2.3. Диффузия из конечного ( ограниченного ) источника.
Источником примеси в данном случае является высоколегированный поверхностный слой полупроводника, полученный путем диффузии их неограниченного источника. Приток примеси извне и испарение ее в окружающее пространство отсутствует и поэтому граничное условие при Q=const можно записать как
Предположив, что все количество примеси, введенное при диффузии из бесконечного источника, сосредоточено в приповерхностном слое толщиной h, а распределение примеси в этом случае равномерное, полное количество примеси, введенное в полупроводник будет равно
Q = Ns h (2.13)
а начальные условия для решения уравнения (2.8) могут быть записаны как
Если толщина h мала по сравнению с длиной диффузии примесных атомов Dt, то x < Dt/h и t > h2/D. В этом случае уравнения (2.8) имеет вид
(2.14)
Выражение (2.14) представляет собой распределение Гаусса и показывает распределение концентрации примеси в зависимости от глубины диффузии и времени процесса. Поверхностная концентрация Ns(t) в момент времени t определяется выражением
(2.15)
т.е. с течением времени она уменьшается.
2.4. Методы осуществления диффузии.
Источником примеси в процессе диффузии являются соединения (диффузанты), содержащие легирующий элемент. В зависимости от состояния при нормальной температуре различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты. В табл.1 приведены характеристики диффузантов.
Существуют различные методы и способы проведения диффузионных процессов. Наиболее широкое распространение получили методы закрытой трубы и открытой трубы.
По методу закрытой трубы полупроводниковые пластины и твердый источник примеси помещают в кварцевую ампулу, которую либо откачивают до давления 1,33.10-2Па, либо заполняют инертным газом и после этого запаивают. Затем ампулу помещают в печь, нагретую до заданной температуры диффузии (700 - 1250оC).
По методу открытой трубы при диффузии из твердого источника используются двухзонные печи. Источник примеси, помещенный в низкотемпературную зону, испаряясь захватывается газом-носителем (аргон, азот), и пары примеси переносятъся в высокотемпературную зону, где находятъся пластины.
Общим недостатком твердых диффузантов является трудность регулирования давления паров и, как следствие, пониженная воспроизводимость результатов. Кроме того, они требуют высокой температуры источника, что усложняет и удорожает оборудование.
Широкое распространение получили жидкие диффузанты, обладающие высокой упругостью пара при низких температурах. Это позволило вынести источник за пределы диффузионной печи и применить более простые однозонные печи. Для переноса паров диффузанта в зону диффузии используют аргон,азот и другие газы,не взаимодействующие с кремнием и практически не диффундирущие в него.
Для насыщения парами диффузанта транспортирующий газ пропускают либо над поверхностью диффузанта, либо через диффузант, в зависимости от требуемой концентрации. При постоянном расходе газа концентрация диффузанта в нем регулируется температурой источника. В установке предусмотрена подача кислорода в смеси с транспортирующим газом для создания на поверхности защитной пленки при разгонке примеси.
Широко используются в практике газообразные диффузанты. Источником диффузанта в этом случае служит баллон со сжатым газом, регулирование концентрации достигается более простыми средствами и результаты диффузии характеризуются высокой воспроизводимостью.
Таблица 1
Различные диффузанты для кремния
|
Диффузант |
Состояние |
Тисп,С |
Общая характеристика |
|
Борный ангидрид (B2O3) |
тв |
600-1200 |
Управление затруднено |
|
Бромид бора (BBr3) |
ж |
10-30 |
Легкое управление |
|
Диборан (B2H6) |
газ |
15-25 |
Высокая токсичность |
|
Окись фосфора (P2O5) |
тв |
200-300 |
Чувствительный к парам воды |
|
Хлорокись фосфора (POCl3) |
ж |
2-40 |
Управление удовлетворительное |
|
Фосфин (PH3) |
газ |
15-25 |
Токсичен |
|
Арсин (AsH3) |
газ |
15-25 |
Токсичен |
Достаточно перспективным является реализация процесса диффузии используя примесные покрытия, предварительно сформированные на поверхности пластины. Это позволяет избежать многих недостатков, присущих методам с использованием внешних источников примеси. В качестве примесных покрытий обычно применяют легированные окислы SiO2, содержащие малые количества Al2O3, Ga2O3 и др, которые получают методами газотранспортных реакций, пиролиза металлоорганических соединений, реактивного распыления в окисляющей атмосфере и осаждением из растворов. После нанесения необходимого легированного окисла на поверхность пластины, покрытой нелегированным окислом (барьер), проводят отжиг при температуре (1100 1)оС в атмосфере азота. Профили распределения примесей, введенных из легированных окислов, хорошо аппроксимируются дополнительной функцией ошибок.
Таблица 2
Данные для расчета диффузии примесей в кремний
|
Элемент |
N0 (ат/см3) |
D(см2/с) |
Do (см2/с) |
Eакт (эВ) |
T (K) |
Тип |
|
Бор |
5.1020 |
2.10-12 |
7 |
3,7 |
1200 |
р |
|
Алюминий |
2.1020 |
1.10-11 |
6 |
3,5 |
1150 |
р |
|
Галлий |
4.1019 |
3.10-12 |
3,6 |
3,9 |
1250 |
р |
|
Индий |
2.1019 |
8.10-13 |
16 |
3,9 |
1300 |
р |
|
Фосфор |
1.1021 |
3.10-12 |
10,5 |
3,7 |
1150 |
п |
|
Мышьяк |
2.1021 |
3.10-13 |
0,32 |
3,9 |
1150 |
п |
|
Сурьма |
6.1019 |
2.10-13 |
5,6 |
4,0 |
1300 |
п |
|
Золото |
1.1017 |
1.10-6 |
0,001 |
1,7 |
1300 |
амф |