WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 3 УДК 621.315.592 Диффузия легирующих примесей из полимерных диффузантов и применение этого метода в технологии полупроводниковых приборов Обз ор ©Е.Г. Гук, А.В. Каманин, Н.М. Шмидт, В.Б. Шуман, Т.А. Юрре Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 3 июня 1997 г. Принят к печати 6 июля 1998 г.) Рассмотрены особенности нетрадиционного метода диффузии из полимерных диффузантов различных примесей в кремний и полупроводниковые соединения AIIIBV. Приведены результаты использования этого метода в технологии полупроводниковых приборов на кремнии и гетероструктурах AlGaAs/GaAs и InGaAs(P)/InP.

1. Введение Диффузанты на основе ТЭОС [8–10] до сих пор успешно используются в кремниевой технологии и конкурируДиффузия — один из старейших методов, который ют как с диффузией в токе газа, так и с ионной имплантамногие десятилетия успешно используется в технологии цией благодаря простоте их применения и дешевизне. В получения полупроводниковых приборов, в том числе 80-х годах эти диффузанты стали широко использоваться и современных приборов, и продолжает развиваться и в технологии полупроводников AIIIBV [11–13].

совершенствоваться.

При использовании полимерных диффузантов процесс Один из способов диффузии — диффузия легиру- разбивается на две стадии: 1) формирование на поющих примесей из твердотельных пленочных диффу- верхности стеклообразной пленки диффузанта, получазантов [1–4]. Этот способ успешно конкурирует с емой сушкой на воздухе при температуре 200-300C широко распространенным методом диффузии в потоке из специальной эмульсии, и 2) диффузия легирующей газа-носителя прежде всего в силу того, что его реали- примеси из этой пленки в полупроводник. Основными зация не требует сложного оборудования для контроля недостатками ТЭОС являются низкая стабильность раси поддержания состава газовой фазы, предоставляет ши- твора, сильные механические напряжения, вызывающие рокий выбор диффузантов, возможность использования в некоторых случаях растрескивание пленки диффузанта, источников, содержащих несколько легирующих элемен- а также неизбежное присутствие SiO2 в составе пленки, тов, и получения низких поверхностных концентраций приводящее к сложной картине изменения профиля кон(1017-1018 см-3) в одностадийном процессе диффузии. центрации примеси и требующее удаления SiO2 после Особо следует отметить привлекательность этого ме- диффузии.

тода для технологии соединений AIIIBV, так как он Принципиально новым подходом к созданию пленочпозволяет проводить диффузионный процесс в открытой ных диффузантов, позволившим устранить отмеченные системе, не прибегая к специальным мерам по под- недостатки, была разработка полностью гомогенных подержанию постоянного давления летучей компоненты лимерных источников диффузии, включающих атомы леэлемента V группы для предотвращения термического гирующих элементов в состав их элементоорганических разложения материала. (ЭО) компонентов. Эта идея впервые была высказана Полимерные диффузанты — относительно новый тип сотрудниками Физико-технического института и Ленинтвердотельных пленочных источников, используемый в градского технологического института в работе [14].

кремниевой технологии менее 20 лет, а в технологии Позднее использование полимерной матрицы неодноAIIIBV — менее 10 лет. кратно предлагалось другими авторами [3,4,15]. Однако Впервые твердотельные пленочные источники были в этих публикациях полимер использовался лишь как использованы в кремниевой технологии в 60-е годы. связующее вещество: как твердый носитель, в котором Их получали из растворов солей либо кислот. Позднее с большей или меньшей степенью однородности и гобыли созданы пленкообразующие композиции, состоя- могенности распределено ЭО соединение либо окисел щие из раствора органического полимера (например, легирующего элемента.

целлюлозы) и диспергированных в нем твердых окислов, В действительности однородное распределение легилибо других соединений легирующего элемента [5]. С рующего элемента в полимерной пленке может обеспеконца 60-х годов разрабатываются кремнийорганические чить его химическая связь с полимером или его полная композиции на основе тетраэтоксисилана (ТЭОС) и растворимость в полимере. Химическая связь может химических соединений легирующего элемента [1,6,7]. появляться в результате процесса фотоструктурирова1 258 Е.Г. Гук, А.В. Каманин, Н.М. Шмидт, В.Б. Шуман, Т.А. Юрре ния либо уже присутствовать в случае использования После формирования слоя полимерного диффузанта соответствующего ЭО полимера. При этом достигается и на пластинах центрифугированием, в зависимости от тивозможность точной дозировки легирующей примеси как па используемого материала, проводится диффузионный за счет выбора ЭО соединения, так и за счет варьирова- процесс либо сразу после нанесения пленки, либо после ния его концентрации в композиции. Вместе с тем была предварительной термодеструкции в окисляющей атмопоказана возможность введения в состав полимерного сфере. При этом органические соединения разлагаются, а диффузанта практически любой легирующей примеси, а окислы легирующих элементов образуют на поверхности также нескольких легирующих элементов одновременно. пластины ровную и однородную пленку. После термодеПолученные уже в течение первых 6–7 лет интересные струкции проводится диффузия в интервале температур экспериментальные данные по исследованию компози- 850 1300C в течение необходимого времени в Si и ций полимерных диффузантов и применению их в полу- при 450 700Cв AIIIBV. Выбор оптимальной темперапроводниковой технологии кремниевых силовых прибо- туры и времени деструкции для различных соединений ров были обобщены в книге [2]. Однако высокий уровень проводился на основе комплексного изучения процесса уже достигнутых результатов обусловил интенсивное и подробно описан в обзоре [2].

