. В этом случае газовая среда должна содержать и донорную и акцепторную примеси. Коэффициенты диффузии донорных примесей для германия больше, чем акцепторных. В кремнии, наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее. На рис. 17.21 показана диффузия в дырочный германий акцепторной и донорной примесей. Скорость диффузии донорной примеси больше, а поэтому она распространяется на большую глубину. При таком методе в наружном -слое распределение примеси неравномерно. Кроме того, около -перехода концентрация примеси изменяется плавно, что ухудшает характеристики прибора. Этих недостатков лишен -переход, полученный на германии или кремнии сплавно-диффузионным методом.

При сплавно-диффузионном методе на пластину германия с -проводимостью помещают шарик из сплава на основе свинца с примесью галлия (акцептор)

Рис. 17.22. Схема образования -переходов в германии при сплавно-диффузионном методе

Владельцы патента RU 2262773:

Использование: для легирования кремния фосфором с использованием твердого источника легирующего вещества. Сущность изобретения: способ легирования кремниевой пластины включает размещение кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, и последующее окисление легированной кремниевой пластины влажным кислородом или пирогенным паром при второй температуре, более низкой, чем первая температура. Кремниевую пластину удерживают в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Температуры выбирают так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Техническим результатом изобретения является разработка способа легирования кремниевой пластины с использованием твердого источника фосфорного легирующего вещества, в котором легированную пластину окисляют, пока она находится в непосредственной близости к твердому источнику при сохранении эксплуатационной долговечности источника, а также разработка способа получения оксидного слоя достаточной толщины на легированной фосфором кремниевой пластине при более низкой температуре и без чрезмерно длительного времени окисления. 5 н. и 39 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Уровень изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к способам легирования кремниевой пластины фосфором и последующего выращивания оксида на легированной кремниевой пластине. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу легирования кремниевой пластины фосфором с использованием твердого источника легирующего вещества, а затем выращивания оксидного слоя на поверхности легированной кремниевой пластины в пирогенном паре или в среде влажного кислорода в присутствии твердого источника фосфора с целью проведения окисления in situ поверхности легированного кремния. В данном случае понятие "окисление in situ" означает окисление легированного кремния в присутствии твердых источников легирующего вещества.

Существует несколько обычных способов легирования кремниевых пластин. В одном из этих способов кремниевую пластину вначале легируют при высокой температуре, обычно в интервале приблизительно от 950 до 1150°С, с использованием оксихлорида фосфора (POCl 3) или фосфина (РН 3). Газообразные POCl 3 или РН 3 подают в диффузионную трубку с помощью азота, содержащего немного кислорода. Это приводит к осаждению оксида фосфора на поверхности кремния. Затем оксид фосфора реагирует с поверхностью кремния с образованием элементарного фосфора, который, в свою очередь, диффундирует на регулируемую глубину в пределах кремниевой пластины. Сразу после осаждения имеет место окисление паром легированной кремниевой пластины, обычно при температуре около температуры осаждения, в течение приблизительно 30-60 минут с целью выращивания желаемого оксида. Обычно концентрация и глубина продиффудировавшего фосфора в пределах кремниевой пластины пропорциональна времени и температуре всего процесса осаждения. Толщина полученного оксидного слоя, сформированного на поверхности кремниевой пластины в процессе окисления паром, пропорциональна времени и температуре в паре.

Имеется ряд трудностей, связанных с использованием POCl 3 или РН 3 . К ним относятся неоднородность легирования кремниевых пластин большого диаметра (так как легирующий газ не может легко проходить между кремниевыми пластинами), образование частиц в диффузионной трубке, которые вызывают повреждение кремния, токсичность и коррозионная активность газов, а также другие трудности при работе.

Твердые источники легирующего вещества, которые выделяют пятиокись фосфора (P 2 O 5) при нагревании, такие как источники, описанные в патенте США №3998668 (Florence et al.), были разработаны с целью преодоления некоторых проблем, связанных с газообразными легирующими веществами. P 2 O 5 осаждается на кремниевых пластинах во время стадии осаждения. В патентах США №№4175988 и 4141738 (Rapp), содержание которых введено в данное описание в качестве ссылок, приведены примеры твердых источников легирующего вещества и способы использования твердых источников легирующего вещества для легирования кремниевой пластины.

Один из способов легирования кремниевых пластин с использованием твердых источников легирующего вещества включает легирование кремниевой пластины приблизительно при 1050°С, после чего следует окисление in situ сухим кислородом приблизительно при той же температуре. Во время стадии осаждения кремниевые пластины помещают так, чтобы их поверхности были параллельны и находились в непосредственной близости с поверхностями примыкающих твердых источников легирующего вещества, например в кассете твердого источника легирующего вещества. Твердые источники легирующего вещества и кремниевые пластины вставляют в диффузионную трубку и нагревают до температуры осаждения в атмосфере азота с использованием обычной технологии постепенного изменения параметров печи. Окисление легированных кремниевых пластин может быть проведено in situ при температурах около 1050°С, так как сухой кислород не меняет скорости выделения источника.

Когда кремниевые пластины легируют с использованием твердых источников легирующего вещества с последующим окислением с помощью сухого кислорода, требуется намного больше времени, чтобы получить желаемую толщину оксида, так как кислород окисляет кремний медленнее, чем пар. Такое более длительное время окисления приблизительно при 1050°С также приводит к избыточной диффузии фосфора в кремниевую пластину. Если желаемый переход (спай) является не очень глубоким, дополнительное время приводит к слишком глубокому переходу и часто разрушает устройство, которое должно быть изготовлено.

Другой способ легирования кремния с использованием твердых источников легирующего вещества включает легирование кремниевых пластин приблизительно при 1050°С, удаление кремниевых пластин от непосредственной близости к твердым источникам легирующего вещества и окисление кремниевых пластин паром. После осаждения кремниевые пластины удаляют из кассеты (от непосредственной близости к твердым источникам легирующего вещества) и снова вносят в диффузионную печь для окисления паром. Отдельное окисление паром может быть осуществлено при температурах, близких к температурам первого способа, описанного выше, с целью наращивания желаемого оксида. При окислении паром твердые источники легирующего вещества должны быть отделены от кремниевых пластин, так как влага при высоких температурах вызывает более быстрое выделение Р 2 O 5 из источника. Этот способ дает удовлетворительные результаты, но требует временных затрат и намного больше работы оператора. Кроме того, гигроскопичная кремниевая поверхность, содержащая P 2 O 5 , подвергается воздействию влажного комнатного воздуха, который может вызывать повреждение поверхности кремния.

Толщина оксидного слоя, требуемого на кремниевой пластине, может меняться в зависимости от назначения от нескольких сотен ангстрем () до 20000 или более. В большинстве случаев при эмиттерной диффузии толщина оксида будет находиться в интервале приблизительно 1500-6000 и предпочтительно в интервале приблизительно 2000-5000 . Обычная эмиттерная диффузия требует толщины оксида приблизительно 4300-5000 . Оксидные слои предпочтительной толщины для эмиттерной диффузии обычно нарастают при температуре осаждения или около этой температуры, которая обычно находится в интервале приблизительно 950-1050°С. Приемлемые поверхностные удельные сопротивления слоев в случае эмиттерных диффузий обычно находятся в интервале приблизительно 5,35-6,15 Ом/квадрат, но также могут достигать приблизительно до 15 Ом/квадрат или быть ниже приблизительно 1 Ом/квадрат. Например, температуру осаждения и время, равные приблизительно 1025°С и 60 минут, используют для биполярных транзисторов, чтобы получить поверхностные удельные сопротивления слоев приблизительно 5 Ом/квадрат.

