Оптимизация характеристик полупроводников методом радиационной технологии

В технологический процесс изготовления полупроводниковых приборов Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций облучения высокоэнергетичными электронами и термического отжига ...

2.Виды излучения
3.Радиационные эффекты
4.Термический отжиг

Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций облучения высокоэнергетичными электронами и термического отжига, в последние годы находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров.

Энергия протонного или альфа-излучения выбирается, исходя из глубины слоя, в который требуется ввести радиационные дефекты. Например, пробег протонов в кремнии составляет около 1,2 мкм на каждые 100 кэВ (при Еp 1 МэВ). Локальное облучение протонами применяется также для создания с помощью радиационных дефектов полуизолирующих областей, где снижена концентрация основных носителей. Облучение быстрыми электронами (Ее=4 МэВ) уменьшает накопленный заряд Q неравновесных носителей в базе р-n-структуры на основе кремния с удельным сопротивлением 0,5 Ом·см (рис. 4). В результате облучения диодных структур дозой 5·1015 эл/см2 произошло снижение накопленного заряда более чем на порядок и, таким образом, увеличение быстродействия при неизменности статических параметров. Увеличение прямого падения напряжения (cтатический параметр) на диоде начинает происходить при большей дозе (6·1015 эл/см2). Поэтому оптимальную дозу и режим облучения подбирают таким образом, чтобы достигалось максимальное увеличение быстродействия, но статические параметры заметно не ухудшились.3.Радиационные эффекты3.1.Ионизационные эффекты. Движение заряженных частиц большой энергии в веществе сопровождается ее потерей, затрачиваемой почти полностью на возбуждение связанных электронов. Энергия свободного электрона может быть любой, если он оказывается вне атома, или приобретает дискретные значения, если он не отрывается от атома, а лишь переходит в возбужденное состояние. В твердых телах, например в полупроводниках и диэлектриках, по аналогии с газами имеет место внутренняя ионизация, которая соответствует переходу валентных электронов в зону проводимости. Средняя энергия ионизации при облучении электронами составляет в кремнии 3,6эВ, в арсениде галлия 7,2эВ, в германии 2,86эВВ кристалле полупроводника или диэлектрика в результате воздействия радиации образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы (дырки). Таким образом, возникают избыточные электронно-дырочные пары, которых ранее в материале не было. Концентрацию таких неравновесных пар можно подсчитать по формуле [16]: n=р=υсτ/е, (7) где е — заряд электрона, υ — мощность дозы радиации; с — коэффициент преобразования, зависящий от вида радиации и ее энергетического спектра, τ— время жизни неравновесных носителей заряда.. В твердых телах, например в полупроводниках и диэлектриках, по аналогии с газами имеет место внутренняя ионизация, которая соответствует переходу валентных электронов в зону проводимости. Средняя энергия ионизации при облучении электронами составляет в кремнии 3,6эВ, в арсениде галлия 7,2эВ, в германии 2,86эВВ результате ионизации под воздействием излучения, концентрация неосновных носителей в полупроводниковом материале может возрасти на несколько порядков. (В и более раз). В реальных биполярных полупроводниковых приборах и ИМС ионизирующее излучение с мощностью дозы около , может вызвать ионизационные токи в несколько ампер. Появление этих токов в приборах приводит к перераспределению потенциалов, перегреву и тепловому пробою обратно смещенных переходов.Первичные точечные дефекты, комплексы и локальные разупорядочения приводят к расширению кристаллической решетки и возникновению механических напряжений. Рассмотренные дефекты оказывают существенное влияние на электрофизические характеристики исходного полупроводникового материала, такие как время жизни неосновных носителей заряда , удельное сопротивление , концентрацию неосновных носителей заряда , подвижность Эффекты ионизации, с точки зрения использования в технологии, могут играть существенную роль в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. Под воздействием излучения в диэлектрике накапливается заряд и там может сохраняться сколь угодно долго или нейтрализовать уже имеющийся в нем заряд другого знака. Этот эффект можно использовать для регулирования параметров приборов на МДП-структурах3.2.