Закономерности и механизмы диффузии в полупроводниковых и планарных структурах.

В современной техно­логии изготовления полупроводниковых ИМС и БИС легирование полупроводников является одним из базовых процессов. Неуклон­ное повышение быстродействия и степени интеграции ИМС, как биполярных, так и МДП-ИМС, достигается постоянным уменьше­нием геометрических размеров полупроводниковых структур за счет совершенствования методов локального легирования полупроводни­ков при соответствующем повышении качества и разрешающей способности методов литографии.

По признаку общности физических явлений и технологиче­ских приемов современные методы легирования можно подраз­делить на следующие группы:

а) высокотемпературная диффузия;

б) ионная имплантация;

в) радиационно-стимулированная диффузия.

Для каждой группы характерно использование специализиро­ванного технологического оборудования, обеспечивающего про­ведение процесса в строго контролируемом режиме. Поскольку основные характеристики ИМС определяются параметрами р-n -переходов и легированных областей, которые зависят от распреде­ления примесей в структурах при легировании, к процессам леги­рования предъявляют жесткие требования по прецизионности геометрических размеров легированных областей и точности рас­пределения концентрации примеси. Это, в свою очередь, обус­ловливает требования к технологическим режимам процессов легирования по обеспечению заданного распределения введенной примеси.

Диффузия в твердых телах. Механизмы диффузии.

Диффузия - это обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации.

При диффузии в кристаллах различают перемещение примесных атомов (гетеродиффузия) и атомов данного твердого тела (самодиффузия).

Скорость диффузии зависит от градиента концентрации атомов. Чем больше градиент концентрации, тем интенсивнее перемещение атомов.

Диффузия атомов в кристаллической решетке осуществляется отдельными скачками из одного положения равновесия в другое. Длинны элементарных перемещений имеют порядок межатомных расстояний. За счет скачков атомы могут перемещаться на большие расстояния.

Возможны три механизма атомных скачков:

а) взаимный обмен местами;

б) движение по вакансиям;

в) движение по междоузлиям.

а) Обмен местами – это простейший акт диффузии, при этом в плотноупакованной структуре атом должен преодолеть большой потенциальный б арьер, что обуславливает необходимость смещения соседних атомов. При кольцевом обмене перемещаются несколько атомов. Здесь потенциальный барьер меньше чем в первом случае, но вероятность осуществления такого диффузионного механизма резко уменьшается с ростом числа атомов в кольце, т.к. при этом увеличивается суммарная энергия элементарного атомного перемещения.

б) Диффузия по вакансиям:

в начале образуются вакансии, атом примеси вводится в подложку, попадает в вакансию и последовательно скачками перемещается по вакансиям.

в) Диффузия по междоузлиям:

П римесной атом перемещается по междоузлиям пока не попадает в вакансию.

В прмесной диффузии преобладающую роль играют механизмы диффузии по вакансиям и междоузлиям, причем вакансионный механизм доминирует при «низких» температурах (800-950^оС), а междоузельный при «высоких» (1100-1200^оС).

Возможны несколько видов диффузии:

1. смещение атома из поверхностного или приповерхностного узла на поверхность с образованием дефектов по Шотки.

2. диффузия по поверхности монокристалла или одного зерна – это поверхностная однофазная диффузия.

3. образование структуры Шотки и диффузия по границам многих зерен – это поверхностная многофазная диффузия.

4. образование структуры Шотки и диффузия по внутренним, закрытым порам, трещинам и дислокациям – это внутрифазная диффузия.

Вакансии и междоузлия – дефекты I рода, дислокации и границы зерен относят к дефектам II рода.

Все виды диффузии по дефектам II рода требуют меньшей энергии активации, чем по дефектам I рода, при этом соблюдаются закономерности: при высоких температурах, когда тепловое движение помогает преодолению потенциальных барьеров течение диффузии мало зависит от дефектов II рода, преобладает диффузия по дефектам I рода, с уменьшением температуры диффузия по дефектам I рода замерзает и преобладает диффузия по дефектам II рода.

Скорость диффузии примесных атомов в металлах и полупроводниках обратнопропорциональна их растворимости.

Если атомы растворителя и растворяемого вещества идентичны, то примесь проникает в кристаллическую решетку в основном по вакансиям, замещая узлы растворителя. В результате образуется твердый раствор замещения, и примесные атомы обладают большой растворимостью.

В том случае, когда атомы разнородны и растворяемый атом не может замещать узел или удержаться там вследствие слабой химической связи, диффузия идет в основном по междоузлиям. Это более быстрый механизм, но в междоузельном пространстве может разместиться значительно меньше атомов, чем в вакансиях, что обусловливает малую растворимость. Поэтому можно полагать, что в полупроводниках типа кремния элементы III группы (Периодической системы Д. И. Менделеева) лучше растворимы, чем элементы II группы, которые, в свою очередь, обладают большей растворимостью, чем элементы I группы. Внутри группы максимальная растворимость характерна для более легких элементов.

Известно, что элементы III группы быстрее диффундируют в кремнии, чем в германии, а элементы V группы — наоборот. Это можно объяснить взаимодействием атомов примесей и вакансий и размерами диффундирующих атомов. Установлено, что вакансии в германии и кремнии являются акцепторами. Будучи заряженными, они вступают в кулоновское взаимодействие с диффундирующими ионами примеси, если этому способствуют размеры атомов. В германии преобладает кулоновское взаимодействие, и доноры диффундируют быстрее, чем акцепторы. В кремнии, наоборот, основным является различие в размерах между примесными ионами и атомами решетки, вследствие чего акцепторы диффундируют быстрее доноров.