5 Полупроводниковые слои
В технологии ИС полупроводниковые слои создаются, во-первых, легированием приповерхностной области подложки различными примесями и, во-вторых, эпитаксией полупроводникового материала на ее поверхности [2-4, 10, 11].
Легированием полупроводникового материала достигается изменение его электрофизических свойств – типа электропроводности, удельного сопротивления, времени жизни носителей заряда. Применяются два метода легирования – термическая диффузия примесей и ионное внедрение (ионная имплантация).
Эпитаксия8 - процесс ориентированного наращивания слоя вещества на монокристаллическую подложку. Наращивание производят из газовой фазы (парогазовой смеси) или жидкого раствора, а также методом конденсации молекулярных пучков в вакууме.
5.1 Диффузия примесей
5.1.1 Диффузия и растворимость
Диффузия атомов примеси в полупроводник обусловлена их хаотическим тепловым движением в направлении градиента концентрации9. В кристаллической решетке движение атомов осуществляется отдельными скачками из одного положения равновесия в другое. Определяющее значение имеют температура, длительность процесса и граничные условия, в частности, поверхностная концентрация примеси.
Для кремния основными легирующими примесями являются элементы III (акцепторы) и V (доноры) групп периодической системы, резко изменяющие проводимость полупроводника. Элементы I и VIII групп создают в запрещенной зоне кремния глубоко лежащие уровни захвата или рекомбинации и изменяют время жизни носителей заряда.
Атомы элементов III и V групп периодической системы диффундируют в кристаллах кремния, занимая места вакансий. Для примесей, имеющих малый ионный радиус, например, элементов I, VIII групп периодической системы, характерен междоузельный механизм диффузии. Атомы некоторых элементов в кремнии могут диффундировать одновременно и по междоузлиям, и по вакансиям. Механизм диффузии атомов примесей в соединениях А3В5 носит субрешеточный характер.
При диффузии из неограниченного (постоянного) источника поверхностная концентрация легирующей примеси определяется ее предельной растворимостью в полупроводнике.
Существует обратная корреляция межу растворимостью и скоростью диффузии примеси. Если примесные атомы устойчивы в вакантных местах, то предельная растворимость примеси велика, а скорость диффузии мала. Быстро диффундирующим примесям свойственна малая растворимость.
Примесные атомы в вакансиях образуют с полупроводником твердые растворы замещения, а атомы в междоузлиях – твердые растворы внедрения, что не изменяет природы полупроводника. Однако в ряде случаев диффузия атомов примеси может приводить к образованию новых химических соединений (в области диффузии). В частности, диффузией кислорода обусловлен процесс термического окисления кремния.
5.1.2 Коэффициент диффузии
Диффузионный поток атомов примеси, выравнивающий их концентрацию, определяется законом Фика. В одномерном приближении плотность потока
где N – концентрация атомов примеси; D - коэффициент диффузии.
Коэффициент диффузии зависит от энергии связи атомов примеси в решетке, плотности вакансий в кристалле, постоянной кристаллической решетки и др. параметров примеси и кристалла полупроводника. С повышением температуры коэффициент диффузии возрастает по экспоненциальному закону:
(5.1)
где D0 – константа диффузии (частотный множитель); W - энергия активации диффузионного процесса, т. е. энергия, необходимая для элементарного скачка атома примеси в кристалле.