Профиль концентрации:

• На стадии разгонки профиль становится более плавным по сравнению с загонкой.

4. Факторы, влияющие на перераспределение примесей

1. Температура:

   • Более высокая температура ускоряет перераспределение.

2. Тип примеси:

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

3. Кристаллическая структура:

   • Скорость диффузии зависит от ориентации подложки (например, 100, 111).

4. Наличие дефектов:

   • Вакансии и дислокации ускоряют процесс.

5. Применение стадии разгонки

1. Формирование p-n переходов:

   • Контроль глубины и концентрации перехода.

2. Создание равномерных активных областей:

   • Оптимизация электрических параметров.

3. Улучшение характеристик приборов:

   • Минимизация резких градиентов концентрации, чтобы уменьшить электрические шумы.

6. Пример: Диффузия бора в кремнии

• Загонка: Бор вводится из источника (B2H6) в газовой фазе при температуре 900∘C.

• Разгонка: Температуру увеличивают до 1100∘C, чтобы бор проник глубже.

• Конечный профиль концентрации имеет гауссову форму, а глубина определяется временем разгонки.

Заключение

Стадия разгонки в процессе диффузии примесей является важным этапом, позволяющим перераспределить примеси внутри подложки, контролировать глубину и профиль концентрации. Это необходимо для создания функциональных областей в полупроводниковых устройствах и обеспечения их высоких эксплуатационных характеристик.

32. Методы осуществления процесса диффузии. Источники и способы введения примесей. Оборудование для диффузии.

Процесс диффузии примесей в полупроводниках — ключевой этап технологии изготовления интегральных схем, позволяющий контролируемо изменять электрические свойства материала. Этот процесс включает выбор метода диффузии, источников примесей и специализированного оборудования.

1. Методы осуществления процесса диффузии

1.1. Одноэтапная диффузия

• Примеси вводятся в материал и одновременно перераспределяются на требуемую глубину.

• Используется, если не требуется резкого изменения профиля концентрации.

1.2. Двухэтапная диффузия

• Стадия загонки:

  • Примеси вводятся в поверхностный слой.

  • Концентрация примесей у поверхности достигает высокой величины.

• Стадия разгонки:

  • Примеси перераспределяются вглубь подложки для формирования требуемого профиля.

1.3. Диффузия из ограниченного и неограниченного источника

• Неограниченный источник:

  • Поддерживает постоянную концентрацию примесей на поверхности (Cs).

• Ограниченный источник:

  • Фиксированное количество примесей, вводимых за весь процесс.

2. Источники примесей

2.1. Газовые источники

• Используются для легирования через реакцию газов с поверхностью кремния.

• Примеры:

  • Бор (B2H6, BF3),

  • Фосфор (PH3, POCl3),

  • Мышьяк (AsH3).

• Преимущества:

  • Простота дозировки,

  • Возможность автоматизации.

2.2. Твёрдые источники

• Пластины или твёрдые соединения, содержащие примеси (B2O3, P2O5).

• Используются в печах диффузии.

• Преимущества:

  • Долговечность,

  • Минимальный расход примесей.

2.3. Жидкие источники

• Жидкие соединения примесей испаряются и поступают к поверхности подложки.

• Пример: использование трихлоридов фосфора и бора.

2.4. Ионная имплантация

• Примеси вводятся в подложку в виде ионного пучка с высокой энергией.

• Преимущества:

  • Высокая точность дозировки,

  • Низкая температура процесса.

3. Оборудование для диффузии

3.1. Диффузионные печи

• Используются для термической диффузии примесей.

• Основные компоненты:

  • Кварцевая трубка: обеспечивает химическую инертность.

  • Нагреватели: создают температуру 800–1200∘C.

  • Газоподающая система: вводит реактивные газы.

• Преимущества:

  • Равномерный прогрев,

  • Контроль атмосферы (инертная, окислительная или восстановительная).

3.2. Ламповое нагревательное оборудование

• Обеспечивает локальное нагревание области диффузии.

• Используется для быстрого термического процесса.

3.3. Камеры с химическими реактивами

• Для диффузии примесей из жидких или газовых источников.

