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

В случае проведения диффузии из неограниченного источника примесей

(загонка примесей) на поверхности полупроводниковых пластин (x = 0)

поддерживается постоянная концентрация примесей, т. е. N (0,t) = Ns = const

при любом времени проведения диффузии. В литературе этот способ проведения диффузии имеет различные названия: диффузия при постоянной концентрации примесей на поверхности, диффузия из источника неограниченной мощности и др.

Профиль распределения концентрации примесей по глубине кристалла после проведения процесса диффузии в течение времени t1 при постоянном коэффициенте диффузии D1 (постоянной температуре процесса) описывается с помощью распределения по дополнительной функции ошибок (erfc-

распределения)

Нормализованные распределения концентрации для функции Гаусса

идополнительной функции ошибок (erfc) в масштабах:

а– полулогарифмическом, б – линейном

Глубина залегания p-n-перехода xj (металлургическая граница p-n-

перехода) определяется как расстояние от поверхности в глубь полупроводника, на котором концентрация введенных примесей N(x,t) равна концентрации примесей в исходном полупроводнике Nисх, т. е. при x = xj N(xj,t)

= Nисх.

Количество диффузанта Q, см–2, введенное в полупроводниковую пластину за время проведения диффузии t1 при температуре диффузии Т1 и

отнесенное к единице площади диффузионного слоя (доза примеси),

определяется выражением

В реальных структурах Ns1 может достигать при температуре предельной растворимости, равной 1019 – 1020 см-3 при значении Nисх равной

1014 – 1016 см-3. Поэтому удобно изображать в полулогарифмическом масштабе.

Профили распределения концентрации примесей при загонке: а – постоянная температура; б – постоянное время диффузии; в – постоянное

произведение

D1t1 – «длина диффузии», на которой концентрация примесей уменьшается по сравнению с поверхностной в е раз за время диффузии t1.

Распределение примесей не изменится, т.к. если D1 увеличится в n раз, то t1

уменьшится в n раз. Технологический процесс диффузии примесей в п/п

характеризуется не отдельно температурой или временем, а обобщенным параметром D1t1. С теоретической позиции безразлично, какой из параметров изменяется: T1, t1 или оба. С практической – удобнее поддерживать постоянной температуру T1, что соответствует выводу на определенный температурный режим диффузионной печи, а для достижения необходимой глубины залегания p-n-перехода следует изменять время процесса t1. При разработке технологического процесса следует иметь в виду, что на глубину залегания p-

n-перехода сильнее влияет изменение температуры (т.к. D ~ exp(T)), чем времени.

Характерные параметры: T1 = 900 – 1100 ºC, t1 = 5 – 30 мин.

34. Распределение примесей при диффузии. Стадия «разгонки» (перераспределение примесей).

В случае проведения диффузии из ограниченного источника примесей

(разгонка примесей) происходит диффузия примесей в п/п пластину из тонкой диффузионной области, сформированной в приповерхностном слое полупроводника на первом этапе диффузии, а приток диффузанта извне отсутствует. Этот способ проведения диффузии в литературе имеет различные названия: диффузия из бесконечно тонкого слоя, из источника с ограниченным содержанием примесей, из поверхностного источника ограниченной мощности.

Распределение концентрации примесей в диффузионном слое

описывается функцией Гаусса:

где Q – количество атомов, введенное при загонке, см-2; D2 –

коэффициент диффузии, соответствующий температуре проведения диффузии при разгонке примесей Т2; t2 – время разгонки примесей; Ns2 –

поверхностная концентрация примесей, см-3.

Ns2 соответствует значению концентрации примесей N(0,t2) по окончании процесса разгонки, происходящего при температуре T2 в течение времени t2. Вид профиля распределения концентрации примесей,

описываемого функцией Гаусса:

Профили распределения концентрации примесей при разгонке: а – постоянная

температура; б – постоянное время диффузии; в – постоянное произведение

Диффузию примесей из ограниченного источника Q можно рассматривать как процесс перераспределения примесей, введенных на первом этапе диффузии при постоянной поверхностной концентрации Ns1.

Распределение примесей в полупроводниковых структурах,

изготовленных методом двухстадийной диффузии при последовательных процессах загонки и разгонки в полупроводниковом материале с Nисх = const,

определяется поверхностной концентрацией Ns1 на этапе загонки примесей,

коэффициентами диффузии D1 и D2 и временем проведения диффузионных процессов t1 и t2 на этапах загонки и разгонки примесей. При прочих равных условиях увеличение времени загонки примесей t1’ > t1 приводит к увеличению количества диффузанта Q. Поэтому увеличение времени разгонки будет слабее влиять на поверхностную концентрацию Ns2. Для соблюдения условий диффузии из тонкого слоя, а следовательно, для справедливости применения формулы, необходимо выполнение неравенства D2t2 D1t1, т. е.

необходимо, чтобы глубина залегания p-n-перехода после разгонки примесей xj2 оказалась в несколько раз (в 3–4 раза) больше глубины залегания перехода после загонки xj1.

Профили распределения концентрации примесей при разной продолжительности загонки примесей: а – время загонки мало; б – время

загонки велико

Характерные параметры: T2 = 1000 – 1250 ºC, t1 = 20 – 180 мин.