2.4. Диффузия
2.4.1. Механизмы диффузии
Изготовление транзисторов и интегральных схем основано на введении в кремний (элемент IV группы периодической системы) элементов III и V групп с целью создания областей p- и n- типа проводимости. Процесс легирования осуществляется методами термической диффузии и ионной имплантации. Диффузия в полупроводниках - это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением при наличии градиента концентрации собственных или примесных атомов. В зависимости от механизма перемещения атомов на диффузию оказывают влияние дефекты кристалла. Для изготовления р-n перехода используется диффузия примесных атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств. Для рассмотрения процесса диффузии используется феноменологический или микроскопический подходы.
Методом диффузии обычно проводятся формирование базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии, создание областей истока и стока в МОП технологии, легирование поликристаллического кремния. Технологически процессы диффузии проводятся различными способами: диффузия из химического источника в парообразной форме при высоких температурах; диффузия из легированных окислов; диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов); двухстадийная диффузия.
Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе экспериментальных данных точных моделей, способных предсказывать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель этого анализа - определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на основе параметров технологического процесса расчетным путем. Диффузионные модели развивались с позиций двух основных приближений:
теории сплошных сред с использованием уравнений диффузии Фика. Модель, исходя из диффузионного уравнения Фика и соответственно коэффициента диффузии, определяется экспериментально путем измерения поверхностной концентрации.
атомистической теории, которая принимает во внимание взаимодействие между точечными дефектами (вакансиями и междоузлиями) с одной стороны и примесными атомами с другой.
К основным механизмам диффузии относят: вакансионный, прямое перемещение по междоузлиям, эстафетный (непрямое перемещение по междоузлиям), краудионный, диссоциативный.
Анализ экспериментальных данных показывает, что бор и фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму , элементы 1 и 7 группы - по междоузельному (рис. 2.7). Вакансионный - это такой механизм, когда мигрирующий атом (примесный или собственный) мигрирует на место вакансии, освобождая свое место в узле кристаллической решетки. Межузельный механизм сопровождается переходом мигрирующего атома (как правило, примесного) из одного положения в другое, без его локализации в узлах кристаллической решетки.
Рис.2.7. Вакансионный и междоузельный механизмы диффузии.