Разработка технологии формирования p++, p, p+ областей активной структуры двухпролетных лавинопролетных диодов со ступенчатым профилем легирования

Шауцуков А.Г. fShAG07@yandex.ru), Хатукаев Х.М. Кабардино-Балкарский государственный университет

Введение

Известно, что двухпролетные лавинопролетные диоды (ЛПД) и особенно ЛПД со ступенчатым профилем легирования имеют существенные преимущества по сравнению с однопролетными. Преимуществом структуры двухпролетного ЛПД со ступенчатым профилем легирования является меньшая ширина области умножения. Это обуславливает меньший разброс носителей по энергиям, следствием чего является большой КПД, а, следовательно, и большая выходная мощность.

Активную структуру двухпролетных ЛПД со ступенчатым профилем легирования можно создавать используя метод многослойной эпитаксии и метод многократного ионного легирования. Однако серийное производство таких приборов сдерживается из-за значительных технологических трудностей. В настоящее время метод газовой эпитаксии позволяет формировать эпитаксиальные слои с точностью по толщине и концентрации, равной ±20%. Кроме того, этот метод дает широкие переходные слои (15.. .30% от толщины слоя). Большими возможностями при создании кремниевых эпитаксиальных структур для ЛПД обладает процесс молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Однако низкая производительность и дороговизна оборудования для МЛЭ сдерживает широкое применение МЛЭ в производстве ЛПД.

В данной работе рассматривается технологический маршрут, включающий: формирование n+, n слоев методом эпитаксиального наращивания; формирование p+-p пролетной области методом многократного ионного легирования; формирование приконтактного слоя p++ методом имплантации через пленки.

Моделирование процесса формирования p , p, p областей

Моделирование процесса формирования p+-p пролетных областей ЛПД со ступенчатым профилем легирования в данной работе проводится на основе алгоритмов моделирования пролетных областей ЛПД с плоским профилем легирования описанных в работах [1,2]. При этом, энергия бомбардирующих ионов для формирования p+ пролетного слоя выбирается равной энергии, для которой проективный пробег ионов равнялся бы координате 1/2 толщины p+

слоя. Определив ARp, соответствующий выбранной энергии, можно определить необходимую дозу внедрения по формуле D = NV2nARp, где N - концентрация р - примеси, равная сумме концентраций n - примеси в исходной подложке и требуемой концентрации р - примеси в р+ - слое. Энергию и дозу второго легирования необходимо выбрать таким образом, чтобы концентрация в максимуме профиля легирования была равна сумме концентраций n -примеси в подложке и необходимой концентрации р - примеси в р - пролетном слое, а в точке пересечения профилей первого и второго легирования концентрация должна быть равной 1/2 концентрации в максимуме второго

легирования.

Алгоритмы моделирования процесса формирования р++ - приконтакт-ной области ЛПД разрабатывались на основе методики расчета профилей распределения ионов, внедренных в подложку при бомбардировке структур пленка - подложка, описанной в работе [3].

Согласно этой методике профиль распределения бомбардирующих ионов определяется по формуле:

N(x) = § f (Ek)N(x, Ek )AEk ,

где f (E) - спектр энергии ионов на границе пленка - подложка, N (x, Ek) - симметричная функция распределения Гаусса, описывающая распределение в подложке ионов с энергией Ek.

Как известно, это распределение определяется двумя параметрами Rp и ARp. Расчеты этих параметров в теории ЛШШ достаточно сложны. Для инженерных расчетов целесообразно воспользоваться имеющимися таблицами параметров пространственного распределения ионно-имплантированной примеси.

На основании сказанного выше были разработаны алгоритмы моделирования процесса формирования заданного тонкого р++ - слоя активной структуры ЛПД. Алгоритмы предусматривают построение профилей распределения бомбардирующих ионов в подложке для ряда доз и энергий и сравнение каждого профиля легирования с заданным. Проводится сравнение концентрации внедренной примеси на поверхности и на глубине, равной толщине р++ - слоя. На этой глубине они должны быть равны исходной концентрации легирующей примеси в подложке.

Моделирование процесса фотонного отжига внедренной в р++, р, р+ слои примеси проводилось с учетом того, что, согласно данным ряда работ, максимальная активация имплантированной примеси и максимальный отжиг дефектов осуществляется при фотонном отжиге, обеспечивающем нагрев кремниевых пластин до температуры 1100°С. Поэтому алгоритмы моделирования этого процесса предусматривали: определение плотности потока мощности излучения галогенных ламп, обеспечивающих стационарную температуру пластины кремния 1100°С; расчет средней температуры пластины крем-

ния, соответствующей заданному режиму отжига [4]; моделирование степени перераспределения внедренных атомов отдачи в процессе фотонного отжига с учетом коэффициента радиационно-ускоренной диффузии, который моделировался согласно работы [5]. Для определения степени перераспределения внедренной примеси рассчитывается профиль ее распределения после отжига, и производится сравнение его с исходным.

