1. Распределение примеси при диффузии

Диффузия примесных атомов в твердом теле происходит вследствие хаотического теплового движения в направлении убывания их концентрации. Микроскопическое перемещение атомов происходит либо по вакансиям, либо по междоузлиям. Диффузия основных легирующих примесей в полупроводниках совершается, как правило, по вакансиям, тогда как прочих примесей — по междоузлиям. В полупроводниковой технологии наибольший интерес представляют два случая распределения примесных атомов.

1. Если диффузия идет из источника с ограниченным содержанием примеси, находящейся в начальный момент в бесконечно тонком поверхностном слое, то профиль распределения концентрации имеет вид

, (1)

где N — плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см²; х— глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см²/с; t — длительность диффузии, с.

Глубина залегания диффузионного р-n-перехода

, (2)

где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примеси

. (3)

Для многих практических случаев глубина р-n-перехода

. (4)

2. Если диффузия идет из источника с постоянной поверхностной концентрацией примесных атомов С₀, то распределение имеет вид

. (5)

Для допустимого упрощения вместо erfc-функции можно использовать аппроксимацию

. (6)

Для этого случая глубина залегания р-n-перехода

. (7)

При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С(х, t) в этом случае следует использовать сумму:

. (8)

Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.

Диффузия в планарной технологии. В планарной технологии диффузию проводят в две стадии, что особенно важно, если требуется получить хорошо контролируемую низкую поверхностную концентрацию. Вначале осуществляют короткую диффузию из источника с постоянной поверхностной концентрацией — загонку. Поверхностная концентрация при этом определяется либо предельной растворимостью примеси, либо содержанием примеси в источнике диффузанта. Затем пластины вынимают из печи и удаляют стеклообразный слой, большей частью образующийся на поверх­ности кремния при загонке в окисляющей атмосфере и имеющий состав, близкий к составу боросиликатных или фосфорно-силикатных стекол. Чистые пластины помещают в чистую печь для проведения второй стадии диффузии — разгонки, осуществляемой при более высокой температуре, так что D₂t₂>>D₁t₁. Тонкий диффузионный слой, сформированный на первой стадии диффузии, является источником с ограниченным количеством примеси. В настоящее время в планарной технологии загонка примеси осуществляется чаще всего не путем диффузии, а с помощью метода ионной имплантации. Атомы примеси внедряются в тонкий поверхностный слой с плотностью N (ат/см²). Ионная имплантация обеспечивает точное регулирование поверхностной концентрации при последующей разгонке, так как, согласно формуле (3),

. (9)

Рис. 9.2. Геометрия диффузионного планарного р-я-пе-рехода:

a. — сечение; б — вид в плане

2. Технологические приемы получения диффузионных структур

Способы проведения диффузии. Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300°С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300°С. Ниже 1000°С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С качество диффузионных слоев неудовлетворительно вследствие нарушения поверхности пластин под действием температуры. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров. Молекулы пара адсорбируются всеми поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, и при достаточно большой температуре диффундируют вглубь. В общем случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией примеси осуществляют путем контроля давления пара. Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее, чем длительность диффузии, то поверхностная концентрация остается постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределение примеси при диффузии из газовой фазы описывается функцией дополнения к интегралу ошибок.

Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 1, а — в, д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Входной конец диффузионной трубы 3 служит для введения газа-носителя (азота, аргона или кислорода). Термин «закрытая труба» относится к диффузии в герметизированной ампуле (рис. 1, г). Пластины полупроводника 1 и источник диффузанта 4 загружают в кварцевую ампулу 6, которую вакуумируют, герметизируют и помещают в диффузионную печь 5.

Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 1, д), либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 1, а). На рис. 1, б показана схема двухзонной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников диффузанта методом открытой трубы, а на рис. 1, в — схема бокс-метода. В последнем методе пластины и источник примеси находятся в полугерметичном контейнере 5 однозонной печи.

Рис. 1. Способы проведения диффузии

Наиболее широкое распространение получила диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников. Основными диффузантами при диффузии в кремний являются фосфор и бор. При изготовлении пленарных приборов, как отмечалось, процесс диффузии обычно проводят в две стадии. На первой стадии (загонке) на поверхности кремния создают тонкий диффузионный слой с erfc-распределением примеси. Загонку осуществляют в печах с одной или двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией температурах. На второй стадии (разгонке) пластины полупроводника нагревают в однозонной печи в атмосфере, не содержащей атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответствует диффузии из источника с ограниченным содержанием лримеси. Двухстадийная диффузия имеет два основных преимущества перед одностадийной: 1) разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспроизводимость и упрощает его контроль; 2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотемпературная, а на второй стадии нет паров диффузанта. Все это повышает стойкость и защитные свойства диоксида кремния.

Диффузанты. Широкое распространение получили газообразные диффузанты — гидриды бора и фосфора, жидкие (галогениды бора и фосфора) и твердые (оксиды бора и фосфора).

Для соединений типа A^IIIB^V диффузия в подрешетке, составленной из атомов группы III, характеризуется меньшей энергией активации, чем соответствующая диффузия в подрешетке, составленной из атомов группы V. Если диффундирующие атомы нейтральны или однократно ионизованы, то на их движение, например в арсениде галлия, по вакантным узлам мышьяка затрачивается большая энергия, чем на движение по вакантным узлам галлия. Это происходит потому, что для образования вакансий галлия необходимо удалить только три электрона, тогда как для образования вакансии мышьяка требуется удалить пять электронов. Способствует такому соотношению скоростей диффузии и геометрический фактор. Так как ковалентный радиус мышьяка (0,118 нм) меньше ковалентного радиуса галлия (0,126 нм), то примеси в галлиевой подрешетке могут диффундировать быстрее, чем в мышьяковой.

На рис. 2, а представлены температурные зависимости коэффициентов диффузии В, Al, P и As в кремнии.На рис. 2, б представлены температурные зависимости коэффициентов диффузии S, Se, Sn, Mg и Zn в GaAs.

Рис.2. Зависимость коэффициентов диффузии примесей в кремнии (а) и арсениде галлия (б) от температуры