Цель настоящего изобретения состоит в разработке способа легирования кремниевой пластины с использованием твердого источника фосфорного легирующего вещества, в котором легированную пластину окисляют, пока она находится в непосредственной близости к твердому источнику in situ при сохранении эксплуатационной долговечности источника.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа получения оксидного слоя достаточной толщины на легированной фосфором кремниевой пластине при более низкой температуре, чем в обычных способах окисления без чрезмерно длительного времени окисления, и в особенности способа получения оксидного слоя любой желаемой толщины за счет выбора подходящего времени мокрого окисления при более низкой температуре.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа окисления легированной фосфором кремниевой пластины, который поддерживает диффузию фосфора в кремний при глубине, сравнимой с глубиной, наблюдаемой при использовании методов легирования, например, помощью POCl 3 или РН 3 , которые используют обычные способы мокрого окисления при повышенных температурах.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в разработке способа легирования и окисления кремниевой пластины, который уменьшает манипулирование с кремниевыми пластинами и воздействие на кремниевые пластины влажного комнатного воздуха по сравнению с обычными способами мокрого окисления с использованием твердых источников легирующего вещества.

Эти и другие цели настоящего изобретения станут понятны из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и чертежей.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение преодолевает проблемы, связанные с обычными методами легирования твердыми источниками. Способ дает возможность легировать кремниевые пластины с помощью твердых источников фосфорного легирующего вещества, после чего следует окисление паром легированных кремниевых пластин без предварительного удаления пластин из диффузионной печи и без резкого уменьшения долговечности твердых источников легирующего вещества.

Способ настоящего изобретения включает размещение кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, окисление легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживание кремниевой пластины в пространственном отношении с твердым источником фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Первая и вторая температуры выбраны так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет Р 2 О 5 при первой температуре, а вторая температура достаточно ниже, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С и в особенности находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

В настоящем способе стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества может включать размещение кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества, причем кремниевая пластина удерживается в этом положении во время стадии окисления. Температуры выбирают так, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

Способ также может включать стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром, где окисление влажным кислородом представляет собой окисление кислородом, барботируемым через деионизированную воду. Способ также может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах, причем твердый источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия (Al(РО 3) 3), источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента (Ln(РО 3) 3 , где Ln относится к редкоземельному элементу) и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента (LnP 5 O 14).

Способ изобретения может включать стадию удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества для парофазного осаждения P 2 O 5 в парофазном взаимодействии при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины, и затем окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара, при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину, причем вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить скорость выделения P 2 О 5 из твердого источника легирующего вещества, тогда как кремниевую пластину поддерживают в народном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С. Например, стадия окисления может быть проведена приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 часов для формирования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 . Способ может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Изобретение также предлагает способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества в непосредственной близости для парофазного осаждения Р 2 О 5 при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины, окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара, при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура, которая выбрана так, чтобы она была достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы существенно понизить выделение Р 2 О 5 , из твердого источника легирующего вещества, может находиться в интерзале приблизительно от 600 до 900°С.

Стадия окисления может быть проведена при второй температуре в течение времени, достаточного для формирования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя заранее установленной толщины, например приблизительно 4000 . Способ также может включать стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высокой температуре, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Способ легирования кремниевой пластины может включать стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины, окисления легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура, и удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Температуры выбраны так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С, и в особенности находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С.

Описанный выше способ может включать одну или несколько стадий удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления и выбора метода влажного окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром. Температуры выбирают так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления. Вторая температура может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Способ дополнительно может включать стадию выбора твердого легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Кроме того, изобретение предлагает способ выращивания оксидного слоя на кремниевой пластине, включающий стадию мокрого окисления легированной кремниевой пластины при температуре, достаточной для значительного понижения скорости выделения P 2 O 5 твердым источником фосфорного легирующего вещества, удерживаемым в парофазном взаимодействии с кремниевой пластиной во время стадии мокрого окисления. Температура мокрого окисления может быть выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С, и предпочтительно находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Стадия мокрого окисления может включать воздействие на легированную кремниевую пластину окисляющего агента, выбранного из влажного кислорода и пирогенного пара.

Способ может включать стадию выбора температуры и времени мокрого окисления, достаточных для образования на поверхности легированной кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину. Температура мокрого окисления может быть выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно от 600 до 900°С. Например, стадия мокрого окисления может быть проведена приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 час. Способ также может включать стадию получения легированной кремниевой пластины путем нагревания кремниевой пластины в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества. Твердый источник легирующего вещества может быть выбран из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Эти и другие объекты изобретения станут понятны из приведенного ниже подробного описания изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой график, показывающий зависимость толщины стеклянной пленки от времени в паре при выбранных температурах мокрого окисления.

Фиг.2А представляет собой график, показывающий зависимость равномерности толщины стеклянной пленки на кремниевой пластине от времени в паре при различных температурах окисления.

Фиг.2В представляет собой подробный вид графика на фиг.2А, показывающий равномерность толщины стеклянной пленки на кремниевой пластине в зависимости от времени в паре при различных температурах мокрого окисления для равномерности от нуля до 10%.

Фиг.3 представляет собой график, показывающий зависимость поверхностного удельного сопротивления слоя относительно времени в паре для выбранных температур мокрого окисления.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий зависимость среднего совокупного процента потери веса от времени воздействия паром на источник легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при различных температурах.

Фиг.5 представляет собой график зависимости степени потери веса P 2 O 5 из источника легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при мокром окислении от температуры.

Подробное описание предпочтительного(ых) варианта(ов) осуществления изобретения

Настоящее изобретение предлагает способ легирования кремниевых пластин, включающий последующее мокрое окисление или окисление пирогенным паром кремниевых пластин in situ. Способ дает возможность оставлять кремниевые пластины в непосредственной близости (например, в парофазном взаимодействии) с твердыми источниками легирующего вещества в диффузионной трубке во время стадии окисления без быстрого падения эксплуатационной долговечности твердого источника фосфорного легирующего вещества.

Способ требует, чтобы стадии легирования и окисления были проведены при различных технологических условиях. Стадию легирования проводят при высокой температуре, например приблизительно при 1050°С, в сухом азоте по возможности с низким количеством кислорода. Паровое или мокрое окисление проводят при более низкой температуре, например при 775°С. При таких условиях скорость выделения Р 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества значительно уменьшается в сравнении со скоростью выделения, ожидаемой при мокром окислении или окислении пирогенным паром при более высокой температуре легирования. Тщательный выбор температуры окисления приводит к скорости выделения P 2 O 5 при низкой температуре, которая приближается к скорости выделения P 2 O 5 при более высокой температуре легирования в азоте. Кремниевая пластина, следовательно, может быть окислена с помощью влажного кислорода или пирогенным паром в присутствии твердого источника легирующего вещества без быстрой потери фосфора в твердом источнике легирующего вещества. Настоящий способ также уменьшает время обработки и действия оператора за счет исключения стадий постепенного доведения печи до температуры вставки, извлечения легированных кремниевых пластин из диффузионной кассеты и постепенного доведения температуры снова до температуры окисления.

