30. Распределение примесей при диффузии. Стадия «загонки» (введение примесей).

Диффузия примесей в полупроводниках, таких как кремний, является ключевым процессом при создании активных областей приборов. Этот процесс включает стадию «загонки» — начальную фазу, когда примеси вводятся в поверхность полупроводника, и последующую стадию распределения примесей вглубь материала.

1. Основные этапы процесса диффузии

1.1. Стадия загонки (введение примесей)

• На этом этапе примеси вводятся в поверхность полупроводника из газовой, жидкой или твёрдой фазы.

• Основная цель — создать тонкий слой с высокой концентрацией примесей у поверхности.

• Концентрация примесей вблизи поверхности значительно превышает их концентрацию в глубине.

🔹 Методы введения примесей:

1. Газофазные источники:

   • Примеси вводятся из газовой фазы, например, B2H6 (бор), PH3 (фосфор), AsH3 (мышьяк).

2. Твёрдые источники:

   • Используются твёрдые примеси (B2O3, P2O5), которые испаряются при высокой температуре.

3. Ионная имплантация:

   • Ионы примесей вводятся с высокой энергией.

1.2. Стадия распределения (вторая стадия диффузии)

• После загонки примеси распределяются вглубь подложки за счёт термической диффузии.

• Этот процесс происходит при более высокой температуре (900–1200 C), чем стадия загонки.

2. Распределение примесей при диффузии

Распределение примесей зависит от типа источника, температурного режима и времени процесса. Используются две основные модели: ограниченный и неограниченный источник.

2.1. Диффузия с неограниченным источником (выше посмотри)

• Особенности:

• Максимальная концентрация примеси на поверхности равна Cs.

• Концентрация убывает по мере удаления от поверхности.

2.2. Диффузия с ограниченным источником

Особенности:

• Концентрация на поверхности со временем уменьшается.

• Распределение примесей имеет форму гауссова профиля.

3. Характеристики стадии загонки

1. Глубина проникновения:

   • Зависит от времени и температуры загонки.

   • Чем выше температура и дольше процесс, тем глубже примеси проникают.

2. Концентрация на поверхности:

   • Определяется типом источника и условиями процесса.

3. Энергия активации:

   • Процесс диффузии описывается уравнением Аррениуса: D=D₀e^−Ea/kT

4. Влияющие факторы

1. Температура:

   • Повышение температуры увеличивает коэффициент диффузии (D).

2. Тип примеси:

   • Лёгкие примеси (бор) диффундируют быстрее, чем тяжёлые (мышьяк).

3. Кристаллическая структура:

   • Ориентация подложки (100,111) влияет на скорость диффузии.

4. Наличие дефектов:

   • Дефекты (вакансии, дислокации) ускоряют диффузию.

5. Применение процесса загонки

• Создание p-n переходов:

  • Загонка используется для формирования активных областей полупроводниковых приборов.

• Легирование поверхностных слоёв:

  • Формирование областей с высокой концентрацией примесей.

• Оптимизация электронных характеристик:

  • Загонка позволяет контролировать толщину и концентрацию легированных областей.

Заключение

Стадия загонки примесей является ключевым этапом процесса диффузии в производстве полупроводниковых приборов. Правильный выбор метода введения примесей, температурного режима и времени позволяет создать требуемые профили концентрации, обеспечивающие высокую производительность и надёжность полупроводниковых устройств.