Метод селективного легирования кремниевых эпитаксиальных структур сегрегирующими примесями

Сегрегация основных донорных примесей (As, Sb и P) в кремнии значительно осложняет получение необходимых для многих приборных приложений селективно легированных областей толщинами от единиц (т. н. δ-легированных слоев) до нескольких сотен нанометров. В работе предложен оригинальный метод селективного легирования кремниевых структур в процессе их молекулярно-пучковой эпитаксии. Метод основан на контролируемом использовании сегрегации примеси, а именно резкой температурной зависимости коэффициента сегрегации примеси при переходе от режима равновесной сегрегации к режиму кинетически ограниченной сегрегации.

Предлагаемый метод экспериментально реализован на примере сурьмы (Sb), наиболее часто используемой донорной примеси в процессе в МПЭ кремниевых структур. Согласно литературным данным и проведенным экспериментальным исследованиям коэффициент сегрегации Sb в кремнии в интервале температур роста 300С-550С меняется почти на пять порядков величины (от < 10², до 3-5*10⁶). В развиваемом методе селективного легирования кремния для создания сильно легированных областей используются температуры роста 300-370ºС с предварительным осаждением на поверхность атомов Sb в количестве, необходимом, с учетом коэффициента ее сегрегации, для создания заданной объемной концентрации примеси. Такое предосаждение позволяет получить резкий профиль нарастания концентрации примеси. Для поддержания постоянной объемной концентрации примеси при росте легированных слоев на поверхность совместно с Si подается поток Sb, необходимый для сохранения постоянной концентрации атомов примеси на поверхности роста. Для создания резкой границы между слоями с высокой и низкой объемными концентрациями примеси используется остановка роста с повышением температуры до 500-550ºС. Несмотря на высокую концентрацию атомов примеси на поверхности роста, оставшихся после формирования легированного слоя, из-за очень большого значения коэффициента сегрегации Sb ее объемная концентрация в Si слоях, формируемых в данном диапазоне температур роста, мала. При формировании Si: Sb структур, содержащих несколько слоев с различным уровнем легирования, описанные выше шаги повторяются необходимое число раз.

Рис. 1. Профиль концентрации Sb в структуре с δ-легированными Si: Sb слоями, полученный с помощью ВИМС.

Экспериментально продемонстрировано, что предлагаемый метод легирования позволяет в диапазоне концентраций 10¹⁶ см^-3 - 10²⁰ см^-3 получать в кремнии легированные слои с резким распределением Sb, изменение на порядок концентрации примеси в которых происходит на масштабах в единицы нанометров (рис. 1). Параметры (размер легированной области, градиент концентрации примеси) дельта-легированных Si: Sb слоев, сформированных с использованием развитого метода, соответствуют лучшим значениям, приведенным в литературе. Показано, что формирование легированных областей с помощью предложенной методики не приводит к ухудшению структурных и электрических свойств структур. Предложенный метод селективного легирования кремния донорными примесями использован для роста Si: Sb структур с тонкими, приповерхностными, сильнолегированными слоями с целью создания на их основе диодов Шоттки с пониженной эффективной высотой барьера для приемников миллиметрового диапазона длин волн.