10. Методи вивчення характеристик дифузiйних шарiв.

До основних параметрів дифузійних шарів відносяться:

• 1) питомий поверхневий опір шару;

• 2) глибина, на якій утворюється р-n-перехід;

• 3) концентрація домішок на поверхні.

• Поверхневий опір вимірюється чотиризондовим методом.

Для цього на поверхні кремнію по довжині легованої області розміщують 4 зонди на одній лінії на однаковій відстані один від одного. Через зовнішні зонди пропускають струм, а внутрішні служать для вимірювання спаду напруги компенсаційним методом.

• Для вимірювання глибини р-n-переходу найбільш поширений метод, суть якого полягає в виготовленні косого, кулькового, циліндричного шліфів на пластині з послідуючою дією на область шліфа хімічних реагентів. Використані реагенти здатні змінювати колір різним чином у напівпровідниках з електронною та дірковою провідністю – метод деколірування.

• Різниця в зафарбовуванні шарів може відбуватися через різну швидкість протікання хімічних реакцій.

• Хімічним зафарбовуванням можна встановити не тільки розташування р-n-переходів а і переходів n⁺-n, p⁺-p. Шліфи виготовляються під кутом 1-5˚, що дозволяє розширити досліджувану ділянку.

• Глибина р-n-переходу, косого під кутом a та шарового визначається із співвідношень:

Найбільш поширений деколіруючий розчин складається із концентрованої плавікової кислоти HF та 0,1% азотної кислоти HNO₃. При нанесенні цього травника на шліф області з провідністю p-типу темнішають, колір області n-типу не змінюється.

Для визначення поверхневої концентрації дифузійного шару вимірюють поверхневий опір шару та глибину d₀. Це дозволяє визначити питому провідність s.

Знаючи ці величини розраховують поверхневу концентрацію. В умовах виробництва користуються готовими графіками N(s).

Розглянутий процес термічної дифузії має ряд недоліків, а саме:

1) висока температура процесу приводить до перерозподілу домішок в раніш сформованих шарах та зміщенню р-n-переходу, що затруднює відтвореність активної області транзистора(бази) товщиною менше, ніж 0,6 мкм;

2) наявність бокової дифузії збільшує площу окремих дифузійних областей;

3) залежність коефіцієнта дифузії та розчинності домішки від температури виключає можливість використання багатьох напівпровідників та легуючих елементів, перспективних для мікроелектроніки.

Тому поряд з термічною дифузією використовується метод іонної імплантації для введення домішок в напівпровідник.

11. Практичнi способи проведення дифузiї: дифузія з використанням рідинних джерел домішки.

На рисунку 2.2 приведена схема установки для рідинних джерел домішок

При використанні рідинних джерел домішки, якими як правило служать галогеніди, установка для дифузії має одну високотемпературну зону – кварцеву піч 1 (800-1200˚С). Довжина труби, в якій містяться підкладки дорівнює 40 –60 см, діаметр ~20 см.

Для випаровування рідинного джерела достатньо підтримувати його температуру в інтервалі 20 – 40˚С.

Рисунок. 2.2. Схема установки дифузії для рідинних джерел домішок:

1 – трубчата піч;

2 – кварцева труба;

3 – підкладки;

4 – посудина з рідким джерелом домішки.

Найбільш широке вокористання в якості джерела знайшли галогеніди фосфору та бору (трихлористий фосфор PCI₃, хлорокись фосфору POCl₃, трибромистий бор BBr₃).

В кварцеву трубу направляється три потоки газу:

1) основний потік азоту або аргону зі швидкістю 1000 см³/ хв;

2) слабий потік цього ж газу зі швидкістю 10 см³/ хв, цього ж газу, який попередньо пройшов через рідке джерело;

3) слабкий потік кисню зі швидкістю 15 см³/ хв.

При використанні рідинних джерел наявність кисню у складі газу-носія має принципове значення, оскільки приводить до утворення оксидів домішки. Так для BBr₃ у зоні дифузії проходять наступні хімічні реакції:

• 4 BBr₃ + 3 О₂ = 2 В₂О₃ + 6 Br₂

• Si + О₂ = SiО₂

При взаємодії оксиду кремнію з оксидом бору утворюється сполука типу

• m В₂О₃*n SiО₂ – боросілікатне скло.

На поверхні кремнію виділяється бор з боросілікатного скла і при реакції

• 3 Si + 2 В₂О₃= 2 SiО₂ + 4В

йде виділення дифундуючого в кремній бора.

• Аналогічно проходять реакції для PCI₃, POCl₃, які використовують для дифузії фосфора:

• 4 PCI₃ + 5 О₂ = 2 Р₂О₅ + 6 CI₂

• 4 POCl₃ + 3 О₂= 2 Р₂О₅ + 6 CI₂

• Si + О₂ = SiО₂

• 2Р₂О₃ + 5 Si = 5 SiО₂ + 4 Р

• m Р₂О_5∙n SiО₂ - фосфоросілікатне скло.

• Розглянуті хімічні реакції супроводжуються утворенням галогенідів, які здатні травити поверхню кремнію, а самі по собі є отруйними газами.

• При достатньому вмісті кисню (~ 7L 10 %) травлення кремнію не відбувається завдяки росту кількості SiО_2.

• Недоліком дифузії є те, що і самі джерела і продукти реакції являються отруйними речовинами.