Основы радиационных технологий . Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнечных элементов n+ –p–p+ (p+–n–n+)- типа Методические указания
.pdf№1248
А.А.Полисан В.П. Астахов
Основы радиационных технологий
Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных
атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнечных элементов n+ñpñp+(p+ñnñn+) типа
Методические указания
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
№ 1248
Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков
А.А. Полисан В.П. Астахов
Основы радиационных технологий
Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных
атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнечных элементов n+ñpñp+(p+ñnñn+) типа
Методические указания
Рекомендовано редакционно издательским советом института
Москва Издательство ´УЧЕБАª 2007
УДК 621.315.59 П50
Р е ц е н з е н т канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук
Полисан А.А., Астахов В.П.
П50 Основы радиационных технологий. Расчет режимов ионной имплантации и профиля распределения имплантированных атомов примеси на примере изготовления кремниевых солнеч- ных элементов n+–p–p+(p+–n–n+)-типа: Метод. указания. –
М.: МИСиС, 2007. – 18 с.
В методических указаниях рассматриваются принципы расчета режимов ионной имплантации при формировании структур n+–p–p+(p+–n–n+)-типа и профилей распределения имплантированной примеси. Излагается методика расчета в программе Math Cad 2001.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 150601 «Материаловедение и технология новых материа- лов» и 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника».
♥Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) (МИСиС), 2007
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.................................................................................................... |
4 |
|
1. |
Общие сведения.................................................................................... |
5 |
2. |
Задание................................................................................................... |
6 |
3. |
Указания к выполнению задания ........................................................ |
8 |
4. |
Пример выполнения задания............................................................. |
10 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Ионная имплантация является одним из наиболее распространен- ных методов радиационной технологии, использующихся при изго- товлении полупроводниковых приборов. При внедрении ускоренных ионов в решетку твердого тела они теряют свою энергию за счет не- упругих и упругих столкновений (взаимодействие с электронами атомов мишени и с ядрами атомов мишени, соответственно) вплоть до остановки. Если энергия иона, переданная атому при упругом столкновении, превышает энергию связи атомов в мишени, то атом выбивается из узла решетки с образованием пары Френкеля (вакан- сия и междоузельный атом). Первичный выбитый атом при даль- нейшем движении в кристалле выбивает из узлов вторичный и по- следующие атомы, что приводит к накоплению радиационных де- фектов. Внедренный ион может попасть в узел решетки, проявляя донорные или акцепторные свойства. Ионы, остановившиеся в меж- доузлиях, не являются электроактивными.
Для устранения радиационных дефектов, вызванных ионной им- плантацией, и перевода примеси в электроактивное состояние прово- дят постимплантационный отжиг. Обычно отжиг содержит этап электроактивации и этап «разгонки» имплантированной примеси для достижения требуемой глубины залегания легированного слоя. Элек- троактивация при отжиге учитывается введением коэффициента ис- пользования ионно-внедренной примеси k, значения которого опре- делены по экспериментальным данным. «Разгонка» является само- стоятельной задачей и в данной работе не рассматривается. Отметим только, что этот этап отличается от «разгонки» в диффузионном ме- тоде формирования легированных слоев наличием так называемой радиационно-стимулированной диффузии.
Аналогично проводятся расчеты и для биполярных приборных кремниевых структур, с той только разницей, что в этом случае им- плантация ионов донорной и акцепторной примесей проводится с одной стороны кремниевой пластины, а при формировании структур для солнечных элементов донорная примесь имплантируется с одной стороны кремниевой пластины, а акцепторная – с другой. При этом n+–p(p+–n)-переход является фронтальным легированным слоем, на ко- торый падает солнечное излучение, а изотипные барьеры p–p+(n–n+) – тыльным легированным слоем.
4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Траектория движения имплантируемого иона представляет собой ломаную линию. Полный путь иона в кристалле (длина пробега) яв- ляется случайной величиной и для совокупности внедренных ионов оценивается средним значением пробегов R. С точки зрения практи- ческого использования более важным параметром является проекция среднего пробега на направление первоначальной траектории дви- жения иона – Rp (средний проективный пробег). Разброс отдельных проективных пробегов относительно среднего пробега оценивается дисперсией пробега Rp. Параметры Rp и Rp зависят от энергии иона Е, эффективного диаметра атома примеси (или от порядкового номе- ра Z в периодической таблице элементов) и увеличиваются с увели- чением Е и уменьшением Z.
Профиль распределения имплантированной примеси по глубине легированного слоя N(x) зависит также от кристаллографической ориентации мишени, температуры мишени и некоторых других фак- торов. Однако в первом приближении он может быть оценен по уп- рощенной модели Линдхарда–Шарфа–Шиотта, справедливой для аморфной мишени, где рассеяние ионов носит случайный характер, а распределение пробегов описывается функцией Гаусса (достаточно хорошо согласующейся с экспериментальными величинами):
N(x) = |
Q |
|
−( |
x−Rp |
)2 |
|
|
|
2 Rp |
, |
(1.1) |
||||
|
|
e |
|||||
|
|
||||||
|
Rp |
2π |
|
|
где Q – доза имплантации, равная произведению плотности ионного тока j на время облучения t. Считается, что на глубине Rp + 3 Rp со- средоточены почти все имплантированные атомы примеси и эта глу- бина примерно равна глубине залегания p–n-перехода.
