31. Физика диффузионных процессов. Двухстадийная диффузия.
Процесс диффузии в п/п технологии – направленный перенос атомов примесей, обусловленный тепловым хаотическим движением при наличии градиента концентрации примесей. Диффундировать могут как собственные атомы решетки (самоили гомодиффузия), как точечные дефекты структуры кристалла – междоузельные атомы и вакансии. Основные характеристики диффузионных слоев:
1)Поверхностное сопротивление RS и поверхностная концентрация
примеси Ns
2)Глубина залегания p-n-перехода xj или легированного слоя
3)Распределение примеси в легированном слое N(x,t)
Механизмы диффузии примесей – основные механизмы перемещения атомов по кристаллу:
1) Прямой обмен атомов местами – требует очень большого искажения решетки в этом месте и связанной с ним концентрации энергии в малой области. Поэтому данный процесс оказывается маловероятным,
как и кольцевой обмен.
2)Кольцевой обмен
3)Перемещение по междоузлиям
4)Эстафетная диффузия
5)Перемещение по вакансиям
6)Миграция по протяженным дефектам (дислокациям, дефектам упаковки, границам зерен)
Для диффузии примеси в полупроводнике наиболее существенны перемещения по междоузлиям и вакансиям. Обычно в кристалле полупроводника присутствуют два типа примесей — примеси внедрения и
примеси замещения. В первом случае механизм диффузии сводится к последовательному переходу примесного атома из одного междоузлия в другое; во втором — атом перемещается по вакансиям.
Разновидностью движения по междоузлиям является эстафетный механизм, когда атом, находящийся в междоузлии, выталкивает атом из узла решетки. В случае передачи последнему значительной энергии он может в свою очередь вытолкнуть из узла следующий атом.
Вакансии в кристалле являются термодинамически равновесными точечными дефектами, возникающими вследствие тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. В результате флуктуаций энергии в кристалле всегда найдется некоторое число атомов, энергия которых превышает среднюю. Такие атомы могут покинуть свой узел и перейти в междоузлие. При этом образуются два точечных дефекта: междоузельный атом и вакансия в узле, покинутом этим атомом (совокупность вакансия — междоузельный атом названа дефектом по Френкелю). На поверхности кристалла часть атомов также может обладать повышенной кинетической энергией, в этом случае происходит «испарение» атомов — переход в адсорбированное (дислоцированное) на поверхности состояние. Часть этих атомов может снова внедряться в решетку. Поскольку процессы «испарения» и об ратного внедрения независимы, количество дефектов — вакансий в кристалле на месте «испаренных» атомов и атомов, адсорбированных на поверхности, может быть различно, поэтому в кристалле может образоваться дополнительное количество вакансий. Поверхностный атом может полностью испариться и уйти из кристалла. В любом случае при испарении образуется единичный дефект — вакансия. Освободившиеся на поверхности места могут занять атомы из следующих по глубине слоев кристалла, в результате вакансии с поверхности продвигаются в глубь твердого тела (дефекты по Шоттки).
Механизм диффузии по вакансиям с образованием твердого раствора замещения — гетеродиффузия — аналогичен самодиффузии, иначе говоря,
процесс гетеродиффузии всегда сопровождается процессом самодиффузии.
Энергия связи для чужеродного атома в решетке всегда меньше, чем для основных атомов, поэтому гетеродиффузия преобладает над самодиффузией.
Образование вакансий около чужеродных атомов, таким образом, облегчается,
вследствие чего диффузия часто происходит в виде движения комплекса чужеродный атом — вакансия.
При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет 107–108 см–3. Однако с повышением температуры до 1000 ºС она возрастает до 1016–1018 см–3. При отклонении от равновесия концентрация вакансий увеличивается еще больше.
Примеси, создающие в полупроводнике тот или иной тип проводимости,
являются примесями замещения. Основные донорные примеси в кремнии — элементы V группы таблицы Менделеева: P, As, Sn. Акцепторные примеси — элементы III группы: B, Al, Ga, In. Большинство элементов, относящиеся к другим группам таблицы Менделеева (I, II, VI, VIII), образуют в Si растворы внедрения, т. е. диффундируют по междоузлиям. Поскольку им приходится преодолевать меньшие потенциальные барьеры, диффузия этих примесей осуществляется с большей скоростью.