продолжение исследований этих диффузантов как с це- Уже первые успешные эксперименты с полимернылью разработки новых приборов, так и для расширения ми диффузантами, включающими в свой состав B, P, области их применения в технологии приборов на основе Al и другие широко распространенные в кремниевой поликристаллического Si и соединений AIIIBV. Эти технологии легирующие примеси, показали, что разброс результаты и будут освещены в предлагаемом обзоре. значений поверхностной концентрации Ns на пластинах Цель обзора — познакомить читателей с возможностя- диаметром 60 мм составляет ±5% при низких и ±3% ми и особенностями этого типа твердотельных пленоч- при высоких значениях поверхностной концентрации примеси в диффузионном слое при любых режимах ных источников, а также с результатами, полученными в диффузии. Получена хорошая воспроизводимость этих последнее десятилетие по применению этих источников результатов от пластины к пластине и от партии к парв научных исследованиях и в технологии приборов на тии [2]. Показано, что при заданном режиме диффузии основе Si и соединений AIIIBV. Также будет показана перспективность использования полимерных диффузан- B, P, Sb и As значение поверхностной концентрации Ns определяется только количеством примеси, введенным в тов для формирования сверхмелких (менее 100 нм) состав полимерного диффузанта, приходящимся на едидиффузионных областей в Si и управления временем жизни неосновных носителей заряда (ННЗ). ницу поверхности пластины. Это обстоятельство выгодно отличает полимерные диффузанты от диффузантов на основе ТЭОС, для которых зависимость поверхностной 2. Диффузия легирующих примесей концентрации примеси от ее содержания в композиции из полимерных диффузантов нелинейна [1].

Диффузия основных легирующих примесей из полив Si и AIIIBV мерных диффузантов в Si подробно описана в обзоре [2], При работе над созданием композиций полимерных поэтому в настоящем обзоре для кремниевой технологии диффузантов авторы [14] остановили свой выбор на будут показаны возможности метода, выясненные в поазидосодержащих фоторезистах, как на наиболее пер- следнее десятилетие, а диффузия в AIIIBV будет описана спективной основе для химической модификации этих более подробно, так как этот метод разработан в ФТИ фоторезистов в полимерные источники диффузии. Их сравнительно недавно, в 1990 г., и в мировой практике основными компонентами являются светочувствитель- аналогов не имеет.

ный низкомолекулярный арилазид и способный к структурированию пленкообразующий полимер. Под действи2.1. Диффузия цинка в соединения AIIIBV ем ультрафиолетового облучения протекает фотолиз арилазида с образованием чрезвычайно реакционноспо- Как уже отмечалось, в технологии AIIIBV полимерные собных промежуточных продуктов — арилнитренов. Эти диффузанты привлекательны в первую очередь благодаря соединения вызывают поперечную сшивку полимерных возможности проведения диффузии в открытой системе цепей, приводящую к образованию фоторельефа с за- без специальных мер по поддержанию давления паров данными параметрами. Использование ЭО соединений летучей компоненты V группы. Поэтому при разработке в качестве светочувствительной либо полимерной со- диффузанта одним из основных требований, предъявляставляющей композиции позволяет формировать поли- емых к полимерной матрице, является защита с ее мерные слои, включающие атомы легирующего эле- помощью поверхности полупроводника от разложения.

