20. Радиационное легирование

Легирование выращенных кристаллов может быть произведено методом диффузии примеси из внешней фазы, а также методом радиационного легирования. Диффузионное легирование является методом технологии приборов; для легирования объемных монокристаллов не используется ввиду того, что примесь проникает на малую глубину. Поэтому рассмотрим радиационное легирование.

Радиационное легирование кремния в промышленности используется с 1975 г. Метод используется для слабого легирования (до 10¹⁶ см^–3) кремния фосфором. Радиационно-легированный Si – основной материал для силовых приборов, так как в исходном материале для силовой электроники требуется высокая однородность распеределения примеси.

При облучении кристаллов полупроводников и диэлектриков ядерными частицами (нейтронами, протонами, г-квантами и др.) в результате протекания ядерных реакций может наблюдаться превращение частиц атомов основных компонентов вещества в атомы других химических элементов, ранее отсутствующих в материале (трансмутационное легирование). Это явление в настоящее время находит все более широкое применение для однородного легирования выращенных кристаллов. Наибольшее практическое применение для радиационного легирования получило использование тепловых нейтронов.

Облучение заряженными частицами больших энергий (б-частицами, протонами) дает однородное легирование в поверхностных слоях кристалла, так как они сильно тормозятся. Наиболее равномерное легирование больших объемов можно получить облучением незаряженными частицами (г-квантами, нейтронами). Потоки тепловых (медленных) нейронов образуются в ядерных реакторах. Исходным материалом являются высокочистые монокристаллы кремния, полученные методом бестигельной зонной плавки (БЗП), или пластины, нарезанные из них.

Концентрация легирующей примеси, введенной радиационным легированием при облучении тепловыми нейтронами, вычисляется по формуле

, (4.6)

где Ф – плотность потока тепловых нейтронов; σ – изотопное эффективное сечение ядерного превращения по данной ядерной реакции; С_осн.к – концентрация атомов основного компонента; а – концентрация изотопа основного компонента, испытывающего ядерное превращение; τ – время облучения.

Естественный кремний представляет собой смесь трех стабильных изотопов: (92,28 %), (4,67 %) и (3,05 %). При облучении кремния медленными нейтронами ядра этих изотопов, поглощая нейтроны и испуская г-кванты, превращаются соответственно в изотопы , и . Изотоп нестабилен и распадается с периодом полураспада 2,6 ч, превращаясь в стабильный изотоп фосфора . Концентрацию введенного таким образом фосфора рассчитывают по (4.6). При этом считается, что за время выдержки образца после облучения распадутся практически все ядра нестабильного изотопа .

Так как в (4,6) σ, С_осн.к и а – физические характеристики исходного материала, а плотность потока медленных нейтронов в каждой серии процессов легирования можно считать постоянной, то концентрация вводимого фосфора зависит только от времени облучения, которое можно контролировать с высокой степенью точности (порядка 1 % и лучше). Однородность распределения концентраций фосфора и соответственно удельного сопротивления по объему кристалла в первую очередь зависит от распределения концентрации остаточных после выращивания монокристаллов компенсирующих примесей в кремнии (бора). Следовательно, для получения кристаллов кремния, однородных по удельному сопротивлению, необходимо, чтобы концентрация вводимого фосфора была намного больше остаточной концентрации бора. Измерения микро- и макрораспределений удельного сопротивления вдоль оси и радиуса слитков показывают, что неоднородность удельного сопротивления по слитку при радиационном легировании не превышает ±3 %. Это значительно превышает степень однородности распределения удельного сопротивления по объему легированных монокристаллов кремния, выращенных из расплава.

Запишем ядерную реакцию, протекающую при легировании,

.

После облучения необходима дезактивация. Поверхностная дезактивация осуществляется механической и химической обработкой. Объемная – за счет выдержки монокристаллов в течение нескольких дней до безопасного уровня радиации. Все операции производятся без прямого контакта персонала с радиоактивными материалами, обязателен дозиметрический контроль.

В ядерном реакторе помимо медленных нейтронов присутствуют и быстрые нейтроны и г-излучение. Это является причиной возникновения радиационных дефектов. Для их устранения проводится отжиг при температуре 700 – 800 °С в течение 0,5 – 2 ч.

Условия, необходимые для получения полупроводниковых материалов с заданными свойствами радиационным легированием:

– нестабильные изотопы должны быть короткоживущими (для уменьшения времени процесса);

– диффузионная длина пробега нейтронов в материале должна быть много больше размеров кристалла;

– не должны образовываться другие примесные атомы, ухудшающие свойства;

– влияние примесей исходного материала должно быть мало по сравнению с эффектом легирования;

– радиоактивность должна быть мала, либо должна быстро снижаться до допустимого уровня.

Примеры ядерных реакций при облучении нейтронами других полупроводников:

для Ge

,

для InSb

,

для GaAs

.

Для других полупроводников кроме Si радиационное легирование широкого применения не нашло, так как при облучении Ge кроме короткоживущих изотопов образуются изотопы с периодом полураспада 76 суток (требуется выдержка в несколько месяцев для снижения радиоактивности), в полупроводниковых соединениях из-за большого коэффициента поглощения материалов легированная область составляет доли миллиметров.

Перспективно для получения p-Si легирование галлием. Для этого в исходный кремний требуется ввести некоторое количество Ge, который будет претерпевать реакцию

.

При этом количество атомов Ga должно быть больше, чем количество атомов Р, образованного из при облучении нейтронами.