В способе настоящего изобретения кремниевые пластины обычно размещают по соседству и по существу параллельно твердому источнику фосфорного легирующего вещества в диффузионной кассете. Могут быть использованы диффузионные кассеты различной конструкции, хотя обычно предпочтительной является четырехбортовая кварцевая кассета со стандартными затворами и консольными системами, совместимая с автоматизированными системами транспортировки. Расстояние между кремниевой поверхностью и поверхностью источника предпочтительно является постоянным и находится в интервале приблизительно 0,06-0,10 дюймов. Щели для источников предпочтительно приблизительно на 0,01 дюйма шире, чем их толщина. Источники должны быть установлены в кассете свободно с возможностью для расширения, по меньшей мере, 0,01 на дюйм диаметра.

Твердый источник легирующего вещества может быть выбран из источников легирующего вещества, изготовленных из метафосфата алюминия, метафосфата редкоземельного элемента, пентафосфата редкоземельного элемента (в том числе LaZrP 3)

или других подходящих композиций легирующего вещества. Хотя превосходные результаты получают, когда используется, по меньшей мере, три источника легирующего вещества на кассету, при обычном производстве полупроводников может быть использовано от 50 до 100 или более источников.

Предпочтительно для легирования или цикла осаждения используется обычная технология постепенного изменения параметров печи. Она включает медленную вставку кассеты, содержащей кремниевые пластины и источники легирующего вещества, в диффузионную трубку при температуре ниже приблизительно 800°С и, по меньшей мере, на 100°С меньше, чем температура осаждения. Предпочтительно скорость вставки составляет не более чем 4 дюйма в минуту для источников диаметром 100 мм. Более медленная скорость вставки предпочтительна для источников с большим диаметром вследствие большей массы вводимого материала.

После того как печь и кассета достигают термического равновесия, печь доводят до температуры осаждения. Температура осаждения предпочтительно находится в интервале приблизительно от 950 до 1150°С, наиболее предпочтительно равна 1025°С, хотя она может меняться в зависимости от применения. Стадию осаждения обычно проводят в атмосфера азота и/или аргона, хотя могут быть использованы небольшие количества кислорода при температурах осаждения свыше приблизительно 1000°С. Предпочтительная концентрация кислорода составляет менее чем приблизительно 1%, хотя приблизительно до 5% кислорода может быть использовано при температурах осаждения свыше приблизительно 1100°С.

Скорость потока газа во время осаждения зависит преимущественно от диффузионного оборудования, например от размера трубки и закрывающего устройства. Скорость потока должна быть, по меньшей мере, достаточно высокой, чтобы предупредить обратное протекание комнатного воздуха через диффузионную трубку. Скорости потока, находящиеся в интервале приблизительно от 2 до 15 литров/мин, успешно используются в диффузионных трубках диаметром 135 мм, причем предпочтительными являются скорости потока 3-7 литров/мин.

Стадию легирования проводят при температуре осаждения в течение времени, достаточного для нанесения на кремниевую пластину фосфорсодержащего слоя, который будет диффундировать на желаемую глубину в кремниевую пластину в пределах разумного времени. Время осаждения может меняться в зависимости от температуры осаждения и других факторов, также известных в данной области. Например, время осаждения в случае легирования кремниевой пластины с помощью твердого источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия приблизительно при 1050°С может составлять приблизительно 30-60 минут с получением поверхностного удельного сопротивления слоя приблизительно 4-5 Ом/квадрат.

Температуру печи постепенно снижают, чтобы охладить кремниевые пластины и источники при подготовке для окисления паром, и в печь вводят окисляющий агент. Окисляющий агент может быть выбран из пирогенного пара (например, пара, полученного от сжигания водорода кислородом) и влажного кислорода (например, кислорода, пропущенного через деионизированную воду с температурой приблизительно 95°С). Окисление легированной кремниевой пластины влажным кислородом или пирогенным паром называют "мокрым окислением". "Влажный кислород" представляет собой кислород, барботируемый через деионизированную воду, поддерживаемую при подходящей температуре, например при 95°С, или полученный любым другим подходящим способом.

Легированные кремниевые пластины окисляют при второй температуре, более низкой, чем температура осаждения. Температура мокрого окисления должна быть достаточно высокой, чтобы сохранить время окисления как можно более коротким, и достаточно низкой, чтобы удержать P 2 O 5 от выделения из фосфорного источника со слишком высокой скоростью. Чем быстрее выделяется P 2 O 5 из источника в паре, тем быстрее источник становится истощенным. Твердый источник фосфорного легирующего вещества может оставаться в диффузионной трубке в непосредственной близости к кремниевой пластине во время стадии окисления, так как вторая температура является значительно более низкой, чем первая температура, чтобы понизить скорость выделения P 2 O 5 до приемлемого уровня.

Кремниевые пластины, легированные с помощью источника легирующего вещества PhosPlus® TP-470 при 1050°С в течение 45 минут, могут быть окислены влажным кислородом при 775°С в течение приблизительно 1-3 час при скорости потока, по меньшей мере, приблизительно 1 литр/мин. Полагают, что несколько более высокие скорости потока будут приводить к более равномерному окислению кремниевых пластин от верха до низа. Когда окисление завершается, подачу окисляющего агента в печь прекращают, температуру печи постепенно уменьшают до температуры в интервале температуры вставки и кассету медленно вытягивают из печи. Окисление может быть проведено при температуре и в течение времени, достаточных для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего желаемую толщину, например 2000 или 4000 .

Более низкая температура окисления настоящего изобретения также означает, что дополнительная диффузия фосфора в кремний является очень небольшой по сравнению с диффузией при или около высокой температуры легирования обычных (сухим кислородом) способов окисления при повышенных температурах. Манипулирование с пластинами уменьшается с помощью способа настоящего изобретения по сравнению с обычными способами мокрого окисления, так как мокрое окисление осуществляется in situ. Настоящий способ также исключает влияние влажности комнатного воздуха в промежутке между легированием и окислением.

Кремниевые пластины, легированные и окисленные с использованием настоящего способа, как установлено, имеют поверхностные удельные сопротивления слоев в интервале приблизительно 5-7 Ом/квадрат и толщину стеклянной (оксидной) пленки в интервале приблизительно 4000-5000 . Например, кремниевые пластины, легированные с помощью источника легирующего вещества PhosPlus® ТР-470 при 1050°С в течение 45 минут и окисленные во влажном кислороде (барботируемом через деионизированную воду с температурой 95°С) при 775°С в течение 3 часов, имеют поверхностное удельное сопротивлениеслоя приблизительно 5,7 Ом/квадрат и толщину оксида приблизительно 4000 . Твердые источники легирующего вещества продолжают выделять P 2 O 5 обычно приблизительно при 1050°С после мокрого окисления при 775°С. Испытание было проведено несколько раз с аналогичными результатами. Следовательно, способ изобретения способен обеспечивать приемлемую толщину стеклянной пленки и приемлемое поверхностное удельное сопротивление слоя без удаления твердых источников легирующего вещества из диффузионной трубки во время стадии мокрого окисления и без резкого снижения эксплуатационной долговечности твердых источников легирующего вещества.

