Создание р-п переходов ионным легированием

Разработал Вигдорович Е.Н.

(Методическое пособие для лабораторных и курсовых работ)

 

Ионное легирование (имплантация) - процесс внедрения в твердотельную подложку высокоэнергетичных (10^-17 ...10^-18 кДж) ионизированных атомов легирующей примеси. Имплантируемые ионы получают путем ионизации соответствующего пара или газа и экстрагируются (извлекаются) из источника потенциалом 10 кВ. Пучок ионов формируется с помощью системы электростатических линз, а увеличение энергии до заданных значений осуществляется ускорением ионов путем подачи высокого напряжения на ускоряющие электроды и подложку. Давление в системе поддерживается на уровне 10^-3 Па в камере источника ионов и 10^-5 Па в камере имплантируемой подложки.

При внедрении в подложку (мишень) быстрые ионы в результате столкновений с атомными ядрами и электронами теряют свою энергию и останавливаются. Установившееся в результате этого распределение внедренных атомов по толщине твердого тела называют профилем торможения. Форма кривой распределения концентрации атомов примеси (профиль торможения) зависит от характера потерь энергии движущимся ионом и определяется как свойствами мишени, так и свойствами самого иона. Длина пути ионов от поверхности мишени до точки остановки называется длиной пробега R, а ее проекция на направление первоначального движения, экспериментально определяемая величина, проекцией пробега R_р.

Экспериментально невозможно определить длину пробега R. Обычно измеряют среднее значение проекции пробега R_p (глубину внедрения) и среднее нормальное отклонение проекции пробега DR_p(разброс проекции пробега). В таблице приведены значения R_p и DR_p в зависимости от энергии иона (ускоряющее напряжение).

Если известны значения R_p и DR_p, полная доза облучения (Q) и исходная концентрация примеси N_исх можно определить профиль концентрации примеси в мишени, который подчиняется гауссовскому закону:

Q (x - R_p)²

N_x = ------------ exp (- ------------) (1)

DR_p Ö 2 p 2 DR_p ²

Максимум концентрации внедренных ионов находиться от поверхности мишени на расстоянии x = R_p а величина N_max равна

N_max = 0,4Q / DR_p (2)

Обычно для восстановления кристаллической решетки после имплантации примесей применяется термообработка (отжиг). Диффузия имплантированных примесей в кремнии в процессе отжига является сложной, даже при отсутствии радиационных дефектов. Если предположить, что коэффициент диффузии является постоянным и, следовательно, не зависит от расстояния, времени, концентрации дефектов, то можно записать простое решение гауссовского распределения имплантированной примеси. Если заменить DR_p² на DR_p² + 2Dt, то решение второго уравнения Фика dN/dt =D d²N/dx может быть представлена в следующем виде:

Q (x - R_p )²

N(x,t) = -------------------- exp[- -----------------] (3)

Ö[2p (DR_p²+2Dt)] 2(DR_p² + 2Dt)

 

где D - коэффициент диффузии примеси при температуре отжига (см²/с) (для бора(B) -D=7exp(-3,7/kT), для фосфора(P) - D=10,5exp(-3,7/kT)) t - время отжига. к = 8,61 10^-5эВ/К

Внедряя ионы элементов III и V групп таблицы Менделеева в монокристалл кремния можно получить р - п или п - р переход в любом месте на любой площади. Глубина залегания р - п перехода x_j определяется выражением:

x_j = R_p + DR_p Ö [2 ln(Q / N_исх DR_p Ö 2 p)] (4)

При формировании трехслойной структуры типа n-p-n, p-n-p или n-n-p проводят последовательное введение двух примесей. В частности, для транзисторной структуры n-p-n, образованной внедрением ионов акцепторной примеси для формирования базы и ионов донорной примеси для формирования эмиттера, суммарное распределение примеси описывается выражением:

x-R^a_p x-R^d_p

N(x)=N^a_max exp[-(----------)² ]-N^d_max exp[-(---------)² ]-N_исх (5)

DR^a_pÖ 2 DR^d_pÖ2

 

причем R^a_p > R^d_p , а N^a_max < N^d_max

Глубину коллекторного перехода можно определить из условия

x - R^a_p

N^a_max exp[ - (------------)² ] - N_исх = 0 (6)

DR^a_p Ö 2

откуда

x^k _j =R^a_p + DR^a_pÖ 2 ln(N_max / N_исх) (7)

Таблица

Средние значения R_p и DR_p для бора и фосфора при внедрении в кремний

I \ E,кэВ
Бор	Rp , нм DRp ,нм	397,7 93,9	468,8 102,5	537,4 109,8		665,4 121,3	725,3 125,9
Фосфор	Rp , нм DRp , нм	123,3 35,4	149,1 41,1	175,2 46,6	201,4 51,8	227,7 56,6	253,8