Эффекты смещений и радиационное дефектообразованиеПомимо эффектов ионизации в твердых телах под воздействием высокоэнергетических частиц возникают радиационные дефекты, под которыми понимаются более или менее устойчивые нарушения структуры, возникающие в кристаллах. Теория образования дефектов в твердом теле при воздействии частиц высокой энергии основывается на предположении о наличии двух процессов. Первый процесс заключается в том, что воздействующая частица, передавая атому твердого тела энергию, выбивает его из узла кристаллической решетки. При этом образуется относительно устойчивый точечный дефект: вакансия – междоузельный атом (пара Френкеля). Вторичный процесс представляет собой взаимодействие выбитого из узла кристаллической решетки атома с соседними атомами. Он может развиваться при наличии у выбитого атома достаточной энергии для выбивания из узла решетки вторичного атома. Этот процесс может перейти в каскад соударений, сопровождающийся образованием в кристаллической решетке разупорядоченных областей – кластеров. Области повреждений могут достигать размеров порядка .(например, для кремния n-типа проводимости, легированного фосфором и наиболее характерны такие радиационные дефекты как вакансия + атом фосфора (Е-центр), вакансия + атом кислорода (А-центр), дивакансия (соединение двух вакансий) и другие)Сложность вычисления числа смещенных атомов при упругом рассеянии электронов на ядрах объясняется тем, что пробег электрона в веществе определяется в основном ионизационными потерями. В связи с этим необходим учет зависимости сечения смещения от энергии смещения (это энергия, необходимая для смещения атома в междоузелье).В одном из приближений (нерелятивистском) поперечное сечение смещения атома с массой и зарядом при бомбардировке частицами с массой и зарядом равно , (14.1) где - энергия падающей частицы, - радиус Бора , - постоянная Ридберга .На основании известного из (14.1) поперечного сечения смещения можно определить число первичных атомов, смещенных в единице объема , (14.2)где - интенсивность падающего излучения, - время, - число атомов в единице объема. В тех случаях, когда первичному атому передается энергия, большая , он сам, как говорилось выше, может участвовать в последующих смещениях атомов. В результате на каждый первично смещенный атом приходится в среднем некоторое число атомов, смещенных в течение каскадного процесса, инициированного первичным атомом. В настоящее время определено большое количество различных типов радиационных дефектов в зависимости от примесного состава полупроводника, вида радиационного воздействия, которые характеризуются различной энергией в запрещенной зоне, термической стабильностью и способностью влияния на электрические и оптические свойства полупроводника и полупроводниковых приборов . Радиационные дефекты проявляют себя в полупроводниках как центры рекомбинации, изменяя время жизни неосновных носителей заряда, как центры захвата, снижая концентрацию основных носителей, и как центры рассеяния, уменьшая подвижность. Таким образом, введением определенных строго дозируемых концентраций термостабильных радиационных дефектов в полупроводники и полупроводниковые приборные структуры можно регулировать их свойства и характеристики порой с точностью, недостижимой при использовании диффузии химических примесей. Это положено в основу разрабатываемых радиационных технологий для конкретных типов полупроводниковых приборов. 4.Термический отжиг Готовые приборы после радиационно-технологической обработки подвергаются стабилизирующему термическому отжигу , во время которого устраняются нетермостабильные радиационные дефекты. Облучение может вестись при повышенных температурах («горячее» облучение), тогда нет необходимости в стабилизирующем термическом отжиге после облучения. Отжиг необходим для кристаллизации аморфных слоев, перевода внедренных атомов в положения замещения с целью проявления их электрической активности и снижения влияния дефектообразования. Эту операцию можно выполнять как непосредственно в процессе легирования, т. е. в самой приемной камере, так и на отдельных термических установках. В зависимости от температуры отжига в материалах происходит изменение концентраций носителей заряда. На рис. 6.10 приведена зависимость поверхностной концентрации Ь носителей заряда для случая легирования Si ионами Gа и In. Уже начиная с температуры отжига 300 °C подложка меняет первоначальную электропроводность n-типа на электропроводность р-типа. Для ионов Gа наблюдается большее изменение концентрации, чем для ионов In, вследствие ускоренной диффузии Gа. Разупорядочение решетки ликвидируется термическим отжигом для германия уже при температуре 400, а для кремния — 600 °С. Восстановление правильной структуры решетки начинается от ненарушенных областей и в результате эпитаксии распространяется до поверхности. Доза влияет на количество