По разработанным алгоритмам был проведен численный эксперимент по определению режимов формирования р++, р, р+ слоев активной структуры двухпролетных ЛПД четырехмиллиметрового диапазона. Исходными данными для проведения численного эксперимента были: конструктивные параметры р++, р, р+ слоев рассматриваемого ЛПД, представленные в таблице 1; плотность потока мощности излучения галогенных ламп; время отжига; тор, , dE dE

мозные коэффициенты - и - хрома и кремния для ионов бора и не-

dR dAR

которые другие физические константы, необходимые для расчетов.

Таблица 1. Конструктивные параметры р+, р, р++ слоев в двухпролетных ЛПД

четырехмиллиметрового диапазона.

Результаты численного эксперимента по моделированию процесса формирования пролетной области представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Таблица 2. Режимы многократного легирования р+ - р пролетной области двухпролетного ЛПД четырехмиллиметрового диапазона со ступенчатым профилем легирования.

На рисунке 1 представлены: 1 - профили распределения бомбардирующих ионов бора для каждого этапа многократного ионного легирования; 2 - суммарный профиль бомбардирующих ионов бора. Как видно из представленных данных, многократное легирование, согласно режимам, указанным в таблице 2, обеспечивает формирование р+ - р пролетных областей с заданными конструктивными параметрами.

Рис. 1. Результаты численного эксперимента по моделированию процесса формирования р+ - р активной области 4-х мм ЛПД со ступенчатым профилем легирования:

--профили распределения ионов бора для каждого этапа

легирования;

суммарный профиль распределения ионов бора

Рис. 2. Профили распределения бомбардирующих ионов бора после бомбардировки структуры Cr-Si ионами бора различной энергии: 1 - 55 кэВ; 2 - 60 кэВ; 3 - 65 кэВ.

На рисунке 2 представлены профили распределения бомбардирующих ионов бора в кремниевой подложке для различных энергий бомбардировки ионами бора структуры пленка хрома - кремниевая подложка, иллюстрирующие моделирование процесса формирования р++ слоя. Как видно из представленных данных, бомбардировка структуры Cr - Si ионами бора с энерги-

15 2

ей Е=65кэВ и дозой D=5-10 см- обеспечивает формирование необходимого р++ слоя.

Разработанная технология формирования р++, р, р+ слоев ЛПД была опробована путем изготовления и исследования опытных образцов.

Образцы изготавливались на исходной подложке КЭМ-0,003. На первом этапе путем эпитаксиального наращивания при температуре 950°С за счет разложения моносилана и легирования растущей структуры мышьяком на подложке формировалась структура n - n+ - n. Структура р++ - р - р+ формировалась по разработанной технологии. На основе полученных структур по традиционной меза технологии были изготовлены образцы ЛПД с интегральным теплоотводом. Параметры изготовленных ЛПД показали, что для приборов со ступенчатым профилем легирования КПД выше, в среднем, в 1,3 - 1,4 раза, а уровень выходной мощности выше на 10-15%, чем у двухпро-летных ЛПД с плоским профилем легирования.

1. Разработан технологический маршрут изготовления двухпролетных ЛПД со ступенчатым профилем легирования, который предполагает: формирования n, n+, n++ слоев на n++ подложке методом эпитаксиально-го наращивания; формирование р+ - р слоев методом многократного ионного внедрения; формирование р++ слоя методом имплантации через пленки; активацию внедренной примеси и отжиг радиационных дефектов путем фотонного отжига ионно-легированных слоев.

2. Проведен численный эксперимент и определены режимы проведения процесса имплантации через пленки для формирования р++ прикон-тактного слоя ЛПД

3. Проведен численный эксперимент и определены режимы многократного легирования для формирования р+ - р пролетной области ЛПД.

4. Показано, что для изготовленных по разработанной технологии образцов КПД, в среднем, в 1,3 - 1,4 раза выше, а уровень выходной мощности выше на 10 - 15%, чем у двухпролетных ЛПД с плоским профилем легирования.

Литература

1. Разработка технологии создания р++, р областей двухпролетных ЛПД методом ионного легирования. Шауцуков А.Г., Шухостанов А.К., -Электронная техника, сер.2, Полупроводниковые приборы, 1988. вып.1(51), с.57-60.

2. Автоматизированное проектирование режимов многократной ионной имплантации для создания р - областей двухпролетных ЛПД. Шауцу-ков А.Г., Дружинин А.В., Шухостанов А.К.-Электронная промышленность, 1990, вып.2, с26-27.

3. Расчет профилей распределения ионов в подложке при бомбардировке многослойных структур. Шауцуков А.Г., Бетуганов М.А. - Физика и химия обработки материалов, Москва АНСССР, 1978, №4, с. 151-153.

4. Моделирование нагрева пластин кремния в процессе фотонного отжига их ионно-легированных слоев. Шауцуков А.Г., Кузнецов Г.Д. Электронный журнал Исследовано в России . 2005 г.

5. Моделирование процессов радиационно-стимулированной диффузии в ионно-легированных слоях. Шауцуков А.Г., Загидулин Ю.С. Микросистемная техника, №4, 2004. с. 7-12.