мента непосредственно в состав трехмерной сетки, т. е. Механическое перенесение разработанных в кремниевой химически связанные и равномерно распределенные в технологии полимерных композиций далеко не всегда ней. Использование таких полимерных слоев в качестве эффективно, так как они созданы для окислительной источников диффузии позволяет точно и плавно регули- атмосферы и более высоких температур. Для различных ровать содержание в них легирующей примеси. соединений AIIIBV были использованы олеофильные поФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Диффузия легирующих примесей из полимерных диффузантов и применение этого метода... Эффективные коэффициенты диффузии Zn в соединенилимеры, содержащие Zn. Первые эксперименты были ях AIIIBV выполнены на InP [16,17] и показали, что полимерная матрица диффузанта образует на поверхности полупроТемпература Материал Deff, 10-12 см2/с водника слой, препятствующий разложению подложки, диффузии, C что позволяет проводить диффузию цинка до темпераInP 500 9.туры 650C в течение нескольких часов. Об отсутствии In0.8Ga0.2As0.39P0.61 500 9.заметного разложения поверхности после диффузии Zn In0.73Ga0.27As0.63P0.37 500 7.в n0-InP при температуре 500C свидетельствует проIn0.58Ga0.42As0.9P0.1 500 3.филь распределения фосфора в диффузионном слое InP In0.53Ga0.47As 500 2.(рис. 1, кривая 1), полученный методом вторично-ионной GaAs 650 0.масс-спектроскопии (ВИМС). Для GaAs и твердых расGa0.85Al0.15As 650 0.творов — InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, InAlAs и InGaP — Ga0.55Al0.45As 650 9.были получены аналогичные результаты. Профили расIn0.5Al0.5As 500 9.Примечание. Время диффузии — 30 мин.

Концентрация электронов до диффузии составляла 5·1016-1017 см-3.

пределения Zn (рис. 1 и 2) имеют вид, аналогичный получаемому традиционными методами.

Данные по эффективным коэффициентам диффузии для InP, InGaAsP, InGaAs, GaAs, InAlAs и AlGaAs приведены в таблице (до диффузии концентрация электронов в этих материалах составляла 5·1016-1017 см-3) [18,19].

Приведенные значения эффективных коэффициентов диффузии близки к значениям, полученным в этих материалах другими методами [20–22]. Хорошо просматривается тенденция заметного увеличения коэффициента диффузии с ростом содержания индия в индийсодержащих и алюминия в алюминийсодержащих соединениях.

Эта тенденция позволяет предположить, что процесс диффузии Zn контролируется коэффициентами самодиффузии индия, галлия и алюминия и происходит по механизму ”kick-out”. Количественные оценки затруднены, Рис. 1. ВИМС профили распределения фосфора (1) и цинтак как коэффициент самодиффузии индия определен ка (2) в InP.

неточно, а данные по его концентрационной и температурной зависимости отсутствуют.

Из приведенных в работе [23] данных следует, что зависимость глубины залегания p-n-перехода (xj) от времени диффузии (t) имеет такой же вид (x2 t), j как и при использовании традиционных методов диффузии [20,21]. Полимерная пленка может рассматриваться как неограниченный источник диффузии при времени процесса менее 2 ч и температурах ниже 650C.

2.1.1. Диффузия Zn в AlxGa1-xAs. Имеющиеся в литературе данные по диффузии Zn традиционными методами в структуры AlxGa1-xAs/GaAs достаточно противоречивы как по значениям коэффициента диффузии, так и по пределу растворимости Zn [22,24–29]. Противоречивость цитируемых результатов связана с рядом факторов:

– невоспроизводимость условий диффузии;

– неконтролируемое распределение собственных дефектов в приповерхностной области AlGaAs;

– неконтролируемый состав твердого раствора по Al в приповерхностной области, отличающийся от состава в Рис. 2. ВИМС профили распределения цинка в GaAs (1), InGaAs (2) и InGaAsP (3). объеме.

1 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 260 Е.Г. Гук, А.В. Каманин, Н.М. Шмидт, В.Б. Шуман, Т.А. Юрре 2.1.2. Диффузия Zn в InP. Известно, что в InP далеко не всегда удается достигнуть 100% активации Zn, введенного традиционными методами диффузии [31,32].

По данным некоторых авторов [33], концентрация дырок в легированном слое составляет лишь 10–20% от концентрации введенного Zn. В работе [19] было показано, что важным с точки зрения полной активации введенной примеси является выбор концентрации Zn (NZn) в приповерхностной области, не превышающей значения предела его растворимости (LZn) при температуре диффузии. При использовании полимерных диффузантов легко добиться оптимального значения NZn в растворе полимера. Наиболее удобны, как показано в [23], для получения легированных Zn диффузионных слоев InP полимерные пленки, содержащие не более 10% цинка в объеме. В этом случае, по данным ВИМС и комбинационного рассеяния света, концентрация дырок в дифРис. 3. Спектры комбинационного рассеяния света до (1) и фузионном слое соответствует концентрации введенного после (2) диффузии Zn в Al0.2Ga0.8As.

Zn. С этими данными хорошо соотносится значение энергии активации цинка Q = 0.53 эВ [23], полученное из температурной зависимости коэффициента диффузии Исследование диффузии Zn из полимерных диффуDeff. По теоретическим оценкам [34], для электрически зантов в слои AlxGa1-xAs (x = 0.05-0.54) [19] поактивного цинка, занимающего узлы кристаллической казало, что этот метод позволяет уменьшить влияние решетки, можно ожидать энергию активации 0.37 эВ, а перечисленных факторов на результаты диффузии. В радля нейтрального межузельного Zn — Q = 1.25 эВ.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.