СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ
METHOD OF ALLOYING SILICON

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) [1-3], ионно-пучковое и ионно-плазменное внедрение (имплантации) легирующих примесей (ионное легирование) [4-11]. Они используются в полупроводниковой технологии для формирования р-n-переходов в структурах интегральных микросхем (ИМС), солнечных элементов (СЭ) и других полупроводниковых приборов [1-11].
Диффузионное легирование заключается в том, что пластину нагревают до высокой температуры в диффузионных печах при использовании:
3
2
6
- газообразных диффузантов (типа PH, BH при легировании кремния) [1-3],
3
3
2
- в парах жидких диффузантов (типа BBr, РС1 при легировании кремния), поставляемых в рабочую зону газом-носителем (обычно N), с добавлением кислорода [1-3],
- твердого диффузанта (соединения бора или фосфора при легировании кремния), предварительно нанесенного на поверхность полупроводника [1-3].
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 [4-6], 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 [12]).
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 [7].
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 [8-11], 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 [8-11].
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.
3
3
2. При использовании в качестве газа-источника легирующих примесей ВХ или РХ (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.