2.2.Легування напівпровідників.
2.1.Фізичні основи процесу термічної дифузії.
Метою проведення дифузії є внесення атомів легуючого елемента в кристалічну решітку напівпровідника для
утворення області з потрібним типом електропровідності.
В якості легуючих домішок вибирають елементи, які мають достатньо високу швидкість дифузії та високу (чудову) розчинність у напівпровідниках.
Для отримання дифузійних областей з дірковою провідністю в кремнії Si використовують елементи-акцептори: бор (B), індій (In), галій (Ga), на зовнішніх електронних оболонках яких не достає одного валентного електрона для утворення ковалентного зв’язку з атомом чотирьох валентного кремнію (3-валентні).
Для забезпечення електронної провідності можна використовувати фосфор (P), миш’як (As), сурму (Sb), тобто елементи, які мають зайвий валентний електрон по відношенню до кремнію Si (5-валентні).
1
Атоми домішки здатні проникати в глибину кристала тільки в тому випадку, коли вони займають вільне місце в вузлі кристалічної решітки.
Для реальних напівпровідникових кристалів характерне порушення регулярного розташування атомів кристалічної решітки. Це порушення обумовлено наявністю атомів домішок, дислокацій, мікротріщин. Крім цього, у Si є дефекти, які характерні для самої пророди кристалічного тіла.
Наприклад, розглянемо точкові дефекти за Френкелем та за Шотткі. Дефекти за Френкелем виникають завдяки зміщенню атома у міжвузілля, у цьому випадку утворюється пара: вакансія-атом у міжвузіллі.
Вільний
електр
он
Рисунок 2.1. Точкові дефекти: а) за Френкелем; б) за Шотткі.
2
Дефекти за Шотткі виникають у результаті поверхневого випаровування атомів Si, утворення порожніх вузлів і дифузії вакансій, які дифундують в об’єм кристала за рахунок зустрічної самодифузії атомів.
Наявність точкових дефектів у вигляді вакансій лежить в основі процесу термічної дифузії у напівпровідниках. Даний процес найбільш ймовірний, оскільки енергія активації домішкового процесу дифузії складає 3,5-5 еВ.
Процес дифузії йде активніше вздовж дислокацій, ніж вздовж вакансій. Це приводить до створення фронту легування, тому густина дислокацій у пластинах Si повинна бути мінімальною.
Теоретичною основою процесу дифузії є два закони (рівняння) Фіка.
Перший закон стверджує: якщо в замкнутому середовищі має місце
градієнт концентрації речовини, то виникає її потік, густина якого для одновимірного випадку визначається за формулою:
Jдиф D Nx
N
де - x градієнт концентрації дифундуючої речовини; D – коефіцієнт дифузії дифундуючої речовини;
N - концентрація дифундуючої речовини.
3
•Знак “—” означає, що рух речовини виникає у напрямку зменшення її концентрації.
•Коєфіціент дифузії D чисельно дорівнює кількості домішкових атомів, які проходять через площу 1 см2 за 1 секунду при градієнті концентрації атомів домішок — 1 см-3, іншими словами коєфіціент дифузії являє собою густину потоку при одиничному градієнті концентрації.
•D є температурно залежною величиною. Зміна коєфіціента дифузії з температурою описується рівнянням Арреніуса:
|
|
|
EA |
|
D D0 |
exp |
|
|
|
|
||||
|
|
|
T |
|
де D0 – температурно незалежний коефіцієнт, або коефіцієнт дифузії
речовини при температурі рівній нескінченності; EА– енергія активації дифундуючої речовини,
T – температура, при якій проводиться процес дифузії; k-стала Больцмана (k=1,38·10-23 Дж/К).
4
Другий закон Фіка в одновимірному випадку записується
N x,t |
|
Jдиф x,t |
|
. Звідси |
||
t |
|
x |
||||
|
|
|
|
|||
N x,t |
D |
2 N x,t |
|
|
||
x2 . |
|
|
||||
t |
|
|
|
|
||
Цей закон визначає швидкість накопичення домішок, тобто відображає динаміку процесів.
Закон розподілу домішок, як функція координат x та часу t може бути отриманий шляхом розв’язання другого рівняння Фіка при певних граничних умовах проведення процесу дифузії. Найбільш практичне значення мають два випадки:
1)дифузія із необмеженого джерела домішок (у виробництві називається загонка домішки);
2)дифузія із обмеженого джерела домішок (розгонка домішки).
Дифузія із необмеженого джерела відповідає першому етапу дифузії, метою якого є введення в кристал певної кількості домішок.
Другий етап – розгонка домішок – перерозподіл введеної на першому етапі домішки на визначену глибину для остаточного формування дифузійної
області. |
5 |
|
•У випадку необмеженого джерела домішок концентрація домішок на поверхні пластини постійна (N0 = const) і розв’язання рівняння буде мати вигляд
N N |
erfc |
|
x |
NФ1 |
|
x |
||
|
|
|
|
|
||||
0 |
|
2 |
Dt |
0 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Dt |
||||
•Заданий розподіл домішок по глибині можна отримати при різних значеннях D і t. Величину Dt називають фактором температурного впливу і він визначає дозу легування Q.
•Дозою легування Q називається число атомів домішки,
введеної в кристал через одиницю площі (1 см2) за весь
час дифузії, можна одержати на основі першого закону Фіка (проінтегрувавши по часу).
• У другому граничному випадку (дифузія з обмеженого джерела) домішки дифундують з поверхневого шару кремнію усередину, в цьому випадку надходження домішки ззовні відсутнє (Q = const). В результаті дифузії поверхнева концентрація N0 з часом зменшується.
Розв’язок рівняння дифузії у цьому випадку представляє собою
розподіл Гауса
6
|
Q |
x/(2 |
2 |
|
N |
Dt |
|||
|
e |
|
||
Dt |
||||
|
|
|
•Вираз описує реальний розподіл тим точніше, чим тонше зразок, в який дифундує домішка і отриманий при умові, що випаровування з поверхні відсутнє.
•Використовуючи вище приведені рівняння розподілу домішок, можна розрахувати режими дифузії, вихідними даними будуть параметри дифузійних областей: N0 та глибина дифузії х.
7
2.2. Практичні способи проведення дифузії.
•В якості джерела дифузантів можуть використовуватись рідкі та газоподібні речовини. Розглянемо найбільш поширені способи проведення дифузії:
•1) дифузія з використанням рідинного джерела домішок;
•2) дифузія з використанням газоподібного джерела домішок.
•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.
8
Рисунок. 2.2. Схема установки дифузії для рідинних джерел домішок: 1 – трубчата піч; 2 – кварцева труба; 3 – підкладки;
4 – посудина з рідким джерелом домішки.
9
Найбільш широке вокористання в якості джерела знайшли галогеніди фосфору та бору (трихлористий фосфор PCI3, хлорокись фосфору POCl3,
трибромистий бор BBr3).
Вкварцеву 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.
10