CC BY
35
УДК 621.382.8.002
В.В, Петров
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ
ТЕРМОПОЛЕВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ КРЕМНИЯ ФОСФОРОМ
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
347928 Таганрог, пер. Некрасовский 44, каф. химии, тел.: (86344) 6J635, e-mail: egf(a?sure.ru
Метод термополевого легирования кремния позволяет создавать в газовой фазе над поверхностью области легирования постоянные электрические поля напряженностью 105-10? В/см [1,2]. За счет полевого воздействия проникновение примесных атомов в приповерхностную область кремния происходит при температурах в 2-2,5 раза меньших, чем при диффузионном легировании.
В работе [1] приведены результаты экспериментального исследования глубины залегания n-р-пере ходов, сформированных в приповерхностной области кремния термополевым легированием фосфора и последующим высокотемпературным отжигом.
В настоящей работе исследуются зависимости концентрации примесных атомов фосфора от глубины их проникновения, измеренные с помощью ОЖЭ-спектроскопии на двух образцах кремния, прошедших только термополевое легирование, фосфором при Т=673 К в течение 40 мин, которые приведены на рисунке.
Кривая 1 получена для легируемой пластины, к которой прикладывался положительный потенциал, а кривая 2 - для образца, к которому прикладывали отрицательный потенциал.
В работе [3] рассчитаны коэффициенты диффузии атомов фосфора для этих образцов на основании модели диффузии из постоянного источника. Расчеты показали, что для кривой 1 коэффициент диффузии составил МО'18 см^/с, а для
кривой 2 - 6-10"^ см-/с. Найденные значения коэффициента диффузии значительно превышают коэффициент диффузии, характерный для изотермического легирования кремния при 673 К. Аномальное увеличение коэффициента диффузии можно объяснить активирующим влиянием постоянного электрического поля на разных стадиях внедрения примесного вещества в полупроводник [2]. Следствием влияния поля является локальный перегрев приповерхностного слоя кристалла в результате активации адсорбционных процессов. В работе [4] рассмотрен механизм внедрения атома примеси, хемосорбированного поверхностью полупроводника, в его приповерхностный слой. Локальный перегрев происходит при выделении энергии образования хемосорбционного комплекса, в состав которого входит атом примеси и активный поверхностный центр. Теоретически рассчитанная величина перегрева в области хемокомплекса может достигать 700° по сравнению с фоновой температурой. Поэтому коэффициент диффузии в области локального перегрева может быть больше коэффициента диффузии, рассчитанного для фоновой температуры. Приведенные выше значения коэффициентов диффузии соответствуют температуре изотермического легирования 1300 К для случая отрицательного потенциала на легируемой пластине и 1140 К - для случая положительного потенциала. Сравнение с фоновой температурой (673 К) показывает, что локальный перегрев достигает величин 460-620°, что не противоречит результатам, полученным в [4].
Известия ТРТУ
Ы, сы3
Рис. Концентрационные профіти фосфора в ■&'
. В работе [5] предложена модель низкотемпературной диффузии примеси к полупроводниках при наличии постоянного электрического поля, в которой показано, что при низких температурах легирования диффузия примеси осуществляется. в основном, за счет дрейфа ионов примеси под действием поля. В результате концентрационный профиль примеси получается резким, а его фронт - крутым. На концентрационном профиле выделяются два участка - область с постоянной концентрацией примеси (её формирование происходит под действием поля) и область с переменной концентрацией примеси (формируется под действием температуры), размеры областей сравнимы друг с другом.
