Способ 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. 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) [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:

- газообразных диффузантов (типа PH₃, B₂H₆ при легировании кремния) [1-3],

- в парах жидких диффузантов (типа BBr₃, РС1₃ при легировании кремния), поставляемых в рабочую зону газом-носителем (обычно N₂), 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.

2. При использовании в качестве газа-источника легирующих примесей ВХ₃ или РХ₃ (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.