Легирование − добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) его физических и химических свойств. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование. В разных отраслях применяются разные технологии легирования. При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости. Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип). Легирование может осуществляться как в процессе выращивания монокристалла, так и на последующих стадиях обработки.
В настоящее время легирование производят тремя основными технологическими способами: диффузией, лазерным легированием и ионной имплантацией
Термодиффузия, или термическая диффузия примесей (ТДП), является самым простым способом легирования полупроводников. Термодиффузия включает следующие этапы: осаждение легирующего материала, термообработка (отжиг) для внедрения примеси в легируемый материал, удаление легирующего материала.
Возможны три механизма осуществления диффузии легирующе-го элемента: обмен местами из одного равновесного состояния в другое; движение по вакансиям; движение по межузлиям.
Диффузионное введение примеси используется при создании структур с р-n-переходами. Профиль распределения концентрации примеси при диффузии определяется: температу-рой и временем проведения процесса, толщиной слоя, из которого осуществляется диффузия, концентрацией и формой нахождения примеси в источнике, а также её электрическим зарядом и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами. ТДП сопровождается генерацией значительного количества дефектов, в частности дислокаций. Методом диффузии трудно получить тонкие легированные слои и резкие р-n-переходы.
Лазерное легирование заключается в насыщении материала легирующими элементами посредством диффузии предварительно нанесенного слоя под воздействием лазерного пучка. При этом достигается высокая концентрация легирующих компонентов в поверхностных слоях материалов. Лазерное легирование позволяет осуществить локальный нагрев участка образца, а также относительно просто производить регулировку температуры. По способу подвода лазерного излучения различают две схемы: прямую и обратную. В прямой схеме лазерный луч попадает на легируемую поверхность, в обратной схеме подложку облучают с обратной стороны. При использовании обратной схемы энергия квантов излучения должна быть меньше, чем ширина запрещенной зоны полупроводника, иначе излучение будет поглощаться подложкой.
Недостатком данного способа является то, что легирование полупроводников осуществляют при больших интенсивностях лазерного излучения из-за необходимости локального нагрева поверхности полупроводника в области контакта с материалом примеси. Необходимость предварительного подогрева полупроводниковых подложек до 500÷600 °С и специфические процессы протекания диффузии примеси приводят к появлению механических напряжений, которые в ряде случаев достаточны для образования трещин на всю глубину легированного слоя.
Ионная имплантация – процесс внедрения примесей в подложку путем бомбардировки ее поверхности ионами примесей.
Идея использования ионного пучка для легирования полупроводников (в частности, Si) достаточно проста. Разогнанные электрическим полем, обладающие значительной энергией ионы элементов, используемых обычно для создания примесной проводимости, внедряясь в кристалл полупроводника, занимают в его решетке положение атомов замещения и создают соответствующий тип проводимости.
Ионное легирование по сравнению с методом диффузии имеет ряд преимуществ: позволяет в более широких пределах и с большей точностью варьировать величину поверхностной концентрации примесей; вести процесс при более низких температурах; допускает существенно больший выбор легирующих примесей; позволяет получать разнообразные по форме примесные распределения с чёткими границами областей легирования; обеспечивает большую чистоту внедряемых примесей и возможность локального легирования (либо узким ионным пучком, либо с помощью защитных масок).