mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-3-179-188mateltech-191Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ТЕРМОМИГРАЦИИFEATURES OF SILICON DOPING BY THE THERMOMIGRATION METHODЛозовскийВ. Н.LozovskyV. N.

Лозовский Владимир Николаевич — заслуженный деятель науки РСФСР,  доктор  физико−математических наук, профессор

Vladimir N. Lozovsky — Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor 

loz_v_n@mail.ruЛунинЛ. С.LuninL. S.

Лунин Леонид Сергеевич — заслуженный деятель науки РФ, доктор  физико−математических наук, заведующий  кафедрой нанотехнологии в электронике

lunin_ls@mail.ruСерединБ. М.SeredinB M.

Середин Борис Михайлович — кандидат технических  наук, доцент

Boris M. Seredin — Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor 

seredinboris@gmail.comЮжно−Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, НовочеркасскРоссияSouth−Russian state Polytechnic University, NovocherkasskRussian Federation201522102016183179188Copyright © Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Середин Б.М., 20162016Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Середин Б.М.Lozovsky V.N., Lunin L.S., Seredin B.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/191

Рассмотрены особенности легирования кристаллов электрически активными примесями методом термомиграции  (ТМ) двух− и трехкомпонентных жидких зон в сравнении с диффузионным легированием (на примере кремния).

Установлено, что концентрационный диапазон легирования миграцией двухкомпонентной зоны значительно уже диапазона легирования диффузией. Введение в жидкую фазу  третьего компонента позволяет расширить диапазон легирования термомиграцией до значений, превышающих диапазон  легирования той же примесью методом диффузии. Применительно к кристаллам кремния указанная технологическая особенность метода ТМ обеспечивается при использовании трехкомпонентных зон GaxAl1−xSi и SnxAl1−xSi.

Показано, что скорость легирования кристаллов методом ТМ в технологически значимых  ситуациях на порядки превышает скорость легирования диффузией. Слои, легированные термомиграцией стабильно движущихся жидких зон, структурно  более совершенны, чем диффузионные слои. Показано, что легирование методом ТМ может быть реализовано в технологии получения полупроводниковых приборных структур при условии, что их планарные размеры и толщины составляют десятки микрометров и более.

Characteristics of crystal doping with electrically active impurities by the thermomigration method for two− and three−component liquid zones in comparison with diffusion alloying (for the example of silicon) have been analyzed.

We have  found  that  the  concentration range of doping for the  two− component migration zone is much narrower than the range of diffusion doping. Introduction of a third component into the liquid phase allows extending the range of doping thermomigration to values  exceeding the diffusion doping range for the same impurity. For silicon crystals this technological advantage of thermomigration is achieved with the use of three zones, GaxAl1−xSi and SnxAl1−xSi.

We show  that  the  speed of crystal  doping by the  thermomigration method in technologically relevant situations is by orders of magnitude higher  than that of diffusion alloying. Thermomigration doped layers with steadily moving liquid zones have higher structural perfection than diffusion doped layers.

We show that the thermomigration alloying method can be used in the technology of semiconductor device  structures, provided that  their planar dimensions and thickness are tens  micrometers or more. Quantitative results obtained for the example of liquid zone migration in silicon, but the features of thermomigration as a doping method are true for other  semiconductor materials.