Кремниевые пластины (диаметр 100 мм, 5-20 Ом и бор 111-р-типа) легируют с помощью плоских источников легирующего вещества диаметром 100 мм PhosPlus® TP-470, содержащих высокий процент метафосфата алюминия, и окисляют с использованием следующего цикла:

Вставляют кассету в диффузионную трубку со скоростью 3,0 дюйм/мин при 700°С;

Изменяют температуру со скоростью 5°С/мин до 1050°С и выдерживают 30 мин в токе N 2 ;

Изменяют температуру со скоростью 5°С/мин до температуры мокрого окисления, X;

Выдерживают при температуре окисления в течение времени, Y;

Меняют температуру со скоростью 5°С/мин до 700°С;

Вытягивают кассету из диффузионной трубки со скоростью 3,0 дюйм/мин.

Проверены температуры влажного окисления (X) 700, 750, 775, 800 и 1000°С и время влажного окисления (Y) в интервале от 1 до 3 часов. Во время стадии мокрого окисления кислород барботируют через деионизированную воду, поддерживаемую при 95°С. Для каждой температуры окисления используют новый комплект источников. Каждый комплект источников до использования выдерживают приблизительно 12 час в N 2 с приблизительно 25% O 2 .

Измерения потери веса источников проводят с использованием аналоговых весов. Толщину осажденной стеклянной пленки измеряют с использованием эллипсометра Гартнера (Gaertner). Поверхностные удельные сопротивления слоев измеряют на пластинах, предварительно протравленных в HF 10:1 с использованием стандартного четырехточечного зонда.

Источники выдерживают при каждой температуре окисления во влажном кислороде в течение определенного времени с целью оценки скорости истощения P 2 O 5 из твердого источника путем измерения потери веса твердых источников. Измерения потери веса показывают, что фосфор теряется со скоростью менее чем 0,01%/час в азоте при 1050°С (см. фиг.4). Когда газ меняют на влажный кислород, скорость повышается до более чем 0,7%/час при 1000°С. Скорость выделения во влажном кислороде понижается значительно по мере снижения температуры мокрого окисления от 1000°С и достигает скорости в сухом азоте, когда температура окисления достигает приблизительно 630°С (см. фиг.5).

Толщина стеклянной пленки в зависимости времени мокрого окисления после легирования при 1050°С в течение 30 мин представлена на фиг.1 для каждой температуры мокрого окисления. Толщина осажденной стеклянной пленки, как установлено, растет со временем окисления во влажном кислороде для фиксированной температуры, а также при повышенной температуре при фиксированном времени. Способ настоящего изобретения, таким образом, позволяет получить оксидный слой любой желаемой толщины на поверхности кремниевой пластины за счет выбора соответствующих температуры и времени мокрого окисления.

В этом случае желаемая толщина стеклянной пленки приблизительно 4000 достигается при использовании температуры осаждения 1050°С в азоте в течение 30 мин с последующим мокрым окислением в течение приблизительно 2 час при 800°С. Как правило, обычно предпочтительны более низкие температуры окисления, приблизительно 775°С.

С целью повышения равномерности поверхностного удельного сопротивления слоя температуру мокрого окисления понизили от 800 до 775°С и время окисления увеличили приблизительно с 2 до 3 час. Как показано на фиг.1, такие изменения приводят к желаемой толщине стеклянной пленки приблизительно 4000 . Как показано на фиг.2А и 2В, равномерность поверхностного удельного сопротивления слоя улучшается значительно. Даже после 11 часов в паре при 775°С полученная равномерность легированных кремниевых пластин падает в пределах 2% (наиболее отчетливо видно на фиг.2А). Это справедливо для всех опытов мокрого окисления, проведенных при температурах ниже 775°С.

На фиг.3 представлен график зависимости поверхностных удельных сопротивлений слоев от времени в паре для каждой температуры мокрого окисления. Мокрое окисление при 775°С дает средние значения поверхностного удельного сопротивления слоя между 5 и 6 Ом/квадрат, что находится в пределах, предпочтительных для некоторых эмиттерных диффузий.

Время влажного окисления приблизительно 5 час при 775°С, как установлено, приводит к стеклянным пленкам с толщиной свыше приблизительно 5100 . Однако более толстая стеклянная пленка достигается за счет поверхностного удельного сопротивления слоя (в интервале приблизительно 6,3 Ом/квадрат). Более высокое поверхностное удельное сопротивление слоя, как полагают, является результатом окисления большего количества фосфорсодержащего кремния, что уменьшает количество активного фосфора, находящегося выше р/n электронно-дырочного перехода. Полагают, что увеличение времени осаждения при 1050°С с последующим мокрым окислением приблизительно при 775°С при описанных выше условиях может позволить получить толстый оксидный слой, все еще сохраняющий приемлемую равномерность.

Последние испытания подтверждают, что твердые источники легирующего вещества, отличные от источников легирующего вещества PhosPlus ® ТР-470, содержащих высокий процент метафосфата алюминия, также могут быть эффективно использованы в способе настоящего изобретения. Как описано ниже, источники на основе метафосфата редкоземельных элементов могут быть использованы в способе настоящего изобретения. Источник легирующего вещества на основе метафосфата лантана (La(РО 3) 3 получают путем обжига трех 100 мм источников легирующего вещества PhosPlus ® TP-250 (главным образом пентафосфат лантана, LaP 3 O 14) при 975°С в течение приблизительно 16 часов, а затем приблизительно при 1050°С в течение дополнительных двух часов. Аналогичные обжиги проводят с источниками диаметром 2 дюйма на основе пентафосфата неодима (NdP 5 O 14) и пентафосфата гадолиния (GdP 5 O 14), чтобы превратить их в соответствующие метафосфаты (Nd(PO 3) 3 и (Gd(PO 3) 3). Испытания также проведены с использованием источников диаметром 2 дюйма на основе метафосфата эрбия (Er(РО 3) 3) и метафосфата празеодима (Pr(РО 3) 3), которые, как полагают, находятся в форме метафосфата, исходя из данных по потере веса, полученных во время предварительного обжига.

Указанные выше источники на основе метафосфата редкоземельных металлов взвешивают до и после выдерживания в N 2 приблизительно при 1050°С (1100°С для источника на основе Er(РО 3) 3) с целью определения скорости потери веса. Затем их взвешивают до и после выдерживания во влажном кислороде (кислород, пропущенный через деионизированную воду с температурой 95°С), чтобы получить другую скорость потери веса. Рассчитывают отношения потери веса (г/час/кв.дюйм площади поверхности) во влажном кислороде при 775°С к потере веса в азоте при 1050°С (1100°С для Er-источника) с целью определения влияния влажного кислорода на скорость выделения P 2 O 5 . Результаты этих испытаний представлены в таблице 1.

Отношения потерь весов находятся в интервале от 5 до 28, причем источники легирующего вещества, имеющие более низкие отношения, более вероятно работают удовлетворительно при использовании в настоящем изобретении. Исходя из этих ограниченных испытаний источники на основе метафосфатов Er, Nd, Pr и Gd менее устойчивы к влажному кислороду, чем источник на основе метафосфата алюминия (отношение потерь весов приблизительно 5,0), а источник на основе метафосфата лантана имеет приблизительно такую же устойчивость к влажному кислороду.

Каждый источник используют для легирования кремниевых пластин при 1050°С в течение 45 мин в N 2 , чтобы оценить поверхностные удельные сопротивления слоев и толщину осажденной стеклянной пленки. Источники затем используют для легирования кремния при 1050°С в течение 45 мин с последующим окислением при 775°С в течение 3 час во влажном кислороде с целью получения поверхностных удельных сопротивлений слоев и толщины пленки окисленной поверхности кремния. И, наконец, источники используют для легирования кремния еще раз в азоте при 1050°С в течение 45 мин, чтобы определить, как толщина осажденной пленки меняется в результате воздействия на источник влажным кислородом. Результаты этих испытаний представлены в таблице 2.

