II. Диффузионное легирование введение

В технологии изготовления СБИС диффузия занимает очень важное место.

Идея использования диффузионных методов легирования для изменения типа проводимости кремния или германия была впер­вые предложена Пфанном в 1952г. С тех пор было опробо­вано немало разнообразных способов введения легирующих при­месей в кремний путем диффузии. Назначением этих способов является:

1. управление концентрацией легирующей примеси;

2. по­вышение однородности легирования и воспроизводимости про­цесса;

3. увеличение числа подложек, подвергаемых одно­временной групповой обработке, что приводит к снижению себестоимости процесса.

Процессы диффузии используются для:

1. формирования базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии изготовления полупроводниковых прибо­ров;

2. для создания областей истока и стока в МОП-технологии и для легирования поликремния.

С помощью диффузии возможно:

- получение высококачественных p – n переходов;

- осуществление контроля и управления поверхностной концентрацией примеси и распределения примеси в глубину кристалла;

- локальное введение примеси в подложку при маскировании поверхности кремния слоем двуокиси кремния.

Широкому внедрению диффузионных процессов способствовали следующие преимущества метода:

- возможность групповой обработки большого количества пластин;

- универсальность метода, т. е. большинство различных диффузионных процессов проводится с использование однотипных технологических операции на однотипном оборудовании;

- возможность автоматизации процесса.

Атомы легирующих элементов могут быть введены в кремниевые подложки в очень широком диапазоне концентра­ций. Для этой цели используются в основном следующие три метода:

I. высокотемпературная диф­фузии из химического источника, находящегося в парообразной форме;

2. диффузии из легированных окислов;

3. диффузии из ионно-имплантированных слоев и последующего отжига. Отжиг ионно-имплантированных слоев проводится для активи­рования имплантированных атомов и уменьшения дефектов кри­сталлической структуры, образующихся при ионной имплантации. Процесс высокотемпературного отжига сопровождается диффу­зией. Так как ионная имплантация обеспечивает более точный контроль общей дозы легирующей примеси в диапазоне 10^1! — 10¹⁶ см ^-2, то там, где это возможно, ею заменяют процессы леги­рования из химических источников и легированных окислов.

Быстрому промышленному становлению технологии диффузионного легирования способствовало успешное сочетание научных и экспериментальных достижений в этой области.

2.1. Физические основы процесса

Математическое моделирование процессов диффузионного легирования развивалось на базе двух основных подходов:

- теории сплошных сред с ис­пользованием уравнений диффузии Фика;

- атомистической теории, основанная на взаимодействии между точечными дефектами (вакансиями и межузельными атомами) и примесными атомами.

При низких значениях концентрации примеси, при которых коэффициенты диффузии не зависят от концентрации примеси, решения урав­нения диффузии Фика достаточно хорошо подтверждаются экспериментальными результатами.

При высоких значениях концентрации примеси форма диффузионных профилей отклоняется от модельных представлений. Введение в уравнения диффузии концентрационную зависимость коэффициента диффузии , например, аналитическое выражение Больцмана — Матано, приводит к адекватным результатам.

Для объяснения экспериментальных результатов зависимо­сти коэффициентов диффузии от концентрации и для анализа других аномальных результатов процесса диффузии были пред­ложены различные атомные модели, основанные на взаимодействии дефектов с примесными атомами.

Итак, при низкой концентрации приме­си и низкой плотности дислокаций процесс диффузии может быть описан феноменологической теорией диффузии с исполь­зованием закона диффузии Фика с постоянным значением ко­эффициента диффузии. Математические выражения, отражаю­щие процесс диффузии, получают путем решения уравнения диффузии Фика. При этом коэффициенты диффузии различных элементов определяют для разных температур. В случае высо­кой концентрации примеси концентрационная зависимость ко­эффициентов диффузии связана с предполагаемым механизмом или механизмами диффузионных процессов на атомном уровне.