Описанному распределению примеси соответствует случай легирования при отрицательном потенциале на легируемой пластине - кривая 2. Глубина зале-
гания области с постоянной концентрацией примеси составляет 2-10"*- мкм, область с переменной концентрацией примеси располагается на глубине от 2-10"^ до
5-10-2 мкм_ для кривой 1 характерно отсутствие и области с постоянной концентрацией примеси, и области с переменной концентрацией. Объяснением этого является то, что электрическое поле такой направленности противодействуют дрейфу ионов фосфора в глубь кремния. Для обоих образцов характерно формирование
узкой, до 2- Ю'З мкм, области с высокой концентрацией внедренной примеси. Этот слой, насыщенный атомами примеси, при дальнейшем высокотемпературном отжиге при температурах 1273-1373 К является источником примеси. Однако влияние полярности прикладываемого при термополевом легировании поля сказывается и на результатах отжига. Глубина залегания п-р-переходов у образцов кремния, обработанных при отрицательном потенциале на легируемой пластинке, всегда выше, чем у образцов с другим направлением поля [1]. Обнаруженное неодинаковое влияние полярности постоянного электрического поля указывает на то, что атомы при термополевой обработке ионизируются и имеют положительный заряд, что, в общем-то, характерно для фосфора, являющегося донорной примесью в
кремнии.
Концентрация примеси в узком высоколегированном слое составляет
2-Ю^см'З. Известно, что в диффузионных слоях с высокой концентрацией примеси не вся примесь дает вклад в образование носителей заряда. Для фосфора в кремнии этот эффект становится существенным при концентрации, равной ~
6-10^0 см“^ [6]. Для термополевого легирования, проводящегося при более низких, чем диффузионное легирование, температурах, указанный эффект, вероятно, может проявляться и при более низких концентрациях атомов фосфора. Этим .может объясняться тот факт, что п-р-переходы сразу после термополевой обработки нельзя обнаружить известными оптическими методами. Но n-р-переходы обнаруживаются уже после кратковременного (порядка 5 минут) высокотемпературного отжига [1]. Это свидетельствует о том, что внедренная термополевым легированием примесь находится в неактивном состоянии. Для подтверждения этого были произведены измерения типа проводимости поверхности кремниевого образца сразу после термополевого легирования фосфором методом термозонда, Измерения однозначно показали, что поверхность имеет n-тип проводимости. Этот факт
указывает на то, что все-таки некоторая часть примеси в тонком до 10"^ мкм высоколегированном приповерхностном слое кремния вносит вклад в формирование носителей заряда, но малая толщина n-р-перехода не позволяет обнаружить его в оптический микроскоп. Для обнаружения внедренной примеси требуется кратковременный высокотемпературный отжиг.
В результате проведенных исследований экспериментально подтверждено влияние направленности постоянного электрического поля на процесс внедрения атомов фосфора в приповерхностную область кремния при термополевом легировании.
Обнаружено влияние поля на формирование резких концентрационных профилей внедренной примеси.
Показано, что с помощью термополевого легирования формируется тонкий приповерхностный высоколегированный слой, однако только часть внедренных атомов в этом слое находится в активном состоянии. Для полной активации примеси необходим кратковременный высокотемпературный отжиг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петров В.В., Котов В.И., Сеченов Д.А., Королев А.И. Термополевое легирование кремния бором, фосфором и мышьяком// ФизХОМ. 1994. №2.с. 92-96.
2. Петров В.В., Сеченое Д.А., Королев А. Н. , Котов В.Н. Механизм процесса термополевого легирования кремния//Сб. науч. трудов МИЭТ. М.: Изд-во МИЭТ, 1993. С. 82-92.
3. Сеченов Д.А., Петров В.В., Котов В.Н., Королев А.И. Коэффициент диффузии примеси в приповерхностной области полупроводника при термополевом легирован и и//В тор. всеросс. науч.-техн. конф. с между нар. Участием “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники.” Таганрог, 1995.С 29.
4. Королев А.Н.. Сеченов ДА., Петров В.В. Механизм внедрения примеси в приповерхностный слой полупроводника при диффузии// ФизХОМ. 1995. №4, С. 129-132.
5. Королев А.Н., Сеченов ДА., Петров В.В. Нелинейная модель изкотемператур-ной диффузии примеси в полупроводниках при наличии постоянного электрического поля// ФизХОМ. 1993. №5. С. 100-106.
6. Tanneubaum £, Solid State Electron, 1961. №2. P. 123-132.
