3.1. Процессы диффузионного легирования

Диффузионное легирование – основной способ введения примесей для создания ПП приборов и ИС.

В твердом теле диффузия – это процесс активируемого температурой перескока атома из одной потенциальной ямы в другую.

В объеме монокристаллического твердого тела при высоких температурах возникают точечные дефекты, такие, как вакансии и межузельные атомы. В тех случаях, когда существует градиент концентрации собственных или примесных атомов, наличие точечных дефектов оказывает влияние на перемещение атомов, т. е. на их диффузию. Диффузия в твердом теле может быть представлена как движение атомов диффузанта в кристаллической решетке за счет вакансий или межузельных атомов. На рис. 3.1 с помощью упрощенной двумерной кристаллической решетки с параметром решетки а схематически показаны основные атомные модели процесса диффузии. Собственные атомы, занимающие при низкой температуре узлы решетки, представлены светлыми кругами. Темные круги обозначают либо собственные, либо примесные атомы. При повышенной температуре атомы в узлах решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают достаточную энергию для того, чтобы удалиться от указанного положения в узле решетки, и становятся межузельными атомами, оставляя в решетке вакансию. Такой механизм диффузии, когда соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом кристалла, мигрирует на место вакансии, называется вакансионным (рис. 3.1, а). Если мигрирующий атом является собственным атомом, то процесс диффузии называют самодиффузией, а если примесным, – примесной диффузией.

Механизм диффузии, при котором атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, называется механизмом прямого перемещения атомов по междоузлиям (рис. 3.1, 6).

Рис. 3.1. Модели атомных механизмов диффузии для двумерной решетки (а - постоянная решетки) а - вакансионный механизм; б - межузельный механизм; в - механизм непрямого перемещения межузельной конфигурации (эстафетный механизм); г — краудионный механизм

Реализация этого механизма наиболее вероятна в случае диффузии атомов малых размеров. Энергия активации, необходимая для диффузии межузельных атомов, ниже энергии активации для диффузии атомов решетки по вакансионному механизму.

На рис. 3.1, показано движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом решетки и замещают его; вытесненный атом в свою очередь становится межузельным. Такое перемещение собственных или примесных атомов называют механизмом непрямого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом. С указанным механизмом непосредственно связан и краудионный механизм, при котором межузельный атом, расположенный посередине между двумя узлами решетки, перемещается к одному из них, смещая при этом атом, расположенный в узле. Вытесненный атом становится межузельным и занимает промежуточное положение решетке (рис. 3.1,г).

Установлено, что в кремнии диффузия примесей элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный радиус, относятся к быстродиффундирующим примесям в кремнии. Предполагается, что их диффузия происходит по механизму прямого перемещения атомов по междоузлиям. Однако эти простые атомные механизмы не являются адекватными для описания процессов диффузии в тех случаях, когда концентрация примеси достаточно высока, кристалл содержит дислокации или в решетке присутствуют другие примеси с высокой концентрацией.