Легирование полупроводников методом ядерных реакций - Смирнов Л.С.
Скачать (прямая ссылка):
*.4. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Традиционными технологическими методами все труднее-удовлетворять требования однородности и точности легирования. В связи с этим в последнее время все большее внимании уделяется ядерному, или трансмутационному, легированию полупроводников. Принципиальная возможность трансмутацшг
24 , ¦ . ¦ г ' -
ядер под действием у-излучения, нейтронов, протонов, дейтронов, а-частиц известна уже более полувека, но использование этого метода долго сдерживалось недостаточным знанием радиационных процессов и поведения примесных атомов. Первые эксперименты по ядерному легированию полупроводникового материала, проведены на германии. Затем последовала очередь кремния и бинарных соединений. Достаточно широко применяют этот метод для легирования кремния. При этом, как правило, используются реакции атомов кремния с нейтронами.
При взаимодействии нейтронов с изотопами кремния образуются возбужденные составные ядра. Для составного ядра существует несколько энергетически возможных путей распада, например: излучение у-квантов (реакция (п, у)), рассеяние нейтронов (п, и), испускание одной или нескольких частиц (реакции (п, 2га), (п, р), (п, а}). Эти процессы конкурируют между собой, и при определенных условиях осуществляется только одна возможность.
В кремнии под действием тепловых нейтронов проходит реакция (п, у), приводящая к образованию легирующей примеси — фосфора (этот вопрос подробно изложен в гл. 2). Реакции, сопровождающиеся испусканием частиц п, р, ¦ а (п — нейтрон, р — протон, а—а-частицы), являются эндотермическими ц проходят лишь под действием нейтронов, имеющих достаточно большую энергию (см. гл. 2).
Остановимся на некоторых побочных явлениях, наблюдаемых при трансмутационном легировании полупроводникового материала. Это прежде всего искусственная, или наведенная, радиоактивность. Следует различать активность поверхности и объема образца. Активность поверхности слагается из активности примесей, которые были на поверхности образца, и продуктов коррозии и распыления материалов реактора (при использовании нейтронов). Активность объема вызвана ядерными реакциями с существующими примесями и атомами матрицы. От поверхностной активности избавляются путем механической или химической очистки поверхности слитка. Объемная активность зависит от периода полураспада активных изотопов. Например, период полураспада изотопа кремния 3131 (превращение Б181 Р. Р31) равен 2,6 ч (р-распад), и активность спадает до безопасного уровня за несколько дней. В то же ^время изотопы германия имеют период полураспада 76 дней, и приходится много месяцев выжидать, когда радиоактивность спадет до безопасного уровня. Уже из этих примеров ясно, что при трансмутациоыном легировании следует избегать использования элементов с долгоживущими радиоактивными изотопами.
Ядерные реакции сопровождаются испусканием у-квантов, р-частиц (электроны, позитроны) и более тяжелых частиц, таких, как нейтроны, протоны, а-частицЬг и т. д. Обладая боль-
25
той энергией (порядка 106 эВ), эти частицы и кванты приводят к возникновению в объеме материала радиационных дефектов, Типы радиационных дефектов, возникающих под действием <р-квантов, электронов, протонов, рассмотрены в гл. 3.
При испускании у-квантов, как следует из законов сохранения энергии и импульса, ядро получает значительную энергию. Как показали расчеты [13], ядро атома кремния приобретает энергию в среднем 780 эВ, а максимальная энергия отдачи достигает 2010 эВ. Этой энергии с избытком достаточно для смещения атома из узла и смещений близлежащих атомов, г. е. для образования разупорядоченной области.
При ядерных реакциях, сопровождающихся испусканием частиц, происходит как бы внутреннее облучение кристалла этими частицами, причем возникают радиационные дефекты, аналогичные тем, которые образуются при ионном легировании.
При трансмутационном легировании материал помещают, как правило, в ядерный реактор, который имеет довольно широкий спектр нейтронов по энергиям (см. гл. 2 и 4). Быстрые нейтроны при рассеянии передают атомам матрицы энергию, достаточную для образования каскада смещений или разупорядоченной области (помимо возможности трансмутационных реакций), Аналогичные эффекты наблюдаются, если трансму-тациоппые реакции протекают под действием не нейтронов, а заряженных частиц.
Таким образом, при трансмутационном легировании радиационные дефекты образуются под влиянием у-излучения, электронов, протонов, а-частиц, ядер отдачи и в некоторых случаях осколков деления ядер, что приводит к накоплению спектра дефектов от простейших (типа комплексов вакансия + примесь, дивакансия) до разупорядоченных областей.
Наличие радиационных дефектов маскирует эффект легирования непосредственно после облучения в условиях, обеспечивающих трансмутацию ядер, поэтому необходимой технологической операцией является отжиг радиационных дефектов. Режим отжига (прежде всего температура и длительность) необходимо выбирать такой, чтобы устранить неблагоприятное влияние введенных дефектов. Имеющиеся в литературе данные показывают, что до сих пор не выбран оптимальный режим отжига (см. также гл. 4). Это обусловлено следующим. Само трансмутационное легирование — метод, не зависящий от температуры его проведения, и наиболее высокотемпературной операцией является отжиг радиационных дефектов. Нет четко определенного критерия отжига. Так, для достижения расчетной концентрации фосфора в кремнии достаточен отжиг в течение 0,5—2 ч при 800—850°С, т. е. в данных условиях отжигаются компенсирующие проводимость ассоциации. Однако другие методы исследования (нейтронография, электронная микроскопия) показывают, что в этом режиме нет полного от-