• Обеспечивают однородное распределение примесей.

3.4. Оборудование для ионной имплантации

• Ускоритель ионов направляет примеси в подложку.

• Используется для высокоточного легирования.

4. Управление процессом диффузии

1. Температура:

   • Контролирует скорость диффузии (D) и глубину проникновения примесей.

2. Время диффузии:

   • Пропорционально влияет на глубину проникновения примесей .

3. Состав атмосферы:

   • Окислительная атмосфера используется для контроля поверхности,

   • Инертная атмосфера предотвращает нежелательные реакции.

4. Дозировка примесей:

   • Зависит от типа источника и концентрации газов.

5. Применение процесса диффузии

1. Формирование p-n переходов:

   • Создание границ между областями с различным типом проводимости.

2. Легирование активных областей:

   • Для управления концентрацией носителей заряда.

3. Создание омических контактов:

   • Обеспечение хорошего электрического контакта.

4. Формирование защитных слоёв:

   • Для уменьшения рекомбинации носителей.

Заключение

Процесс диффузии — это высокотехнологичный этап производства полупроводниковых приборов. Правильный выбор метода, источников примесей и оборудования позволяет добиться высокой точности и повторяемости профилей концентрации, что является критически важным для функциональности и надёжности интегральных схем.

33. Математическое описание процесса ионной имплантации.

Математическое описание процесса ионной имплантации

Ионная имплантация — это процесс введения ионов определённого элемента в материал (чаще всего в полупроводники, такие как кремний) с целью изменения его физических, химических или электрических свойств. Процесс включает ускорение ионов в электрическом поле и их внедрение в материал-мишень. Математическое описание процесса помогает прогнозировать распределение ионов в материале и его параметры.

Ключевые параметры процесса

1. Энергия ионов (E):

   • Определяет глубину проникновения ионов.

2. Доза имплантации (D):

   • Количество ионов, внедрённых в единицу площади (ион/см^2).

3. Угол имплантации (θ):

   • Угол падения ионов относительно нормали к поверхности материала.

Основные модели распределения ионов

1. Прямолинейное распределение (наивная модель)

• Предполагается, что ионы проникают на фиксированную глубину, равную средней пробеговой длине (Rp):

где:

• E — энергия иона,

• M — масса атома мишени.

• Однако на практике распределение ионов имеет гауссовидный вид из-за различных механизмов рассеяния.

2. Гауссово распределение ионов

• Наиболее часто используется для описания имплантации:

где:

• C(x) — концентрация ионов на глубине x,

• Q — доза имплантации (ион/см2ион/см^2),

• Rp — средняя пробеговая длина (глубина проникновения ионов),

• ΔRp — стандартное отклонение (длина распределения).

• Глубина проникновения (Rp): Зависит от энергии ионов E и массы материала мишени.

• Ширина распределения (ΔRp): Зависит от процессов рассеяния.

3. Влияние каналирования

• В кристаллических материалах (например, кремнии) ионы могут двигаться вдоль кристаллографических направлений, что приводит к глубокому проникновению.

• Корректировка для каналирования: C(x)=C0⋅P(x) где:

  • C0 — концентрация без учёта каналирования,

  • P(x) — поправочный коэффициент каналирования.

Уравнения для механики ионного движения

1. Энергетические потери ионов:

   • Потери энергии делятся на два типа:

     • На ядерное торможение (Sn): взаимодействие ионов с атомами материала.

     • На электронное торможение (Se): взаимодействие ионов с электронами материала.

   • Общая потеря энергии:

dE/dx=Sn+Se

2. Средняя пробеговая длина (Rp):

   • Рассчитывается как интеграл:

Программы моделирования ионной имплантации

Для точного описания имплантации применяются численные методы и специализированное программное обеспечение, например:

• TRIM (Transport of Ions in Matter):

  • Решает задачи с учётом реальных механизмов рассеяния и энергии.

• SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter):

  • Используется для расчёта пробега и распределения ионов.

Применение математического описания

1. Микроэлектроника:

   • Формирование областей с заданным уровнем легирования.