Как показано в таблице 2, толщина осажденной стеклянной пленки при легировании в N 2 для всех источников в среднем составляет приблизительно 590 . Средняя толщина пленки при легировании в N 2 после того, как источники были использованы во влажном кислороде, составляет приблизительно 530 . Уменьшение толщины пленки на 60 считается небольшим и показывает, что источники легирующего вещества продолжают эффективно легировать кремний даже после выдерживания их во влажном кислороде в течение 3-6 часов.

Измеренные поверхностные удельные сопротивления слоев находятся в интервале приблизительно 5-6 Ом/квадрат. Такие поверхностные удельные сопротивления находятся в интервале, ожидаемом для осаждения при 1050°С в течение 45 мин с помощью одного источника. (Когда для легирования кремния используется только один источник, поверхностное удельное сопротивление слоя обычно является более высоким, чем при использовании трех или более источников).

Все кремниевые пластины наращивают приблизительно одинаковое количество стекла по время осаждения при 1050°С в течение 45 мин при последующих 3 часах во влажном кислороде при 775°С. Средняя толщина пленки составляет 3960 . Поверхностные удельные сопротивления слоев легированных и окисленных кремниевых пластин составляют приблизительно 6 Ом/квадрат, что также находится в пределах интервала, ожидаемого в случае использования одного источника легирующего вещества. Такие экспериментальные данные показывают, что легирование источниками на основе метафосфата редкоземельного элемента в сухом азоте и окисление при низкой температуре во влажном кислороде в случае источников на основе метафосфата редкоземельного металла дает результаты, аналогичные результатам, полученным для источника на основе метафосфата алюминия.

Изобретение также предлагает способ быстрого окисления кремниевой пластины. Обычно толщина оксида на нелегированной кремниевой пластине после 3 часов в паре при 775°С должна бы быть менее чем 1000 . Когда окисление проводят во влажном кислороде или в пирогенном паре при 775°С после легирования приблизительно при 1050°С, толщина оксида может повышаться приблизительно до 4000 в течение такого же времени окисления. Так как поверхность кремния сильно легирована фосфором (активным и неактивным), скорость окисления является очень высокой при низких температурах, что укорачивает необходимое время окисления по сравнению с окислением нелегированной поверхности. Такая высокая скорость окисления также могла бы иметь место при легировании газом, но опубликованные данные, например S. Wolf, R. Tauber, Silicon Processing for the VLSIEra (Lattice Press 1986), Vol.1, p.214, как оказывается, не указывают на такую же повышенную скорость окисления, как в случае кремния, который был легирован с помощью твердого источника.

Без претензии на какую-либо теорию можно полагать, что такое значительное повышение скорости окисления при 775°С может быть частично приписано повышенной скорости окисления легированной фосфором поверхности кремния. Быстрое повышение скорости окисления также частично может быть связано с электрически неактивным фосфором, часто присутствующим в поверхности кремниевых пластин, которые были легированы в более высокотемпературном цикле осаждения.

Настоящее изобретение описано на примере способа, который дает практические результаты при проведении в определенных условиях. Другие температуры осаждения, температуры окисления и другие реакционные условия, как ожидают, дают ряд поверхностных удельных сопротивлений слоев и толщины оксида.

По всему данному описанию, когда интервал условий или группа веществ определены относительно конкретных характеристик (например, температура, давление, время и т.д.) настоящего изобретения, то настоящее изобретение относится к каждому конкретному элементу и комбинации подинтервалов и подгрупп и в прямой форме включает каждый конкретный элемент и комбинацию подинтервалов или подгрупп. Любой конкретный интервал или группу следует понимать как стенографический путь отнесения к каждому элементу интервала или группе отдельно, а также как к каждому возможному подинтервалу или подгруппе, охватываемым ими; и аналогично для любых подинтервалов и подгрупп.

Хотя конкретный вариант осуществления изобретения описан подробно, следует понимать, что квалифицированными специалистами могут быть осуществлены другие варианты без отступления от сути изобретения или объема прилагаемой формулы изобретения.

1. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности пластины; окисления легированной кремниевой пластины способом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

3. Способ по п.2, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С.

4. Способ по п.3, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий стадии выбора первой температуры, достаточной для того, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 ; выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

6. Способ по п.5, в котором вторая температура меньше или равна приблизительно 900°С.

7. Способ по п.6, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

8. Способ по п.1, в котором стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества также включает стадию размещения кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества.

9. Способ по п.1, который дополнительно включает стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

10. Способ по п.9, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

11. Способ по п.10, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

12. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром.

13. Способ по п.12, в котором окисление влажным кислородом включает окисление кислородом, барботированным через деионизированную воду.

14. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах.

15. Способ по п.14, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

16. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества для парофазного осаждения P 2 O 5 в парофазном взаимодействии при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину, причем вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы понизить скорость выделения P 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества, пока кремниевая пластина удерживается в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества во время стадии окисления.

17. Способ по п.16, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

18. Способ по п.17, в котором стадию окисления проводят приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 ч с образованием на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 Å.

19. Способ по п.16, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высоких температурах, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

20. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии удерживания кремниевой пластины и твердого источника фосфорного легирующего вещества в непосредственной близости для парофазного осаждения P 2 O 5 при температуре и в течение времени, достаточных для образования слоя электронной проводимости n-типа на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара при второй температуре, причем вторая температура ниже, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

21. Способ по п.20, дополнительно включающий стадию выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы значительно уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника легирующего вещества во время стадии окисления.

22. Способ по п.21, в котором вторую температуру выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

23. Способ по п.21, в котором стадию окисления проводят при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на кремниевой пластине оксидного слоя заранее установленной толщины.

24. Способ по п.23, в котором стадию окисления проводят при второй температуре в течение времени, достаточного для образования на поверхности кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего толщину приблизительно 4000 Å.

25. Способ по п.20, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества, который разлагается при высокой температуре, причем источник легирующего вещества выбирают из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

26. Способ легирования кремниевой пластины, включающий стадии размещения кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества при первой температуре в течение времени, достаточного для осаждения фосфорсодержащего слоя на поверхности кремниевой пластины; окисления легированной кремниевой пластины методом мокрого окисления при второй температуре, более низкой, чем первая температура; удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

27. Способ по п.26, который дополнительно включает стадии выбора первой температуры, достаточной для того, чтобы твердый источник фосфорного легирующего вещества выделял P 2 O 5 во время стадии осаждения и выбора второй температуры, достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение Р 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

28. Способ по п.27, в котором вторая температура меньше или равна приблизительно 900°С.

29. Способ по п.28, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

30. Способ по п.26, в котором стадия удерживания кремниевой пластины в пространственном отношении к твердому источнику фосфорного легирующего вещества дополнительно включает стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества.

31. Способ по п.26, дополнительно включающий стадию выбора метода мокрого окисления из окисления влажным кислородом и окисления пирогенным паром.

32. Способ по п.31, дополнительно включающий стадию удерживания кремниевой пластины в непосредственной близости и по существу параллельно к твердому источнику фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

33. Способ по п.32, дополнительно включающий стадию выбора первой и второй температур так, что твердый источник фосфорного легирующего вещества выделяет P 2 O 5 при первой температуре, а вторая температура является достаточно более низкой, чем первая температура, чтобы уменьшить выделение P 2 O 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества во время стадии окисления.

