Диффузионное легирование кремния
Диффузия - это обусловленный хаотическим тепловым движением перенос атомов, он мо- жет стать направленным под действием гради- ента концентрации или температуры. Диф- фундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в полупроводнике (примесная или гетеродиффузия), а также точечные де- фекты структуры кристалла - междоузельные атомы и вакансии.
Назначение диффузии:
формирование базовых и эммитерных областей и резисторов в биполярной технологии,
создание областей истока и стока в МОП технологии, для легирования поликристаллического кремния.
Способы диффузии:
диффузия из химического источника в парообразной форме при высоких температурах,
диффузия из легированных окислов,диффузия из ионно-имплантированных слоев с
последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).
Основные характеристики диффузионных слоев:
-поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;
-глубина залегания p - n-перехода или легированного слоя;
-распределение примеси в легированном слое.
К основным механизмам диффузии относят:вакансионный,прямое перемещение по междоузлиям,
эстафетный (непрямое перемещение по междоузлиям),
краудионный,диссоциативный.
Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму.
Элементы 1 и 7 группы - по междоузельному.
Вакансионный механизм диффузии
При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет 107 - 108 см–3. Однако с повышением температуры до 1000 С она возрастает до 1016 - 1018 см–3
Вакансионный - это такой механизм, когда мигрирующий атом (примесный или собственный) мигрирует на место вакансии, освобождая свое место в узле кристаллической решетки
Для того чтобы атом мог перейти на место вакансии, он должен преодолеть некоторый потенциальный барьер. Вероятноcть такого перехода пропорциональна exp(–U/kT), где U - высота барьера. Кроме того, необходимо, чтобы вблизи атома оказалась вакансия. Таким образом, вероятность перехода атома из одного узла решетки в другой по вакансионному механизму должна определяться произведением вероятности преодоления потенциального барьера на вероятность обнаружения вакансии рядом с атомом. Последняя пропорциональна , где W - энергия образования вакансии.
Величина E U W |
называется энергией |
активации процесса диффузии. |
|
Эстафетный механизм диффузии
В отличие от междоузельного механизма диффузии, примесные атомы внедряются в узлы кристаллической решетки, вытесняя при этом собственные атомы в междоузльное пространство.
Диффузия по междоузлиям
Данный механизм сопровождается переходом мигрирующего атома (как правило примесного) из одного положения в другое, без его локализации в узлах кристаллической решетки.
Краудионный механизм диффузии
Данный механизм тесно связан с эстафетным.
При этом междоузельный атом, расположенный посередине между двумя узлами решетки, перемещается к одному из них, смещая атом, расположенный в узле. Вытесненный атом становится междоузельным и занимает промежуточное положение в решетке.
Диссоциативный механизм диффузии
Данный механизм связан с распадом комплексов молекул и диффузией составляющих их компонент (атомов или ионов) в кристаллической решетке.