6. Методы контроля распределения примесей

1. Варьирование температуры и времени окисления:

   • Температурный контроль позволяет управлять скоростью диффузии примесей.

2. Использование барьерных слоёв:

   • Маски из нитрида кремния (Si3N4) предотвращают диффузию примесей в оксид.

3. Пост-окислительная термическая обработка:

   • Отжиг используется для снижения градиента концентрации примесей.

Заключение

Распределение примесей при термическом окислении является сложным процессом, зависящим от типа примесей, метода окисления и условий процесса. Управление этим процессом позволяет оптимизировать электрические и механические свойства полупроводниковых структур, что является ключевым фактором в производстве интегральных микросхем.

28. Физика диффузионных процессов. Двухстадийная диффузия.

Диффузионные процессы играют важную роль в технологии производства полупроводников, особенно для создания профилей легирования в кремниевых подложках. Они описывают перемещение атомов примесей под воздействием концентрационных градиентов и температуры.

1. Основы физики диффузионных процессов

Диффузия в полупроводниках — это процесс переноса атомов примесей из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Этот процесс подчиняется закону диффузии Фика.

1.1. Первый закон Фика

Определяет поток диффундирующих частиц (J) через единичную площадь в единицу времени:

Где:

• J — поток частиц (атомы/см2⋅),

• D — коэффициент диффузии (см2/с),

• C — концентрация частиц (атомы/см3),

• x — пространственная координата.

1.2. Второй закон Фика

Описывает изменение концентрации примесей во времени:

1.3. Температурная зависимость диффузии

Коэффициент диффузии (D) зависит от температуры и описывается уравнением Аррениуса:

Где:

• D0 — предэкспоненциальный фактор (см2/с),

• Ea — энергия активации диффузии (эВ),

• k — постоянная Больцмана (8.617×10−5 эВ/К),

• T — абсолютная температура (К).

2. Типы диффузионных процессов

2.1. Самодиффузия

• Процесс перемещения атомов внутри чистого материала.

• Протекает без участия внешних примесей.

2.2. Примесная диффузия

• Перемещение атомов примесей в кристаллической решётке.

• Примеси могут быть донорными (фосфор, мышьяк) или акцепторными (бор).

2.3. Межузельная и вакансионная диффузия

• Межузельная диффузия: примеси перемещаются через промежутки между узлами кристаллической решётки.

• Вакансионная диффузия: атомы перемещаются через вакансии (пустоты) в кристаллической решётке.

3. Двухстадийная диффузия

Двухстадийная диффузия применяется для более точного управления профилем распределения примесей в полупроводниках. Процесс делится на две стадии: ввод примеси и собственно диффузия.

3.1. Первая стадия: ввод примеси (предварительное легирование)

• Примеси вводятся в поверхность подложки.

• Осуществляется с использованием:

  • Газовой фазы (POCl3,B2H6),

  • Твёрдых источников (B2O3,P2O5),

  • Жидких источников.

• Процесс происходит при температуре 850–1000 C.

• Образуется тонкий слой с высокой концентрацией примеси вблизи поверхности подложки.

3.2. Вторая стадия: отжиг (распределение примеси)

• Примеси, введённые на первой стадии, распределяются в глубину подложки.

• Температура: 900–1200 C.

• Протекает по механизму объёмной диффузии, формируя плавный профиль концентрации примесей.

4. Модели распределения примесей при двухстадийной диффузии

4.1. При ограниченном источнике

• Примеси вводятся в ограниченном количестве.

• Концентрация убывает с глубиной, формируя гауссов профиль:

Где:

• Q — общее количество примесей.

4.2. При неограниченном источнике

• Источник примеси поддерживает постоянную концентрацию на поверхности (Cs).

• Концентрация распределяется по закону:

Где erfc — функция дополнительной ошибки.

5. Факторы, влияющие на диффузию

• Температура: увеличение температуры ускоряет процесс.

• Тип примеси: лёгкие примеси (бор) диффундируют быстрее, чем тяжёлые (мышьяк).

• Кристаллическая ориентация: скорость диффузии зависит от ориентации подложки (100,111).

• Наличие дефектов: вакансии или межузельные атомы ускоряют процесс диффузии.

6. Применение двухстадийной диффузии

1. Создание p-n переходов:

   • Двухстадийная диффузия обеспечивает плавный профиль концентрации примесей, что минимизирует утечки тока.

2. Оптимизация затворных структур:

   • Обеспечивает контроль толщины сильно легированных областей.

3. Управление поверхностными свойствами:

   • Регулирует концентрацию примесей для улучшения адгезии и электрических характеристик.

Заключение

Двухстадийная диффузия — это универсальный процесс, позволяющий точно управлять профилем распределения примесей в полупроводниках. Понимание физики диффузионных процессов и использование соответствующих моделей обеспечивает создание высококачественных структур для современной микроэлектроники.