34. Способ по п.33, в котором вторая температура выбрана так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

35. Способ по п.26, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

36. Способ выращивания оксидного слоя на кремниевой пластине, включающий стадию мокрого окисления легированной кремниевой пластины при температуре, достаточной, чтобы существенно понизить скорость выделения Р 2 О 5 из твердого источника фосфорного легирующего вещества, удерживаемого в парофазном взаимодействии с кремниевой пластиной во время стадии мокрого окисления.

37. Способ по п.36, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она была меньше или равна приблизительно 900°С.

38. Способ по п.37, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

39. Способ по п.36, в котором стадия мокрого окисления дополнительно включает стадию воздействия на легированную кремниевую пластину окисляющим агентом, выбранным из влажного кислорода и пирогенного пара.

40. Способ по п.36, дополнительно включающий стадию выбора температуры и времени для стадии мокрого окисления, достаточных для образования на поверхности легированной кремниевой пластины оксидного слоя, имеющего заранее установленную толщину.

41. Способ по п.40, в котором температуру мокрого окисления выбирают так, чтобы она находилась в интервале приблизительно 600-900°С.

42. Способ по п.41, в котором стадию мокрого окисления проводят приблизительно при 775°С в течение приблизительно 3 ч.

43. Способ по п.36, дополнительно включающий стадию получения легированной кремниевой пластины путем нагревания кремниевой пластины в парофазном взаимодействии с твердым источником легирующего вещества.

44. Способ по п.43, дополнительно включающий стадию выбора твердого источника легирующего вещества из источника легирующего вещества на основе метафосфата алюминия, источника легирующего вещества на основе метафосфата редкоземельного элемента и источника легирующего вещества на основе пентафосфата редкоземельного элемента.

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих элементов микромеханических датчиков, например подвесов чувствительных маятниковых элементов интегральных акселерометров.

Изобретение относится к технологии изготовления оптоэлектронных приборов, в частности солнечных фотоэлектрических элементов (СФЭ)

Способ легирования кремния фосфором и выращивания оксида на кремнии в присутствии пара

Легирование полупроводников представляет собой процесс введения примесей или структурных дефектов с целью направленного изменения электрических свойств.

Электрические свойства легированных полупроводников зависят от природы и концентрации введенных примесей доноров или акцепторов. Примеси, как правило, образуют в полупроводниках твердые растворы замещения и обладают высокой растворимостью вплоть до значений 1018 – 1020 см–3. Эти примеси имеют малые сечения захвата носителей, являются малоэффективными центрами рекомбинаций и практически не влияют на время жизни носителей заряда.

Методы легирования делятся на две группы: либо непосредственно в процессах выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур, либо локальное легирование отдельных областей монокристаллов.

На рис. 1.19 приведена классификация методов легирования полупроводников. Дадим краткий анализ этих методов.

Высокотемпературное легирование

Метод высокотемпературной диффузии состоит в том, что легирующая примесь приводится в соприкосновение с поверхностью монокристалла кремния. Монокристалл разогревается, и атомы примеси проникают внутрь монокристалла, замещая атомы кремния в решетке.

Метод высокотемпературной диффузии является одним из наиболее развитых и широко используемых процессов создания локальных областей с заданным типом проводимости в полупроводниках.

Рис. 1.19. Классификация методов локального легирования полупроводников

Существует несколько механизмов внедрения примесей.

При диффузии замещения (диффузия по вакансиям) решетка испытывает при нагреве сильную тепловую вибрацию. Некоторые атомы покидают свои места и замещаются другими. Если поблизости окажется атом примеси с приблизительно теми же размерами и валентностью, то может произойти замещение ушедшего атома в узле решетки атомом примеси. Атомы примесей движутся по узлам решетки стохастически во всех направлениях, но в целом их движение направлено в сторону снижения концентрации примеси. Скорость диффузии замещения зависит от скорости возникновения вакансий в решетке.

При диффузии внедрения атом примеси находит себе место в кристаллической решетке в междоузлиях, не замещая атома исходного элемента. При высоких температурах атомы примеси могут перепрыгивать с одного междоузлия на другое, распространяясь с большей скоростью, чем при диффузии замещения.

Для изготовления барьеров и р–n-переходов используется процесс диффузии примесных атомов, которые внедряются в кристаллическую решетку полупроводника и меняют ее электрофизические свойства.

Процесс изотропной диффузии описывается с помощью коэффициента диффузии D и определяется из первого закона Фика:

где j – плотность потока диффундирующих атомов, N – концентрация атомов, х – координата.

Этот феноменологический закон был сформулирован в 1855 году А. Фиком по аналогии с уравнением теплопроводности.

Коэффициент диффузии D зависит от температуры Т следующим образом:

где D 0 – постоянная величина, ε – энергия активации для скачка атома, k – постоянная Больцмана.

Изменение концентрации диффундирующего вещества во времени при одномерной диффузии определяется вторым законом Фика:

Легирующая примесь в полупроводник может быть введена из газообразного, жидкого или твердого источника. Поэтому по способу подведения примеси из внешнего источника к среде, в которой необходимо создать неоднородности концентрации примесей, различают три метода.

В процессе проведения диффузии в замкнутой системе (метод "закрытой трубы") пластины проводника и источники примеси (диффузант) загружают в кварцевую ампулу, вакуумируют, герметизируют и помещают в печь (рис. 1.20, а ). В качестве диффузанта могут быть использованы вещества в любом агрегатном состоянии. Закрытая труба сначала разогревается до температуры разложения газообразного источника. На легируемых пластинах формируется локальный источник диффузии, место которого определяется соответствующей маской. Затем температура повышается, благодаря чему создаются необходимые условия диффузии легирующей примеси в объеме полупроводника. В результате формируются области с заданной концентрацией примеси и заданным типом проводимости. Метод имеет ряд недостатков:

– электрофизические параметры легированных областей существенно зависят от состава атмосферы в изолируемом рабочем объеме;

– двухступенчатый процесс термообработки увеличивает продолжительность процесса легирования;

– подготовка закрытой трубы требует много времени;

– получение образца сопровождается разрушением трубы;

– низкая воспроизводимость электрофизических параметров при низкой поверхностной концентрации примеси.

Рис. 1.20. Схема способов проведения диффузии: 1 – открытая диффузионная труба; 2 – закрытая диффузионная труба; 3 – пластины; 4 – вытяжка; 5 – выходной конец для введения газа-носителя; 6 – диффузионная печь; 7 – ампулы с диффузантом; 8 – твердый диффузант; 9 – жидкий диффузант

Чаще всего этот метод применяется с целью глубокого легирования.

Наиболее широкое применение получил метод диффузии в открытой системе (метод "открытой трубы"). Диффузия в этом случае может проводиться из твердых, жидких или газообразных источников. Основными диффузантами при диффузии в кремний являются бор и фосфор. Создание локальных неоднородностей проводится в две стадии. На первой стадии (стадия загонки) в необходимых местах поверхности при невысоких по сравнению с диффузией температурах создают тонкий диффузионный слой примеси. На второй стадии (стадии разгонки) пластины нагревают в атмосфере, не содержащей диффузантов. При этом происходит диффузионная перераспределение примесей, приводящая к созданию локальной области в объеме пластины.

