БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ.
ФАКУЛЬТЕТ: ИНЖИНЕРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ
КАФЕДРА: УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
ТЕМА: " СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ"
ВОСКАЕВ В.В.
2000
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление 2
Ядерные реакции, приводящие к образованию примесей в
полупроводниковом материале 3
Основы получения НТЛ-кремния и приборов на его базе 8
НЕЙТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Интенсивное развитие полупроводниковой техники в начале 70-х годов привело к необходимости создания полупроводниковых материалов со свойствами, которые нельзя было получить традиционными технологиями, такими как диффузия, легирование из расплава и др.
При переходе на интегральные схемы, мощные тиристоры-выпрямители традиционные методы уже не дают нужной однородности удельного сопротивления материала, создают генетические дефекты в кристалле, проявляющиеся при диффузии, и пр. Новые системы также требуют равномерно легированных кристаллов и пленок толщиной 1 - 20 мкм. Это стимулировало, в частности, развитие радиационных методов легирования полупроводников с помощью ядерных превращений , т.е. при облучении гамма-квантами, нейтронами или заряженными частицами. Первые два вида воздействия дают возможность легировать на большие глубины, а облучение заряженными частицами - получать однородное легирование по площади.
В последние годы широкое распространение получил метод трансмутационного легирования кремния, являющегося основным материалом в полупроводниковой электронике. Изотоп 30Si является исходной составляющей в ядерной реакции трансмутации и составляет около 3% всех изотопов кремния, а его атомы равномерно распределены в естественной смеси изотопов. При облучении кремния тепловыми нейтронами в результате ядерной реакции образуется фосфор, который является донорной примесью и ее свойства достаточно хорошо изучены. Количество образующейся легирующей примеси определяется дозой облучения в соответствии с выражением
Np=N * d * Ф , (1)
где N - концентрация атомов 30Si, d - сечение реакции, Ф - интегральная доза нейтронов.
Для того, чтобы получить легированный нейтронной трансмутацией (НТЛ) кремний с заданными свойствами, необходимо выполнение следующих требований:
1. Обеспечение высокой однородности потока тепловых нейтронов по объему кристалла.
2. Обеспечение необходимых условий облучения и последующего отжига. Нейтроны высокоэнергетичной части спектра вызывают образование множественных дефектов, и их концентрация может на несколько порядков превосходить концентрацию НТЛ-кремния.
3. Обеспечение высокой однородности удельного сопротивления НТЛ-кремния, что возможно лишь при превышении концентрации образующегося фосфора над концентрацией электрически активных примесей, содержащихся в исходном материале. Причем распределение врожденных дефектов (дислокации, атомы кислорода и др.) по объему кристалла весьма неравномерно.
4. Обеспечение радиационной безопасности при получении НТЛ-кремния.
Таким образом, получение НТЛ-кремния является достаточно сложной комплексной проблемой.
1. Ядерные реакции, приводящие к образованию примесей в полупроводниковом материале
Ядерные реакции, приводящие к образованию легирующих примесей, происходят при взаимодействии атомных ядер исходного материала с заряженными частицами, гамма-квантами и нейтронами. Это взаимодействие частицы а с ядром X, в результате которого образуется другая частица b и ядро Y, можно записать в виде
а+Х ® b+Y+Q или Х(а,b)Y , (2)
где Q - разница энергий между совокупностью энергий начальных и конечных продуктов реакции. При этом выполняются законы сохранения энергии, импульса, суммарного электрического заряда и массового числа взаимодействующих частиц. Из (2) следует, что ядро Y может бьпъ ядром одного из изотопов исходного элемента Х или ядром изотопа одного из соседних элементов. В случае образования нестабильного ядра происходит его превращение в стабильное по той же схеме. Вносимая частицей в ядро энергия быстро распределяется между всеми нуклонами или большинством из них, что приводит к
возбуждению составного ядра. Возбужденное составное ядро Ма+Мх
X* (М и Z соответственно массовое и зарядовое
Za +Zx числа частиц)
может высвободить избыточную энергию путем испускания частицы или гамма-квантов.
Возможность осуществления ядерной реакции определяется энергией реакции Q = Е2-E1, где индексs 1 и 2 относятся к начальному и конечному состояниям ядерной реакции. Если Q больше нуля, то реакция может идти при любой кинетической энергии облучающих частиц, а при Q меньше нуля величина кинетической энергии еk должна превышать пороговое значение
причем Еkmin превосходит |Q| на величину кинетической энергии составного ядра. Экзоэнергетическими (Q > 0) являются ядерные реакции на медленных нейтронах (с энергией менее 100 кэВ) и некоторые другие. И наоборот, многие реакции с заряженными частицами эндоэнергетичны
(Q < 0).
Ядерные реакции с заряженными частицами до настоящего времени не получили широкого применения для легирования полупроводниковых материалов. Это связано, в первую очередь, со следующим. Под действием таких частиц с энергией, превышающей кулоновский барьер ядра, могут протекать реакции типа (a, р), (a, n), (р, a), (р, g) и др.
Высота кулоновского барьера достигает 5-30 МэВ для разных ядер.
Сейчас имеется множество различных ускорителей заряженных частиц, позволяющих получать моноэнергетические пучки с энергией, превышающей высоту кулоновского барьера. Однако сечение процессов ионизации примерно в 103 раз превмшает сечение ядерного взаимодействия ( ~ 10-24 см2), а по мере прохождения в глубь вещества энергия частиц быстро уменьшается в процессе ионизации и возбуждения атомов. В то же время вероятность ядерного взаимодействия, как известно, зависит от энергии частицы.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