При проведении постимплантационного отжига повышается кон- центрация электроактивной примеси, что учитывается в расчетах ко- эффициентом использования примесных атомов k.
Данные расчеты носят оценочный характер, но их результаты яв- ляются отправными параметрами для экспериментальной отработки этих технологических процессов.
5
2.ЗАДАНИЕ
2.1.Определить режимы имплантации: энергии ионов (Е), дозы
имплантации (Q) и длительности процессов имплантации (t) для ионов бора и фосфора при формировании n+–p–p+-структуры на кремнии р-типа проводимости для солнечных элементов, для которой заданы следующие параметры:
–глубина залегания фронтального легированного слоя ( dn+ − p );
–глубина залегания тыльного легированного слоя ( d p− p+ );
–средняя концентрация фосфора во фронтальном легированном слое ( NсрР );
–средняя концентрация бора в тыльном легированном слое ( NсрВ );
–концентрация примеси бора в исходном материале ( NисхВ ).
Считать, что коэффициент использования примесных атомов по- сле отжига составляет: для бора kВ = 0,8; для фосфора kР = 0,98.
2.2. Пользуясь данными табл. 2.1, рассчитать профили распреде- ления имплантированных атомов.
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
Значения Rp и Rp в микрометрах для ионов бора и фосфора в кремнии |
|||||
|
|
|
|
|
|
Ион |
Пробеги и дисперсии пробегов |
|
Е, кэВ |
|
|
30 |
100 |
300 |
|||
|
|
||||
В+ |
Rp |
0,187 |
0,527 |
1,19 |
|
Rp |
0,045 |
0,087 |
0,122 |
||
|
|||||
Р+ |
Rp |
0,05 |
0,155 |
0,454 |
|
|
|
|
|
||
Rp |
0,012 |
0,038 |
0,075 |
||
|
|||||
Промежуточные значения Rp и |
Rp определяются линейной экст- |
раполяцией их зависимости от Е в соответствующих интервалах энергий. Значения Rp и Rp, выходящие за рамки указанных значе- ний, определяются также линейной экстраполяцией ближайшего участка их зависимости от Е.
6
Таблица 2.2
Варианты заданий
|
Параметр |
|
№ варианта |
|
||
|
I |
II |
|
III |
||
|
|
|
|
|||
dn+ − p , мкм |
0,1 |
0,15 |
|
0,2 |
||
d p− p+ , мкм |
0,7 |
0,8 |
|
0,9 |
||
NсрР , см–3 |
5 1019 |
1020 |
|
2 1020 |
||
NсрВ , см–3 |
5 1015 |
1016 |
|
5 1016 |
||
В |
см |
–3 |
1014 |
2 1014 |
|
5 1014 |
Nисх , |
|
|
|
|
|
7
3. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ
Для нахождения энергий и доз имплантации ионов бора и фосфо- ра сначала рассчитывают дозы легирования Q, см–2 исходя из задан- ных глубин залегания легированных слоев и средних концентраций бора и фосфора в этих областях. Расчет производят с учетом величин коэффициентов использования примеси при последующем отжиге по формулам
Q |
= N B |
d p− p+ |
; |
(3.1) |
|
|
|
||||
B |
ср |
kB |
|
|
|
Q |
= N P |
dn+ − p |
. |
(3.2) |
|
|
|||||
P |
ср |
kP |
|
|
Длительность процессов имплантации бора (tB) и фосфора (tP) оп- ределяют по формулам
tВ |
= |
|
QВ |
; |
(3.3) |
|
|
|
|||||
|
|
|
jВ |
|
||
tР |
= |
QР |
, |
(3.4) |
||
|
||||||
|
|
|
jР |
|
где j – плотность тока соответствующих ионов.
Принимают jВ = jР = 1 мкА см–2 = 6,2 1012 ион см–2 с–1 или 6,2 1012 см–2 с–1. Тогда, например, при дозе 1,24 1015 см–2 длительность процесса будет составлять:
t = |
1,24 1015 см−2 |
= 200 с. |
|
6,2 1012 см−2 с−1 |
|||
|
|
Таким образом, дозы и длительности процессов оказываются оп- ределенными.
Определение энергий ионов бора и фосфора производят с исполь- зованием формулы (1.1) и табл. 2.1. Сначала по данным табл. 2.1 вы- бирают такую энергию ионов бора, которая соответствует значению
Rp + 3 |
Rp d p− p+ , затем эта энергия уточняется подбором таким об- |
разом, |
чтобы при подстановке заданного значения d p− p+ вместо x |
8
получалось значение N(x) = NисхВ с точностью ± 20 %. После того,
как подобрана энергия, по формуле (1.1) строят профиль распределе- ния атомов бора.
Подбор энергии ионов фосфора производится аналогично.
Примечания
1.Построение профилей распределения бора и фосфора произво- дят с обозначением координат переходов.
2.Количество расчетных точек на каждом участке профиля долж- но быть не менее 20 с равномерной разбивкой по координате.
9