Двустадийная диффузия в этом методе имеет два основных преимущества. Во-первых, разделение процесса на две стадии делает технологический процесс более управляемым, повышает воспроизводимость результатов и упрощает контроль. Во-вторых, низкотемпературный процесс стадии загонки облегчает маскирование будущих статических неоднородностей. Стадия разгонки происходит в отсутствие паров диффузанта.

Высокотемпературная диффузия возможна с использованием твердых планарных источников легирующей примеси. Существует несколько способов использования твердых источников. Наиболее привлекательным является расположение источника примеси параллельно между легируемыми полупроводниковыми пластинами. Расстояние между пластинами и диффузантом определяется соотношением

где D – коэффициент диффузии примеси в газовой среде, t – время обработки пластин. Обычно значение L (пластина-диффузант) подбирают близким к размеру полупроводниковых пластин, а материалом служит стеклокерамическая композиция с использованием окиси бора (В2О3), нитрид-бора (BN), фосфата алюминия (Аl2О3 · 3Р2О5).

Использование твердых планарных источников позволяет улучшить однородность легирования, поднять процент выхода годных структур, рационально использовать рабочий объем диффузионной печи, исключить токсичные продукты реакции и т. д.

Метод высокотемпературной диффузии из твердой фазы позволяет также сократить в 2 – 4 раза длительность высокотемпературной обработки, вводить донорные и акцепторные примеси одновременно, сократить трудоемкость операции легирования в 2 – 3 раза при одновременном улучшении электрофизических параметров структур.

Решение второго закона Фика для заданных начальных и граничных условий имеет вид:

где N (x , t )– концентрация примесей на расстоянии х от поверхности, N – поверхностная концентрация примесей, t – время диффузии.

Формирование областей транзистора происходит путем задания концентрационных и временных параметров диффузионного процесса.

На рис. 1.21 приведены расчетные кривые (а) и полученный профиль распределения примесей (б) в областях биполярного транзистора.

Рис. 1.21. Формирование методом высокотемпературной диффузии областей транзисторной биполярной структуры

Подводя итоги анализа методов высокотемпературной диффузии, отметим, что эти технологические процессы обеспечивают создание локальных неоднородностей в полупроводниковых континуальных средах в виде областей с широким диапазоном концентрации и глубин залегания примесей.

Вместе с тем методам высокотемпературной диффузии присущ ряд недостатков: – изотропность, приводящая к ограничению размеров формируемой неоднородности в кремниевой пластине;

– изменение электрофизических характеристик, а также генерация дислокаций и механических напряжений в континуальной среде из-за обработки пластин при высоких температурах;

– ограниченный набор диффузантов, в диапазоне температур 900 – 1250 °С, обладающих высоким коэффициентом диффузии и хорошей растворимостью;

– появление используемых примесей в активной области при формировании структуры вследствие протекания газов-носителей или проникающих через трубы газов из окружающей среды;

– трудность получения тонких легированных слоев и редких р–n-переходов.

Все это снижает эффективность методов высокотемпературной диффузии, затрудняет высокоэффективную автоматизацию и интеграцию всего технологического процесса. Поэтому поисковые работы в области технологии создания областей заданной проводимости и концентрации направлены на увеличение эффективности процессов, рациональном сочетании этих процессов с другими методами легирования.

Ионная имплантация

Ионная имплантация (ионное внедрение, ионное легирование) представляет собой процесс введения примесных атомов в твердое тело путем бомбардировки его поверхности ускоренными ионами.

Практически метод ионной имплантации состоит в бомбардировке твердых тел пучками ускоренных ионов с энергией в пределах от 10 кэВ до 1 МэВ с целью создания в них локальных неоднородностей и р–n-переходов. Ускоренные ионы проникают в кристаллическую решетку, преодолевая отталкивающее противодействие положительных заряженных ядер атомов. Ионы более легких веществ проникают глубже, чем ионы тяжелых веществ, однако траектория движения последних более прямолинейна.

Глубина проникания ионов в среду характеризуется понятием пробега. Средний нормальный пробег X представляет собой проекцию траектории среднего полного пробега на направление первоначальной скорости иона. При точной ориентации направления падения пучка ионов вдоль кристаллографической оси происходит каиалирование ионов в кристалле. В этом случае пробег ионов существенно больше, чем при неориентированном облучении. Ион может вызвать в решетке зоны разупорядочения, размер которых может составлять 3 – 10 нм. Это происходит в том случае, когда энергия, переданная ионом атому решетки, превышает энергию связи атомов в твердом теле. Разупорядоченные зоны или радиационные дефекты при облучении накапливаются, и когда число их превосходит критическое значение, происходит локальный переход кристаллической структуры в аморфный слой. Большинство внедренных ионов находится в междоузлиях и не является электрически активным. Для восстановления кристаллической структуры облученную среду отжигают, в результате чего происходит распад радиационных дефектов. В это же время ионы примеси занимают вакантные узлы, внедряются, образуя области с заданной концентрацией примеси или р–n-переходы. Конструктивно установка для ионной имплантации представлена на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Схема установки ионной имплантации: 1 – источник ионов; 2 – вытягивающие электроды; 3 – канал; 4 – магнитный сепаратор; 5 – система фокусирования и сканирования; 6 – заслонка; 7 – ускорительная трубка; 8 – источник высокого напряжения; 9 – приемная камера; 10 – барабан; 11 – баллон с натекателем

Источником ионов служит газоразрядная камера, в которой с помощью электронной бомбардировки происходит ионизация молекул и атомов имплантируемого вещества. Дополнительная ионизация осуществляется с помощью магнитного сепаратора. Обычно используются два или более источников ионов примеси для получения областей р- и n-типов. Например, в качестве источника акцепторной примеси используется трехфтористый бор (BF3), поступающий из баллона с натекателем. В качестве донорной примеси часто используют пары фосфора, образуемые в нагревателе с красным фосфором. Ионы имитируются с помощью вытягивающих электродов, подключенных к источнику высокого напряжения. Ионный пучок формируется в канале с помощью магнитного сепаратора и систем фокусирования и сканирования. После прохождения магнитного сепаратора, в котором происходит отбор ионов по массе, они попадают в систему фокусировки.

Сформированный ионный пучок сканирует поверхность, расположенную в вертикальной плоскости. Заслонка в канале предназначена для перекрытия ионного пучка при наборе заданной дозы облучения. Ускорительная трубка с источником высокого напряжения (~ 200 кВ) предназначена для ускорения ионов до нужной энергии. Облучаемый материал помещается в кассету барабанного типа, расположенную в приемной камере, которая откачана до уровня 10–3 Па.

Однородность легирования конструктивно обеспечивается вращением барабана и сканированием ионного пучка в заданное время облучения t (с), определяемое из соотношения

где α – угол сектора облучаемой окружности барабана; Q – доза облучения, Кл/м2; j – плотность ионного тока в пучке, А/м2.

Доза облучения определяет число частиц, внедренных в единицу поверхности:

где q – заряд одного иона, п – кратность ионизации, е – заряд электрона.