2. Материаловедение:

   • Изменение структуры поверхности материалов.

3. Медицина:

   • Имплантация ионов для модификации биосовместимых материалов.

Математическое описание ионной имплантации позволяет прогнозировать параметры процесса, минимизировать дефекты и оптимизировать технологию в зависимости от задач.

34. Физика процесса ионной имплантации. Эффекты разупорядочивания и каналирования.

Ионная имплантация — это процесс введения ионов в материал под воздействием электрического поля с целью изменения его физических и электрических свойств. Этот процесс сопровождается сложными физическими явлениями, включая взаимодействие ионов с атомами материала, разрушение структуры кристалла (разупорядочивание) и специфическое движение ионов вдоль кристаллографических направлений (каналирование).

Физика процесса ионной имплантации

1. Энергетические взаимодействия:

   • Ионы, ускоренные в электрическом поле, приобретают высокую кинетическую энергию.

   • При проникновении в материал они теряют энергию за счёт двух процессов:

     • Ядерное торможение (Sn) — энергия передаётся атомным ядрам через упругие столкновения.

     • Электронное торможение (Se) — энергия теряется на возбуждение электронов материала.

2. Пробег ионов:

   • Ионы проникают в материал на определённую глубину, называемую средней пробеговой длиной (Rp).

   • Распределение ионов по глубине описывается гауссовой функцией с максимумом на Rp и шириной ΔRp, характеризующей вариации пробега.

3. Каскады столкновений:

   • Ионы при столкновениях с атомами мишени создают каскад ударов, смещая атомы и формируя дефекты.

Эффекты разупорядочивания

1. Разрушение кристаллической решётки:

   • Смещение атомов из узлов решётки под воздействием энергии ионов.

   • Образование точечных дефектов (вакансии и межузельные атомы) и их кластеров.

2. Аморфизация материала:

   • При высокой дозе имплантации или энергии ионов кристаллическая структура разрушается полностью, превращаясь в аморфное состояние.

3. Влияющие факторы:

   • Энергия ионов: более высокая энергия создаёт глубокие каскады столкновений.

   • Масса ионов: тяжёлые ионы вызывают большее разрушение.

   • Доза имплантации: увеличение дозы приводит к накоплению дефектов.

4. Последствия разупорядочивания:

   • Снижение подвижности носителей заряда.

   • Увеличение электрического сопротивления.

   • Необходимость термической обработки для восстановления кристаллического порядка.

Эффект каналирования

1. Природа каналирования:

   • В кристаллических материалах ионы могут двигаться вдоль регулярных направлений атомов, называемых каналами (например, [100], [110], [111]).

   • В таких каналах ионы встречают меньше препятствий, что позволяет им проникать глубже.

2. Условия для каналирования:

   • Угол имплантации близок к кристаллографическим направлениям (осевое или плоскостное направление).

   • Кристалл имеет хорошо упорядоченную структуру без значительного числа дефектов.

3. Влияние каналирования:

   • Глубина проникновения ионов увеличивается по сравнению с расчётной средней пробеговой длиной.

   • Неравномерное распределение ионов в материале, что может ухудшить свойства устройства.

4. Методы предотвращения каналирования:

   • Аморфизация поверхности: предварительная обработка ионным пучком разрушает кристаллический порядок.

   • Наклонённый угол имплантации: изменяет направление движения ионов относительно каналов.

   • Шероховатость поверхности: нарушает регулярность каналов.

Баланс между разупорядочиванием и каналированием

• При низкой дозе имплантации ионы могут глубоко проникать в материал за счёт каналирования.

• С ростом дозы разупорядочивание увеличивается, что снижает влияние каналирования.

• Аморфизация устраняет эффект каналирования, но приводит к необходимости термической обработки для восстановления кристаллической структуры.

Модели и математическое описание

1. Гауссово распределение:

   • Для описания концентрации ионов:

• где:

  • C(x) — концентрация ионов на глубине x,

  • Q — доза имплантации,

  • Rp — средняя пробеговая длина,

  • ΔRp — стандартное отклонение пробега.