В любом процессе диффузии, как правило, имеют место все перечисленные механизмы движения атомов. При гетеродиффузии, по крайней мере, один из атомов является примесным. Однако вероятность протекания этих процессов в кристалле различна.
Двухстадийная диффузия
В планарной технологии, а также в тех случаях, когда требуется получить хорошо контролируемую низкую поверхностную концентрацию или определенную глубину залегания p-n-перехода xj, диффузию осуществляют в две стадии. Вначале проводят короткую диффузию из неограниченного источника (загонка примесей). Поверхностная концентрация в первом приближении определяется предельной растворимостью и концентрацией диффузанта в стеклообразном слое примеси, появившемся на поверхности
пластин. Затем пластины вынимают из печи, удаляют стеклообразный слой и помещают в чистую печь для второй стадии диффузии – разгонки, проводимой обычно при более высокой температуре (D2t2 D1t1), т. е. при загонке выбирают температуру и время ниже, чем при разгонке. Характерные параметры: загонка – T1 = 900 – 1100 ºC, t1 = 5 – 30 мин; разгонка – T2 = 1000 – 1250 ºC, t1 = 20 – 180 мин.
Начало диапазона этих значений соответствует изготовлению высокочастотных и маломощных транзисторов и интегральных микросхем
(ИМС), имеющих мелкие структуры, конец – изготовлению мощных диодов,
транзисторов, тиристоров с глубокими переходами. Следует иметь в виду, что указанные значения T и t не относятся к случаю одностадийной диффузии.
Например, разделительная диффузия в эпитаксиальном слое при формировании ИМС с изоляцией p-n-переходом может проводиться при гораздо более высоких температурах и более длительное время, чем процесс загонки примесей в случае двухстадийной диффузии.
Принятые для расчетов приближения:
|
|
dN |
|
d |
2 |
N |
|
|
|
|
D |
|
. |
||||
|
|
dt |
dx |
2 |
||||
|
|
|
|
|||||
1. |
Уравнение диффузии |
|
|
решено для полуограниченного |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
тела, т. е. для такого тела, которое с одной стороны ограничено плоскостью x
= 0, а с другой простирается в бесконечность. Отметим, что глубина залегания p-n-переходов в полупроводниковых структурах чаще всего составляет 1 – 10
мкм и лишь в тиристорных структурах – десятки микрометров, тогда как толщина полупроводниковых пластин – 200 – 500 мкм.
2.Уравнение записано для случая диффузии в одном направлении,
решения этого уравнения для процессов загонки и разгонки –
|
|
|
x |
|
N x, t N erfc |
|
|
||
|
|
|||
1 |
|
|
|
|
s |
|
2 |
D t |
|
|
|
1 1 |
||
приближении.
N x,t Ns2 |
|
|
x2 |
|
exp |
|
|
||
|
||||
|
|
|
4D2t2 |
|
и |
|
|
|
получены в одномерном |
3.Коэффициент диффузии не зависит от концентрации примесей.
Заметная диффузия примесей в п/п наблюдается при температурах около
1000 °С. При температурах ниже 900 °С процесс диффузии является трудно воспроизводимым. Верхний температурный предел ограничен плавлением материала. Так как температура плавления кремния составляет 1410 °С, то температура диффузии могла бы быть не ниже 1380 °С. Однако при температуре выше 1200 °С в кремнии образуются термодефекты,
уменьшающие время жизни неосновных носителей заряда. Поэтому температурный интервал в производстве полупроводниковых приборов и ИМС чаще всего лежит в диапазоне 900 – 1200 °С (однако для получения глубоких переходов высоковольтных тиристоров может расширяться до 1380 °С). Время процесса при проведении диффузии составляет от нескольких минут при изготовлении мелких переходов ИМС до десятков часов при формировании мощных тиристоров. Слишком малое время диффузии может привести к плохой воспроизводимости процесса, большое время процесса – к
повышению себестоимости изделий как за счет сложности поддержания стабильной температуры в течение длительного времени, так и за счет увеличения длительности процесса изготовления приборов.
Преимущества двухстадийной диффузии:
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 давление паров диффузанта существенно ниже. Диффузант на поверхности полупроводника отсутствует. Все это повышает стойкость и защитные свойства окисла.