Основные механизмы диффузии

1. Вакансионный механизм.

При повышенной температуре атомы
в узлах кристаллической решетки
колеблются. Если атом получит достаточную
энергию, он способен покинуть узел
кристаллической решетки. Появляется
вакансия, которую может занять атом
примеси. При комнатных температурах
количество вакансий мало, на 10¹⁵ атомов
полупроводника приходится одна вакансия.
С увеличением температуры до 1000° -
1200°С число вакансий становится сравнимо
с числом атомов полупроводника.
По вакансионному механизму происходит диффузия

Элементов III и V групп периодической системы.

2. Межузельный механизм.

Атомы примеси, имеющие малые размеры,

внедряются в полупроводник между узлов кристаллической

решетки. Атомы примеси как бы "продавливаются" между

атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки.

По данному механизму диффузия идет быстрее,

чем по вакансионному.

По межузельному механизму происходит диффузия

Элементов I, II, VI, VII, VIII групп периодической

системы.

В качестве легирующих примесей используют элементы III и V групп периодической системы. Это бор(В), фосфор (Р), мышьяк(As) и сурьма (Sb).

С помощью диффузии в полупроводник можно вводить примесь до концентраций, не превышающих предельную растворимость этой примеси при данной температуре. При t ≈ 1200° предельная растворимость борасоставляет 5 • 10²⁰ атомов/см³ ; фосфора - 1,3 • 10²¹ атомов/см³ ; сурьмы - 6 • 10¹⁹ атомов/см³, мышьяка - 2 • 10²¹ атомов/см³.

При изготовлении ИМС встречаются два случая диффузии:

1. Диффузия из бесконечного источника примеси -

когда количество атомов примеси, уходящее из поверхностного слоя вглубь полупроводника восполняется таким же количеством атомов примеси, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной.

2. Диффузия из ограниченного источника примеси -

когда количество атомов примеси, уходящее из поверхностного слоя вглубь полупроводника не восполняется. При этом поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.

Двухстадийная диффузия.

При обычных комнатных температурах диффузия в твердых телах практически не наблюдается. Диффузию в полупроводниках ведут при высоких температурах -1000°-1200°С.

Диффузию проводят в две стадии:

1. Первую стадию, называемую "загонкой", проводят при сравнительно невысоких температурах ( 950° - 1050°С ) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла (ФСС или БСС), под которым в процессе загонки создается приповерхностный слой с высокой концентрацией примеси в нем.

1 - маскирующий окисел

2- полупроводниковая пластина

3- примесно-силикатное стекло

4- диффузионная область после загонки

2. Вторую стадию, диффузионный отжиг, называемую "разгонкой", проводят, предварительно удалив примесно- силикатное стекло.

5- окисная плёнка, растущая при разгонке

6- диффузионная область после разгонки

Температура второй стадии выше - 1050° - 1230°С. Примесь, введенная на первой стадии, перераспределяется, поверхностная концентрация уменьшается за счет частичного ухода примеси вглубь пластины. Глубина проникновения примеси в полупроводниковую пластину увеличивается до заданной глубины. Создается требуемая диффузионная область.

Температура и длительность второй стадии диффузии определяется требуемой глубиной диффузионной области. Процесс ведут в окислительной среде. Растущая при диффузии примеси пленка SiO₂ защищает поверхность кремния от эрозии (в результате его возможного испарения ), от нежелательных химических реакций, от испарения, от

попадания посторонних частиц.

Способы проведения диффузии.

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой трубе. Кремниевые пластины (от 50 до 200 штук) загружают в кассете в кварцевую трубу через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с системой подачи газа- носителя.

Источниками примеси (диффузантами) являются твердые, газообразные, жидкие, стеклообразные соединения, в состав которых входит легирующий элемент. Примеси в элементарном состоянии для диффузии не применяют.

При проведении диффузии с использованием твердого источника применяют двухзонные печи.

1- газовая система

2 - источник примеси

3 - кварцевая труба

4 - п/п пластина

5 - нагреватель

6 - выходное отверстие

В низкотемпературной зоне помещают контейнер с порошком источника примеси ( В₂О₃ - борный ангидрид; Р₂О₅ - фосфорный ангидрид), в высокотемпературной зоне помещают кассету с пластинами.

