2.17 Диффузия в полубесконечное тело из ограниченного источника.

Этот случай соответствует условиям, когда в тонком приповерхностном слое создана избыточная концентрация примеси C₀, количество которой непрерывно уменьшается в процессе термообработки, тогда как концентрация примеси на глубине постепенно увеличивается.

Граничные условия в этом случае можно представить в виде

Решение уравнения диффузии имеет вид функции Гаусса

Изменение поверхностной концентрации зависит как от температуры процесса, так и от его продолжительности

Глубина залегания p-n-перехода при диффузии в подложку с концентрацией примесей C_B определится аналогично предыдущей формулой

Приведенные рассуждения и расчеты были основаны на предположении, что D = const или по крайней мере не зависит от концентрации легирующей примеси. Необходимо заметить, что такое допущение не всегда верно и решение уравнения (5.4) оказывается более сложным. чем функция дополнительной ошибки или распределение Гаусса (5.9). Часто такое решение вообще трудно найти в точной аналитической форме и приходится использовать численные методы

2.18 Традиционная схема проведения процесса термодиффузии 2 Стадии процесса

Как уже отмечалось, традиционно процессы формирования диффу­зионных областей проводят в две стадии. Это, с одной стороны, позволяет более тщательно управлять процессом, корректируя условия проведения второй стадии для достижения заданных параметров созда­ваемой структуры, а с другой стороны, дает возможность решить про­блемы техники безопасности при работе с токсичными примесями.

Первая стадия процесса - загонка, т.е. введение примесей в припо­верхностные слои из внешних источников, например из газовой фазы, может быть осуществлена одним из трех методов:

• диффузией в замкнутом объеме (в запаянной ампуле);

• диффузией в открытой трубе в потоке газа-носителя;

• диффузией в составном кварцевом контейнере (полузакрытом боксе).

При проведении процесса в замкнутом объеме (рис.5.3) пластины,

например кремния, помещают вместе с некоторым количеством вещества, выбранного в качестве источника легирующей примени, в кварцевую ампулу, которую затем откачивают до давления 10^-2 - 10^-3 Па и запаивают. В некоторых случаях ампулу перед запаиванием заполняют инерт­ным газом. Затем ампулу помещают в печь, нагретую до необходимой температуры, причем кремниевые пластины и источник легирующей примеси располагают в разных температурных зонах. В условиях вакуума и высокой температуры примеси испаряются и после адсорбции на поверхности подложек диффундируют в приповерхностные слои.

Этому методу присущи следующие недостатки:

• затруднен контроль поверхностной концентрации примесей;

• происходит большой расход дорогостоящего кварца;

• процесс довольно трудоемкий, на подготовку ампул затрачивается большое количество времени, а после проведения процесса ампула раз­ бивается. Иногда происходят взрывы во время самого процесса из-за высокого давления паров примесей;

• любое постороннее вещество, попавшее в ампулу, также неиз­ бежно окажется на поверхности кремниевой подложки.

Метод диффузии примеси в открытой трубе в потоке газа-носителя (рис.5.4) лишен свойственных первому методу недостатков. В этом про­цессе имеются две температурные зоны: одна (более холодная) - для источника примеси, другая (высокотемпературная) - для подложек. Регулирование температуры в первой зоне и скорости потока газа-носителя позволяет контролировать скорость испарения примеси. В состав газа-носителя, например азота или аргона, вводят окислитель -кислород, для предотвращения эрозии поверхности пластин.

Вторая стадия процесса заключается в термообработке структур, изготовленных на первой стадии, и направлена на перераспределение введенной легирующей примеси. Она осуществляется в диффузионных печах в почти инертной атмосфере и не содержащей источников леги­рующей примеси. Кроме того, помимо инертного азота или аргона в газовую смесь вводят окислитель, например, кислород.