Тема 11 термическая диффузия примесей

Это процесс введения в полупроводниковые пластины и в эпитаксиальные слои легирующих примесей.

Диффузия – это перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Она обусловлена тепловым движением. Целью диффузии обычно является образование области с противоположным к исходному материалу типом проводимости. Вновь образованная область оказывается ограниченной p-n переходом.

Переход образуется на границе , где концентрации вводимой примеси становится равной концентрации примеси в исходном материале. Размеры диффузионного области по горизонтали, (т.е. в плане) определяются размерами окна в слое в SiO₂. Скорость диффузии в SiO₂ на несколько порядков меньше, чем в Si, поэтому двуокись кремния выполняет здесь роль маски. Так как диффузия идет во всех направленияx, а не только в глубину пластины, боковые стенки p-n перехода всегда расположены под слоем окисла и размеры диффузионной области больше чем размеры окон. Однако задачу диффузии мы рассматриваем как одномерную задачу: в направлении х. Учитывая, что в реальных ИМС диффузионные области имеют малую толщину по сравнению с размерами в плане, то такое решение правомерно. Смещения p-n перехода за счет боковой диффузии принимают равными глубине диффузионной области и учитывают при проектировании фотошаблона.

При количество вакансий увеличивается и достигает (1 вакансия на 50 узлов). Движение атомов может происходить путем последовательного перемещения атомов примесей по вакансиям, междоузлиям или путем обмена местами между соседними атомами Si. Движение атомов происходит в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки. Акт перемещения совершается, если атом примеси обладает достаточной энергией, которая называется энергией активации Е_а. Наиболее вероятным является вакансионный механизм, так как для него необходима минимальная Е_а =1,4 – 4,3эВ.

Чтобы управлять процессам диффузии нужно заранее рассчитать режимы процесса диффузии. Чтобы рассчитать режим диффузии надо знать закон распределение примеси по глубине. Это распределение может быть описано законами Фика.

Концентрация атомов примеси – это количество атомов примеси в единице объема.

Плотность потока – количество атомов, проходящих в единицу времени через единицу площади.

Плотность потока пропорционально концентрации атомов в направлении ее уменьшения.

- первое уравнение Фика (1)

где D – коэффициент диффузии.

Он частично равен количеству атомов, проходящих через площадку за время = 1 с. При градиенте концентрации равном .

- уравнение Аррениуса

- коэффициент, зависящий от природы и полупроводника и кристаллографического направления полупроводника.

Для Si < 111 >

Изменение концентрации атомов в элементарном объеме за время равно изменению потока атома на интервале

(2)

Это уравнение выражает динамику процесса диффузии. Если решить эти уравнения при определенных граничных условиях то получим, что концентрация атомов примеси будет некоторой функцией времени и координат:

На практике наибольшее значение имеют два практических этапа.

Первый этап диффузии: загонка при x=0 и N₀ =const, т.е. на поверхности пластины имеется неограниченный (постоянный) источник примеси

Цель: введение в кристалл определенное число атомов примеси. Количественно это число оценивается дозой легирования Q.

Q – это количество атомов примеси введенное в кристалл за время τ через единицу площади поверхности. Оно определяется с помощью уравнения (1).

На поверхности имеется постоянный источник примеси. Решение уравнения (2) в этом случае является функция , где

При V=0 до 5 это функция табулирована и меняется в пределах:

С помощью уравнения (1) можно найти дозу легирования:

(3)

где – Температурный фактор

Чтобы снизить обычно выбирают max возможным.

Второй этап диффузии: разгонка.

Поступление примеси из окружающего пространства нет. Концентрация примеси постепенно убывает до некоторого значения, равного исходной концентрации примеси в исходном слое.

Q=const. N₀ – убывает. При этом решением уравнения (2) является функция по форме представляющая собой Гауссово распределение:

(4)

Особенности технологии диффузии и оборудование

Практически при диффузии использовать в качестве примеси чистые легирующие элементы трудно. Например, бор – это тугоплавкое вещество и давление паров бора мало. Фосфор при нагреве легко воспламеняется. Поэтому в качестве источников примеси применяют различные соединения легирующего элемента. Наиболее технологичными являются гидриды. Это газы В₂Н₆, РН₃ и другие.

В этом случае источником примеси является баллон со сжатым газом. Возможность управлять подачей газа обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов. Недостаток – высокая токсичность.

Галогениды это жидкие диффузанты, например, BBr_3, PBr_3.

Они обладают высокой упругостью пара при сравнительно невысоких t° диффузии. При применения жидких диффузонтах применяются обычное однозонные печи. В качестве газf-носителя используют аргон и другие инертные газы, которое не взаимодействуют с Si.

Окислы - твердые диффузанты - В₂О₃, Р₂О₅.

Они требует высокую и стабильную t°. Трудность заключается в регулировании давления паров. Обычно используют двух - зонные печи, в которых камера источников диффузантов и камера диффузии разделены. Каждая камера имеет свою систему нагрева.

Рассмотрим схему двух - зонной диффузионной установки.

1-Кварцевая труба с открытым выходом; 2-низкотемпературная печь, здесь обеспечивается 950-1050°С для окиси бора и 200-300°С для окиси фосфора; 3-высокотемпературная печь 1000-1300°С;4-кварцевая лодочка с диффузантом; 5- кварцевая кассета с кремниевыми пластинами.

Ввод кварцевой трубы соединен с системой подачи газа-носителя. Эта система позволяет подавать газ-носитель, который вытесняет воздух из трубы. Проходя через зону (а) газ-носитель захватывает атомы примеси, испарившиеся в результате нагрева и переносит их в зону (б). В зоне (б) находятся кремневые пластины, нагретые до необходимой t°. Атомы примеси оседают на поверхности пластин и диффундируют внутрь.

Полный цикл диффузии:

1. Продувка реактора аргоном (для вытеснения кислорода)

2. Вывод реактора на заданный t° режим (2-3 ч.).

3. Загрузка через бокс кассеты с пластинами и прогрев ее в течении 20 мин при подаче аргона для удаления адсорбированных газов.

4. Подача аргона с пара-газовой смесью.

5. Выдержка при постоянной t° в течение времени диффузии.

6. Прекращение подачи смеси и замена кассеты с пластинами.

Замена кассет вносит в зону температурное возмущение, Для снижения его прогрев кассет часто ведут в два этапа. Для этой цели иногда используется конвейерные печи. В них кассета непрерывно движется внутри печи с необходимым профилем температуры.