2.5 Коэффициенты диффузии элементов в, р, As и Sb

В технологии формирования СБИС в качестве легирующих элементов для создания р—n переходов используют бор, фос­фор, мышьяк и иногда сурьму. Поэтому коэффициенты диффу­зии этих элементов в кремнии представляют особый интерес. Мы укажем здесь как собственные, так и примесные коэффи­циенты диффузии. Используя вакансионно-примесную диффузи­онную модель с учетом многозарядовых состояний, можно при­близительно определить группу точечных дефектов, оказываю­щих влияние на значение коэффициента диффузии. Так как диф­фузионная теория еще находится в состоянии развития, экспе­риментально идентифицировать эти группы еще не удалось. Кроме того, будет обсуждено влияние различных эффектов на протекание процесса диффузии при высоком уровне концентра­ции примеси и взаимодействии примесных атомов.

2.5.1 Процесс диффузии в собственный кремний при низкой концентрации примеси

В табл. 5.3 приведены собственные коэффициенты диффузии для бора, фосфора, мышьяка и сурьмы в виде константы диффу­зии jDo и энергии активации Е [21]. Выражение (5.18) опреде­ляет температурную зависимость коэффициента диффузии.

Таблица 2.3 - Собственные коэффициенты диффузии элементов В, Р, As и Sb

В соответствии с вакансионной моделью, учитывающей многозарядное состояние вакансий, собственный коэффициент диф­фузии бора в основном определяется взаимодействием бора с вакансией донорного типа V+ и обозначается как ( +) в. Для фосфора собственный коэффициент диффузии определяется взаимодействием примесных атомов с нейтральными вакансиями Vx и обозначается как ( ).

Рисунок 2.7 – Зависимость собственного коэффициента диффузии от температуры

На рисунке 2.7, а—г представлены зависимости коэффициентов диффузии бора, фосфора, мышьяка и сурьмы от температуры. Более детальное описание экспериментальных данных, на ос­нове которых построены некоторые представленные на рис. 5.10 зависимости, содержится в работе [1].

2.5.2 Фосфор

Фосфор. Фосфор используется не только для формирования эмиттерных и базовых областей биполярных транзисторов, но и для геттерирования быстродиффукдирующих примесей, таких, как Си и А и. Эти при меси, высаживаясь на дефектах кристаллической структуры, приводят к возрастанию токов утечки об­ратно смещенных р—«-переходов. Поэтому фосфор незаменим в технологии СБИС. Однако n—р—n транзисторы с эмиттерами, полученными диффузией мышьяка, имеют более высокий коэф­фициент усиления при низких уровнях тока и лучшую воспро­изводимость ширины базовой области по сравнению с транзи­сторами, эмиттеры которых получены диффузией фосфора. По этому в технологии СБИС применение фосфора в качестве ак­тивного легирующего элемента в мелких р—n переходах с ма­лыми линейными размерами в низкотемпературных процессах ограничено использованием его для легирования базовых обла­стей р—n—р транзисторов и для формирования геттера. Для создания областей истока и стока n-канальных МОП транзисто­ров наиболее часто используют мышьяк.

Рисунок 2.8 - Модель диффузии фосфора в кремнии

Рассмотрим теоретическую модель диффузии фосфора. Ха­рактерный диффузионный профиль легирования фосфором мож­но разделить на три области (рисунке 2.8): область высокой кон­центрации, переходную область, называемую также «областью перегиба диффузионного профиля», и область низкой концент­рации.