15 Впровадження домішки у напівпровідник шляхом термічної дифузії

Для надання окремим, топологічно визначеним ділянкам напівпровідникової пластини відповідних електрофізичних властивостей при виготовленні мікросхем застосовується термодифузія.

Якщо в кремній ввести п`ятивалентний елемент ( наприклад: фосфор, стибій ), то чотири з п`яти електронів вступлять у зв`язок з чотирма \електронами сусідніх атомів кремнія і утворять оболонку з 8-и електронів. Дев`ятий електрон легко відривається від ядра п`ятивалентного елемента і стає вільним.(Атом домішки перетворення в нерухомий іон із зарядом плюс) Ці вільні електрони додаються до власних вільних електронів. Тому провідність стає електронною. Такі провідники називаються електронними або провідниками n – типу. Домішки, які обумовлюють таку провідність називаються донорними (вони„віддають” електрони в гратку) - див. рис. 1.

Рис. 1. Заміщення атомами домішок основних атомів решітки. а) донорна домішка (утворюється вільний електрон); б) акцепторна домішка (утворюється вільна дірка)

Якщо ввести в кремній атом тривалентного елемента ( наприклад: барію, галію або алюмінію ), то всі його три валентні електрони вступлять у зв`язок з чотирма електронами сусідніх атомів кремнію.

Для утворення стійкої восьмиелектронної оболонки потрібний додатковий електрон. Такий електрон відбирається від найближнього атома кремнія. В результаті утворюється незаповнений зв`язок – дірка, а атом домішки перетворюється в нерухомий іон з одиничним від`ємним зарядом. Такі напівпровідники називають «дірковими» або p – типу.

Процес введення домішки найчастіше проводиться методом термодифузії.

Для інтенсифікації процесу пластина підігрівається до вис. температури. Теоретичною основою процесу дифузії є два закони Фіка.

Практичні способи проведення дифузії

Дифузійне введення домішок в напівпровідник вперше був використаний для створення p – n переходів. Цей спосіб використовується і зараз. Розроблено багато різних способів проведення дифузії. Найбільш широке застосування в планарній технології знайшов спосіб дифузії домішок в кремній в потоці газу – носія (або спосіб відкритої труби). Як джерело дифузантів можуть використовуватися рідкі або газоподібні речовини. Схема установки показана на рисунку

Схема установки дифузії в потоці газу – носія для рідких ( а ) і газоподібних ( б ) джерел домішки:

1 – трубчата піч; 2 – кварцова труба; 3 – підкладки; 4 – посудина з рідким джерелом

домішки.

Для випаровування рідкого джерела домішки достатньо підтримувати його температуру в інтервалі 20 – 40 С.

16 Впровадження домішки у напівпровідник шляхом іонної імплантації

Метод іонного впровадження заключається в тому, що на поверхні напівпровідникової підкладки визначеної орієнтації подається пучок прискорених іонів домішки. При цьому використовують спеціальні гармати, в яких атоми домішки іонізуються і прискорюються в електричному полі до високих енергій. Іони проникають в глибину пластини.

Розглянемо якісну картину імплаптації. Прискорені іони зіштовхуються з електронами та атомами напівпровідника і гальмуються. Згідно теоретичної моделі процесу іонний пучок, який падає на поверхню кристалу розкладається, на два: безладний та каналувальний.

Безладний (невпорядкований) пучок має частинки, які ударяються об поверхню кристала поблизу регулярних атомів кристалічної гратки, на відстані, яка менша деякої критичної. Взаємодіючи з цими атомами, іони сильно розсіюються.

Каналувальний пучок складається з частинок, які не мають зіштовхувань з поверхневими атомами, можуть далі рухатися. Як тільки іон попадає в канал, то на нього починають діяти потенційні сили

атомних рядів і направляти його в центр каналу. Завдяки цьому іон досить глибоко проникає в підкладку. Це призводить до появи «хвостів» концентрації атомів домішки і «хвостів» концентрації вільних носіїв заряду.

Зменшити вплив цього ефекту можна при зміні кута нахилу пучка іонів щодо підкладки

Т акі установки забезпечують глибину залягання р - n переходів до 0,2 - 0,4 мкм

Переваги методу іонного легування такі: забезпечується відтворення точної дози суміші при бомбардуванні; досягається висока точність контролю глибини залягання р-п- переходу ( до 0.02 мкм ); змешується тривалість проведення процесу до кількох хвилин при груповому завантаженні установки; існує можливість створювати будь-які профілі розподілу домішки ; формуються приховані леговані шари; забезпечується суміщення процесу в єдиній технологічній установці з іонно-плазмовим осадженням, іонним травленням та іншими операціями.

Серед недоліків і обмежень методу іонного легування слід виділити такі:

- необхідність проведення відпалу пластин при Т=800°С для відновлення порушеної структури і для переведення впровадженої домішки в активний стан; складність відтворення глибоких легованих ділянок; складність керування іонно-променевими установками зниження якості обробки пластин великих діаметрів через розфокусування відхиленого променя.

Методи імпульсного іонного і лазерного легування.

Існуючі недоліки установок для іонного легування, усуваються при використанні імпульсного іонного легування матеріалів. Для цього, останнім часом, почали використовувати лазерно-плазмові джерела іонів. Формування іонного пучка проходить на великих, в порівнянні з початковим розміром плазми, віддалях від мішені. Імпульсний режим роботи сучасних лазерних систем достатньої потужності визначає імпульсний характер лазерної плазми. При легуванні напівпровідникова пластина опромінюється імпульсами іонного струму.

Цей метод розширює можливості легування і знаходить широке застосування при виробництві ВІС і НВІС. Метод базується на взаємодії лазерного випромінювання, з речовиною плівки, нанесеної на поверхню напівпровідникової підкладки. При цьому плівка, яка поглинула випромінювання, нагрівається. Можна нагріти і розплавити тонкий шар металу і напівпровідника протягом мікросекунд чи навіть пікосекунд.