металлургический кремниймонокристаллический кремнийоловоочисткаперекристаллизацияsiliconthermomigrationdiffusiondopingsemiconductor device structurethe concentration of impuritiesReferencesКожитов, Л. В. Технология материалов микро − и наноэлектроники / Л. В. Кожитов, В. Г. Косушкин, В. В. Крапухин, Ю. Н. Пархоменко. − М. : МИСиС, 2007. − С. 544.Kozhitov L. V., Kosushkin V. G., Krapuhin V. V., Parhomenko Yu. N. Tehnologija materialov mikro− i nanojelektroniki [Materials technology of micro− and nanoelectronics]. Moscow: MISiS, 2007. 544 p. (In Russ.)Черняев, В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров / В. Н. Черняев. − М. : Радио и связь, 1987. − 464 с.Chernjaev V. N. Tehnologija proizvodstva integral’nyh mikroshem i mikroprocessorov [Technology of production of integrated circuits and microprocessors]. Moscow: Radio i svjaz’, 1987. 464 p. (In Russ.)Лозовский, В. Н. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, Л. С. Попов. − М. : Металлургия, 1987. − 232 с.LozovskiyV. N., Lunin L. S., Popov V. P. Zonnaja perekristallizacija gradientom temperatury poluprovodnikovyh materialov [Temperature −gradient zone recrystallization of semiconductor materials]. Moscow: Metallurgy, 1987. 232 p. (In Russ.)Лозовский, В. Н. Физические аспекты выбора ТМ в качестве метода локального легирования кристаллов / В. Н. Лозовский, Б. М. Середин // Фундаментальные исследования. − 2015. − Т. 3. − С. 111—118.Lunin L. S., Blagin A. V., Alfimova D. L., Popov A. I., Razumovskij P. I. Fizika gradientnoj jepitaksii poluprovodnikovyh geterostruktur [Physics gradient epitaxy of semiconductor heterostructures]. Rostov−na−Donu: Izd−vo SKNC VSh, 2008. 235 p. (In Russ.)Лунин, Л. С. Физика градиентной эпитаксии полупроводниковых гетероструктур / Л. С. Лунин, А. В. Благин, Д. Л. Алфимова, А. И. Попов, П. И. Разумовский. − Ростов−на−Дону : Изд−во СКНЦ ВШ, 2008. − 235 с.Barannik A. A., Blagina L. V., Draka O. E., Podshhipkov D. G. Fiziko− himicheskie osnovy poluchenija mnogokomponentnyh poluprovodnikov s zadannoj substrukturoj [Physico−chemical principles of the multicomponent semiconductors with a given substructure]. Rostov−na−Donu: Iz−vo SKNC VSh, 2009. 204 p. (In Russ.)Баранник, А. А. Физико−химические основы получения многокомпонентных полупроводников с заданной субструктурой / А. А. Баранник, Л. В. Благина, О. Е. Драка, Д. Г. Подщипков. − Ростов−на−Дону : Изд−во СКНЦ ВШ, 2009. − 204 с.Lozovskij V. N., Poluhin A. S., Molibog N. P., Evseev Ju. A. Ispol’zovanie zonnoj perekristallizacii gradientom temperatury v tehnologii poluprovodnikovyh priborov [Use of zone recrystallization temperature gradient in the technology of semiconductor devices]. Jelektrotehn. prom−st’. Ser. 05. Poluprovodnikovye silovye pribory i preobrazovateli na ih osnove: obzor. inform. 1987, vol. 6 (16), pp. 1—48. (In Russ.)Лозовский, В. Н. Использование зонной перекристаллизации градиентом температуры в технологии полупроводниковых приборов / В. Н. Лозовский, А. С. Полухин, Н. П. Молибог, Ю. А. Евсеев // Электротех. пром−ть. Сер. 05. Полупроводниковые силовые приборы и преобразователи на их основе: обзор. информ. − 1987. − Т. 6(16). − С. 1—48.Polukhin A. S., Baljuk A. V., Seredin L. M., Seredin B. M. Struktury s razdelennymi p+ −oblastjami dlja silovyh poluprovodnikovyh priborov na toki do 100 A [Patterns with separated p+ − regions for semiconductor power devices at currents up to 100 A]. Kristallizacija i svojstva kristallov. Mezhvuz. sb. nauch. tr. Platov South−Russian State Polytechnic University (NPI). Novocherkassk: Nabla, 2003. Pp. 120—124. (In Russ.)Полухин, А. С. Структуры с разделенными p+ −областями для силовых полупроводниковых приборов на токи до 100 А. Кристаллизация и свойства кристаллов: / А. С. Полухин, А. В. Балюк, Л. М. Середин, Б. М. Середин. − Новочеркасск : Набла, 2003. − С. 120—124.Polukhin A. S., Zueva T. K., Solodovnik A. I. The use of thermomigration in technology structures of power semiconductor devices. Silovaja elektronika. 2006, vol. 3(9), pp. 110—112. (In Russ.)Полухин, А. С. Использование термомиграции в технологии структур силовых полупроводниковых приборов / А. С. Полухин, Т. К. Зуева, А. И. Солодовник // Силовая электроника. − 2006. − Т. 3(9). − С. 110—112.Polukhin A. S. Thermomigration undirected linear zones in silicon wafers (100) to manufacture chips of power semiconductor devices. Komponenty i tekhnologii. 2008, vol. 11, pp. 97—100. (In Russ.)Полу хин, А . С. Термомиграция неориентированных линейных зон в кремниевых пластинах (100) для производства чипов силовых полупроводниковых приборов / А. С. Полухин // Компоненты и технологии. − 2008. − Т. 11. − С. 97—100.Poluhin A. S. Analysis of the technological factors of the thermomigration process. Silovaja elektronika. 2013, vol. 5, pp. 118—120. (In Russ.)Полухин, А. С. Анализ технологических факторов процесса термомиграции / А. С. Полухин // Силовая электроника. − 2013. − Т. 5(9). − С. 118—120.Benjam in Mor illon . Etude de la ther mom igration de l’aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d’isolation dans les composants de puissance bidirectionnels. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. INSA de Toulouse, 2002. 222 р. URL: https://tel.archives−ouvertes.fr/tel−00010945 (accessed 5 November 2014).Morillon, B. Etude de la thermomigration de l’aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d’isolation dans les composants de puissance bidirectionnels: These … Doct. Micro and nanotechnologies/Microelectronics / B. Morillon. − Toulouse: INSA de Toulouse, 2002. − 222 р. URL: https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00010945/ (дата обращения 05.11.2014).Malkovich R. Sh. Matematika diffuzii v poluprovodnikah [Mathematics of diffusion in semiconductors]. SPb: Nauka, 1999. 389 p. (In Russ.)Малкович, Р. Ш. Математика диффузии в полупроводниках / Р. Ш. Малкович. − СПб. : Наука, 1999. − 389 с.Lozovskiy V. N., Seredin B. M. The physical aspects of the choice of thermomigration as a method local doping of crystals. Fundamental’nye issledovanija. 2015, vol. 3, pp. 111—118. (In Russ.)Диаграммы состояний двойных металлических систем : Справочник в 3 т. / Под ред. Н. П. Лякишева. − М. : Машиностороение, 1996. − Т. 1.Diagrammy sostojanij dvojnyh metallicheskih sistem: Spravochnik [Statecharts binary metallic systems]. V 3 tomach. Pod red. N. P. Ljakisheva. Moscow: Mashinostoroenie, 1996. (In Russ.)Евсеев, Ю. А. Силовые полупроводниковые приборы / Ю. А. Евсеев, П. Г. Дерменжи. − М. : Энергоатомиздат, 1981. − 472 с.Evseev Ju. A., Dermenzhi P. G. Silovye poluprovodnikovye pribory [Power semiconductor devices]. Moscow: Jenergoatomizdat, 1981. 472 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.