Газ-носитель (смесь инертного газа и кислорода), поступая из системы подачи газа, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через выходное отверстие. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает молекулы источника примеси и переносит их в зону расположения пластин. Молекулы источника примеси адсорбируются на поверхности пластин. На поверхности идут химические реакции с освобождением элементарной легирующей примеси, которая и диффундирует в глубь полупроводниковой пластины:

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В ( 1 )

2 Р₂O₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р ( 2 )

При проведении диффузии с использованием газообразного источника

газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в кварцевую трубу смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь, которая диффундирует в глубь пластины.

Например, процесс диффузии фосфора при использовании фосфина РН₃ сопровождается реакциями:

4 РН₃ + 5 O₂ → 2 Р₂О₅ + 6 H₂ - в трубе

2 Р₂О₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р - на поверхности кремния

А процесс диффузии бора при использовании диборана B₂Н₆ сопровождается реакциями:

2 B₂Н₆ + 3 O₂ → 2 B₂О₃ + 6 H₂ - в трубе

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В - на поверхности кремния

Диффузия проводится в однозонной печи.

При проведении диффузии с использованием жидкого источника применяют однозонную печь.

Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и в зоне реакции, расположенной перед зоной диффузии, образуются оксиды соответствующих легирующих элементов:

В трубе: 4 POCl₃ + 3 O₂ → 2 P₂O₅ + 6 Cl₂

или

4 BBr₃ + 3 O₂ → 2 B₂O₃ + 6 Br₂

А на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь:

2 Р₂O₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р

или

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В ,

которая диффундирует в глубь пластины.

Преимуществами способа диффузии в открытой трубе являются легкая управляемость составом паро-газовой смеси и скоростью газового потока, атмосферное давление.

После проведения процесса диффузии контролируются следующие параметры:

1. глубина залегания диффузионной области,

2. удельное поверхностное сопротивление,

3. дефектность диффузионной области.

Тема: Ионное легирование

Урок

Механизм ионного легирования. Схема установки ионного легирования.

Ионное легирование - это процесс введения в полупроводник необходимых примесей в виде ионов.

Обладая большой энергией, ионы примеси проникают через поверхность полупроводника в его кристаллическую решетку. При каждом столкновении ионов с атомами полупроводника происходит передача энергии атомам полупроводника и торможение движущегося иона до тех пор, пока ион не остановится окончательно.

Если передаваемая ионом энергия превышает энергию связи атомов в решетке, атомы смещаются и покидают узлы решетки, в результате чего образуются вакансии и атомы в междуузлиях. Т.е. внедрение ионов приводит к появлению радиационных дефектов кристаллической решетки.

Чтобы кристаллическая решетка полупроводника была минимально нарушена и чтобы ионы вводимой примеси попали в узлы кристаллической решетки, полупроводниковые пластины непосредственно после ионного легирования подвергают отжигу. Наиболее часто применяется термический отжиг кремния в инертной среде при температурах 600° - 800°С в течение 10-20 мин. При этих температурах нарушенная ионным легированием кристаллическая решетка восстанавливается, а ионы вводимой примеси попадают в узлы кристаллической решетки, становясь электрически активными и начиная выполнять роль доноров или акцепторов.

Методом ионного легирования формируют различные элементы ИМС. Атомы электрически активных примесей образуют в полупроводниковой пластине области р-или n- типа электропроводности.

Как и диффузия, ионное легирование бывает тотальным ( примесь внедряется во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок) и локальным (примесь внедряется в участки полупроводниковой пластины, не защищенные маскирующей пленкой). В качестве маски используют пленки SiO₂; Si₃N₄; фоторезиста.

Для получения ионов основных легирующих примесей используют Р, As, Sb, BF₃, ВВr₃, ВСl₃ и другие вещества.

Схема установки ионного легирования.

1 - ионный источник 5 - сканирующая система (или

2 - ускоряющая и фокусирующая системы дефокусирующие линзы)

3 - диафрагмы 6 - измеритель ионного тока

4 - масс-сепаратор 7 - п/п пластина

8 - подложкодержатель

Ионное легирование проводится в вакуумных установках серии "Везувий".

Ионный источник служит для получения ионов легирующей примеси.

Ускоряющая система служит для сообщения ионам необходимой энергии.

Фокусирующая система предназначена для получения ионного пучка необходимого диаметра.

Масс-сепаратор предназначен для разделения ионов по массам для отсева ионов других примесей.

Сканирующая система предназначена для перемещения пучка по поверхности подложки.

Урок