13.10. Аномалии распределения примесей и дефекты диффузионных слоев

Формируемые в процессе диффузии структуры в некоторых случаях могут значительно отличаться по своим характеристикам от расчетных. Причина этого обычно заключается либо в недостаточной точности модели, выбранной для расчета распределения концентрации примесей, либо в образовании дефектов.

Аномалии в распределении примеси

Отклонения распределения примесей в реальных диффузионных слоях от расчетных могут возникать за счет сложности механизма процесса диффузии, что не удается учесть при расчетах. Распределение примеси в слое может быть представлено в виде суммы двух распределений – «медленного» и «быстрого».

Анализ таких распределений позволяет сделать вывод, что возможно параллельное протекание диффузии по вакансиям, определяющим «медленную» составляющую, и по междоузлиям, определяющим «быструю» составляющую распределения.

Причиной различия реально наблюдаемых и аналитических зависимостей диффузионного распределения концентрации примесей может быть также неправильный выбор значения коэффициента диффузии, используемого при расчете. Это связано с тем, что коэффициент диффузии зависит не только от температуры, но и от концентрации примесей.

Когда при температуре диффузии концентрация примеси превосходит концентрацию собственных носителей заряда, на процессе диффузии сказывается влияние внутреннего электрического поля.

Расчетные и экспериментальные данные о глубине формирования диффузионного p-n-перехода могут не совпадать, потому что не все атомы диффундирующей примеси ионизируются и являются, таким образом, электрически активными центрами в решетке полупроводника. В результате этого при высоких уровнях легирования атомы примеси могут занимать положения как в узлах, так и в междоузлиях.

Образование макродефектов

К макродефектам поверхностного слоя относят образующиеся в процессе диффузии эрозионные ямки, сильно легированные «трубки», участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, островки углерода и неравномерность диффузионного фронта.

Образование эрозионных ямок наблюдается при проведении процесса диффузии в атмосфере сухого азота. Глубина их может превышать толщину неглубоких диффузионных слоев, что приводит к шунтированиюp-n-переходов. Для предотвращения образования на поверхности кремниевых пластин эрозионных ямок процесс диффузии проводят в атмосфере азота с добавлением кислорода.

В результате скопления частиц диффузанта на отдельных участках поверхности могут образовываться сильно легированные «трубки», обладающие высокой проводимостью. При высоких концентрациях диффузанта на этих участках может происходить образование жидкой фазы и даже проплавление диффузионного слоя.

При длительном нагреве до высоких температур в процессе диффузии могут появляться термические ямки травления, что вызывается ростом одних кристаллографических плоскостей за счет других. На поверхности кремния в этом случае наблюдается также и образованиенаростов углерода высотой до нескольких десятков микрометров. Углерод поступает на поверхность как из объема рабочей камеры, так и за счет диффузии из его раствора в кремнии.

При некачественной обработке поверхности пластины возникает неравномерность диффузионного фронта по глубине. Так как нарушение кристаллической решетки приводит к уменьшению энергии активации процесса, то коэффициент диффузии в местах нарушений возрастает. В результате под сильно нарушенными участками поверхности глубина диффузии оказывается больше, чем под ненарушенными.

К такому же эффекту приводит скопление дислокаций на отдельных участках поверхности. При внедрении примесных атомов в кристаллическую решетку в ней возникают механические напряжения, вызванные различием атомных радиусов примесного элемента и полупроводника. Напряжения, обусловленные сжатием или растяжением решетки, могут оказаться достаточными для ее пластической деформации и генерации дислокаций. Плотность образующихся дислокаций тем больше, чем больше различие между атомными радиусами.

Бездислокационные сильно легированные диффузионные слои получают при одновременной диффузии двух донорных или двух акцепторных примесей с разными знаками отклонения атомных радиусов от атомного радиуса полупроводника. Следует иметь в виду, что максимум плотности генерируемых при диффузии дислокаций находится у самой поверхности пластины в области с наибольшей концентрацией примесей. По мере удаления от поверхности концентрация диффундирующей примеси снижается и соответственно уменьшается плотность дислокаций. Области p-n-перехода дислокации обычно не достигают.

Образование второй фазы в германии, кремнии и в ряде других полупроводниковых материалов связано с температурной зависимостью растворимости в твердой фазе полупроводников таких элементов, как медь, золото, железо. Эти металлы, кроме того, обладают достаточно высокой подвижностью при температурах диффузии, что приводит к диффузии этих примесей на всю глубину пластин при реальных временах процессов.

При охлаждении твердый раствор полупроводник - металл оказывается пересыщенным, в результате чего образуется вторая фаза в виде металла или его твердого раствора в полупроводнике. Скопления атомов металла выпадают обычно на дефектах, прежде всего на дислокациях. Так как дислокации могут пронизывать p-n-переход, это приводит к его шунтированию проводящими мостиками и, как следствие, к возрастанию обратных токов.

Загрязненные быстродиффундирующими примесями кристаллические пластины полупроводника можно очистить, если нагреть их в контакте с геттерирующими веществами. При этом электрофизические свойства полупроводникового материала полностью восстанавливаются. Эффективные геттеры для удаления примесей из германия -In,Pb,Snи др., из кремния — стеклообразный борный или фосфорный оксидный слой.

Эффект геттерирования основан на высокой растворимости нежелательной примеси в геттере, находящемся в контакте с полупроводником.