атомов замещения при выбранной температуре отжига. Так, при дозе легирования более 1018 ион/см2процент атомов замещения снижается. Например, для Sb+ с 80 до 30 % при возрастании дозы до 5·1016 ион/см2. Увеличение температуры отжига до 900— 1000°С позволяет отжечь подавляющее большинство дефектов решетки и довести долю замещающей примеси почти до 100%, хотя даже и при таких температурах еще остаются дефекты, обусловленные неполной их миграцией к стокам. Термический отжиг сложных полупроводниковых материалов имеет свои особенности. Так, вследствие повышенной испаряемости Аs из GаАs термические операции выполняют, защищая пластину GаАs герметизирующими пленками SiO2 или SiN3. Эти герметизирующие пленки в зависимости от их состава и способа нанесения оказывают влияние на изменение электрических свойств полупроводникового материала. В GаАs, легированном Сd+, при температуре 800°С отмечается значительный рост концентрации носителей заряда: при температурах отжига 900 °С примерно половина внедренных .ионов проявляет электрическую активность. Холловская подвижность увеличивается с единиц при 500°С до-100 см2/ /(В·с) при 900°С и далее не возрастает. Это доказывает, что в легированном слое отжиг завершен. С целью исключения потерь Аs из GаАs отжиг можно проводить в засыпке из мелкодисперсного графита в потоке водорода. В потоке водорода, проходящем над расплавом GаАs и перегреваемом на 20—40 °С по сравнению с температурой отжига, можно поддерживать избыточное давление паров Аз, что также препятствует уходу Аз с поверхности отжигаемых в реакторе пластин. Радиационный отжиг легированных материалов. Для всех легированных полупроводниковых материалов более производительным по сравнению с отжигом в печи является отжиг с использованием излучения лазера, импульсных электронных и радиационного светового потоков. При лазерном импульсном отжиге рекристаллизация наблюдается за короткое время импульса (20—50 не). При этом возникает тонкий расплавленный слой, а в кристалле — высокий уровень ионизации. Вследствие эпитаксиального роста аморфный слой превращается в бездефектный монокристаллический. Различные материалы можно характеризовать' пороговыми энергиями лазерного отжига. Для германия она соответствует 0,7, для кремния—1,75,'для арсенида галлия—1 Дж-см-2. При энергиях 1,5—3 Дж-см-2 толщина рекристаллизовавшейся пленки колеблется от 0,05 до 0,9 мкм*. Воздействие импульсного электронного потока на легированное твердое тело приводит также к расплавлению приповерхностного слоя. Атомы в расплаве обладают повышенной подвижностью, поэтому фронт кристаллизации распространяется со значительной скоростью (порядка 100 см-с-1). В рекристаллизованном в результате эпитаксии слое меньше дефектов, чем после традиционного термического отжига. Отжиг с электронным воздействием проводят в вакуумной камере, обычно при наклонном падении электронов. Достаточной тепловой дозой для кремния считается 0,2±0,01 кал/см2, что обеспечивается следующими параметрами 'процесса: средняя энергия электронов 12 кэВ (ускоряющее напряжение от 1 до 30 кВ), ток в импульсе 1—10 кА при диаметре пучка 50—75 мм, длительность импульса тока 50— 100 нc. Наиболее простым по технологическому решению является отжиг некогерентным излучением импульсных ламп-вспышек. Эффективность такого радиационного отжига зависит от типа электропроводности и процессов генерации свободных электронов. Освещая последовательно участки легированной пластины при ее перемещении потоками света от ламп, устанавливаемых с отражателями со стороны легированной области, удается осуществить высокопроизводительный отжиг. Для легирования на большие глубины монокристаллическнх мишеней можно использовать эффект каналирования. Результат процесса зависит от многих факторов: расходимости ионного пучка, точности его ориентирования по отношению к осям каналов мишени, дозы ионов, температуры мишени. В ходе самого процесса эти факторы часто трудно контролировать, поэтому экспериментальное изучение концентрационных профилей и корректировка условий имплантации по результатам изучения профилей являются необходимым условием отработки процесса и воспроизводимости его результатов.5. Увеличение быстродействия полупроводниковых приборов. Большинство полупроводниковых приборов в настоящее время изготавливается на основе кремния. Полученные по обычной диффузионной технологии или с помощью ионной имплантации биполярные кремниевые полупроводниковые приборы обладают значительной инерционностью. Это снижает их быстродействие и не позволяет применять в быстродействующей аппаратуре. Во время эксплуатации таких приборов также велики энергопотери при их коммутации.