Отличительной особенностью метода ионной имплантации является возможность создания максимальной концентрации не на поверхности, что было характерно для диффузионных процессов, а в глубине среды. Это происходит потому, что с увеличением энергии ионов максимум концентрации располагается в глубине полупроводника. Поверхностная концентрация при этом падает. С повышением энергии ионов до 2,5 МэВ повышается глубина проникновения. Инверсионный слой концентрации примеси в этом случае формируется в глубине среды, образуя р–n- и n–р-переходы (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Образование р–n-переходов при внедрении ионов малых (а ) и больших (б ) энергий

В режиме каналирования пучков возникают нежелательные слабо контролируемые эффекты. Следует отметить, что при полном легировании концентрация свободных носителей заряда в легированном слое меньше концентрации внедренных примесей. Это происходит из-за попадания ионов в междоузельное положение, где они электрически неактивны. Коэффициент использования примесей, например, для акцепторной примеси составляет

где пр – концентрация дырок в инверсном слое; N Д – концентрация доноров в исходном кремнии; NA – средняя концентрация введенных атомов акцепторной примеси. Аналогично выводится коэффициент использования при внедрении донорной примеси.

Электрические свойства полупроводника зависят как от количества имплантированных ионов, так и от числа радиационных дефектов.

На практике при создании транзисторных структур используют оба способа внедрения примесей: высокотемпературную диффузию и ионную имплантацию. В технологическом процессе на стадии загонки примеси используется ионная имплантация, а в дальнейшем – диффузионная разгонка. В этой весьма перспективной технологии сочетаются достоинства методов: точность дозировки ионной имплантации и глубокие уровни залегания переходов, характерные для процесса диффузии.

В процессе ионного легирования важна операция отжига, при которой устраняются радиацион­ные дефекты и активизируются внедренные атомы. Режим отжига зависит от дозы облучения. Для малых доз температура отжига составляет Тотж £260 °С, для больших – Тотж ³570 °С. Заметим, что граница между понятиями отжиг и диффузия лежит вблизи 1000 °С. При температурах < 1000 °С процессами диффузии можно пренебречь.

Метод ионной имплантации, используемый для создания статических неоднородностей в микроэлектронных приборах и устройствах, имеет ряд преимуществ:

– нетермический характер введения примесей обеспечивает большой выбор легирующих примесей;

– чистота вводимой примеси в технологическом процессе;

– широкий диапазон концентраций вводимой примеси;

– эффективный контроль дозы вводимой примеси, что позволяет достичь высокой воспроизводимости результатов;

– высокая однородность легирования;

– возможность создания неоднородности проводимости в объеме континуальной среды путем подбора энергии ионов;

– возможность создания неоднородностей субмикронных размеров;

– сокращение длительности производственного процесса по сравнению с методом диффузии;

– возможность автоматизации технологического процесса.

Тенденции в развитии метода ионной имплантации заключаются в преодолении ограничений физического и технического характера, среди которых:

– возникновение радиационных нарушений кристаллической решетки, растущих с дозой внедрения примесей;

– трудность создания примесей на глубине более 2 мкм;

– сложность эксплуатации технологического оборудования и его высокая стоимость.

Радиационно-стимулированная диффузия (РСД) представляет новое направление, являющееся комбинацией высокотемпературной диффузии и ионной имплантации. Этот метод сконцентрировал в себе ряд достоинств обоих ранее описанных методов. Сущность метода РСД заключается в бомбардировке кристалла легкими ионами, энергия которых передается атомам подложки. Вследствие этого наблюдается смещение атомов в междоузельное пространство и образуются вакансии. В определенных условиях вакансии могут мигрировать в кристалле, меняясь положением в решетке с соседними атомами основного кристалла или атомами примеси. Эта часть процесса носит диффузионный характер и аналогична термической генерации дефектов. Ионная бомбардировка увеличивает коэффициент диффузии любой примеси. При стимулировании диффузии в полупроводниках методом ионной бомбардировки главную роль играют неравновесные вакансии и междоузельные атомы. Ионизационные и полевые эффекты существенной роли не играют. Процесс РСД обычно описывается диффузионными уравнениями вида:

где D – коэффициент радиационно-стимулированной диффузии, v – скорость перемещения поверхности вследствие ее распыления. Приведенные уравнения несколько отличаются от известных уравнений Фика, описывающих процесс высокотемпературной диффузии.

Процесс РСД осуществляется ионами электрически неактивных примесей (Н2, Не, N, Аr и др.) высокой или низкой энергии. Обработка среды высокоэнергетичными ионами (10 – ЮОКэВ), например протонами, обеспечивает целенаправленное управление концентрацией и типом распределения примеси в уже сформированных структурах. Глубина проникновения примеси зависит от длительности протонной бомбардировки, энергии протонов и интенсивности облучения.

К преимуществам метода РСД по отношению к методам высокотемпературной диффузии и ионной имплантации следует отнести:

– сравнительно низкую температуру подложки в процессе обработки;

– прямую зависимость скорости генерации дефектов от параметров луча, а не температуры подложки;

– формирование направления диффузии не градиентом концентрации примеси, а слоем нарушений, создаваемым ионным пучком;

– незначительные радиационные нарушения в легированном слое;

– активацию введенной примеси в узлы решетки уже в процессе обработки.

Лазерный отжиг

В настоящее время в микроэлектронике все большее распространение получает лазерное облучение полупроводниковых материалов с целью создания в них локальных неоднородностей и р–n-переходов.

К достоинствам лазерной обработки следует отнести:

– возможность локального изменения свойств материалов;

– локальный безынерционный нагрев практически до любой заданной температуры;

– более высокую активацию примеси, чем при обычном отжиге;

– получение качественной поверхности пластины после отжига.

В процессе легирования лазерное облучение среды используется как для непосредственного селективного легирования, так и для отжига пластин после проведения ионной имплантации, а также диффузии, эпитаксиального наращивания и т. д.

Особенно большое внимание в настоящее время уделяется лазерному отжигу полупроводниковых материалов после процесса ионной имплантации. Специфичность лазерного излучения позволяет сфокусировать световой пучок строго определенного спектрального состава на ранее облученную ионами поверхность. При этом кратковременно до необходимой температуры нагреваются лишь очень тонкий слой или его выбранные участки.

Различают два механизма отжига имплантированных структур: отжиг мощным импульсным излучением и отжиг непрерывным излучением.

Благодаря фокусировке лазерного излучения удается локально поднять температуру. При этом происходят процессы рекристаллизации полупроводниковой структуры аналогично эпитаксии из твердой фазы. И в этом случае неповрежденная имплантацией основа полупроводника используется в качестве затравки, на которой наращивается материал той же самой структуры и ориентации. В этом случае скорость рекристаллизации составляет 0,001 – 0,01 м/с, что на три порядка меньше скорости рекристаллизации при облучении лазерными гигантскими импульсами.

Особо отметим, что при отжиге непрерывным лазерным излучением профиль распределения примеси остается прежним (рис. 1.24, а ),в то время как при облучении мощным лазерным импульсом профиль распределения примеси зависит от мощности гигантского импульса (рис. 1.24, б ).

Рис. 1.24. Характер профилей распределения примесей в процессе лазерного отжига: а – облучение непрерывным излучением малой мощности (до и после отжига); б – облучение гигантскими импульсами; 1 – до отжига; 2 – отжиг излучением с изменяемой плотностью мощности W 1 < W 2< W 3

С помощью лазерной рекристаллизации можно обеспечить строго ориентированный рост всех кристаллов, формируемых на аморфной подложке. Этот процесс может сопровождаться ростом пленки поликристаллического кремния, текстурированного в направлении (100) с размером зерен 1 – 100 мкм. Этот метод ориентированного выращивания пленок на аморфных подложках получил название графоэпитаксии.