.

Диффузия примеси полупроводников

  Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой темпе­ратурой.
Атомы электрически активных примесей, проходя через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n-типа электро­проводности. Методом диффузии формируют активные, пас­сивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локаль­ную диффузию с применением защитных масок из диэлектри­ческих пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.
Возможны четыре механизма диффу­зии:

  •  вакансионный
  •  межузельный
  • эстафетный
  •  краудионный

Вакансионный механизм обуслов­лен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакан­сий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равно­весного положения. Время от времени они приобретают энер­гию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и стано­вятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Сосед­ний атом, будь то атом примеси или собственный атом полу­проводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным, то происходит самодиффузия, а если примесным - примес­ная диффузия.

При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наи­более вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоуз­лиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах. Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то такой механизм перемещения соб­ственных или примесных атомов называют механизмом непря­мого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом. Если межузельный атом вытесняет атом, находя­щийся находя­щийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называется краудионным.

Диффузия в кремний 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), их диффузия происходит по механизму прямого пере­мещения атомов по междоузлиям.

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В качестве легирующих примесей используют элементы Ш и V групп периодической системы. Для кремния — это бор (В) — акцепторная примесь, создающая области р-типа электро­проводности, фосфор (Р), мышьяк (As) и сурьма (Sb) — донорные примеси, создающие области n-типа. Акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные из-за меньшего ионно­го радиуса. Количество примеси, которое можно ввести в плас­тину, не превышает ее предельной растворимости при данной температуре в кремнии (см. табл.).

Примесь Максимальная растворимость, ат/см-3 Температура, 0С
Алюминий 1019-1020 1150
Бор 5.1020 1200
Фосфор 1,3.1021 1150
Сурьма 6.1019 1300
Мышьяк 2.1021 1150
Золото 1012 1300

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых приме­сей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых плас­тин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств актив­ных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного ре­актора неконтролируемых примесей.

Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные.

Так, источниками бора служат: твер­дые — В203 и Н3В03, жидкий ВВг3, газообразные — галогениды бора ВС13, BF3, ВI3 и диборан В2Нб. Источниками фосфора являются: твердые – P2O5, фосфаты аммония NH4H2PO4 и (NH4)2HP04, изредка элементар­ный красный фосфор, жидкие - РОС13, РВr3 и РС13, газообраз­ный — фосфин РН3. В качестве источников мышьяка применяют: твердые - порошок кремния, легированный мышьяком до предела раст­воримости, оксид мышьяка As2O3 и газообразный AsH3. Для диффузии сурьмы используют твердые источники -триоксид сурьмы Sb203, газообразный SbH3 (стибин).

Измельченные частицы твердых источников помещают в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора. Для подачи жидких источников в зону диффузии используют специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реак­тор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом-носите­лем в заданных пропорциях. Основным недостатком при исполь­зовании газообразных диффузантов является их токсичность, в связи с чем необходимы специальные конструкции герметич­ных реакторов. Однако при использовании газообразных диф­фузантов легче дозировать количество вводимой примеси и получать более высокую равномерность легирования.

Находят применение также поверхностные источники при­меси — слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверх­ность полупроводниковых пластин из жидких растворов -эмульситонов.

В последнее время в качестве источников примеси исполь­зуют пластины из материалов, содержащих легирующую при­месь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры, что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота с кислородом. С течением времени поверхность источников покрывается слоем оксида, препятствующего испарению при­меси. Поэтому их периодически подвергают регенерации. Ис­пользование пластин-источников позволяет получать высокую равномерность легирования поверхности рабочих пластин. При взаимодействии с поверхностью пластин источник примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверх­ности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным, токсичным, взрывоопасным.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО ИСТОЧНИКОВ При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников. Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине р-n-перехода При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей. При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (см.рис.), кото­рое увеличивает размеры диффузионной области на Dl и влияет на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерами окон ширина p-n-переходов может быть завышена и неодно­родна по пластине. Значения Dl могут достигать 0,8 xj.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n переходов используются 2 метода введения примесей:

  • - термическая диффузия
  • - ионная имплантация (легирование)

Диффузия – это направленное движение атомов, возникшее под действием градиента концентрации или температуры. В зависимости от условий протекания массы переноса, выделяют:

- взаимодиффузия (просто диффузия), которая наблюдается при наличии градиента концентрации или градиента химического потенциала.

- самодиффузия, протекает в отсутствие градиента.

Основные характеристики диффузных слоев:

  • глубина сопротивления, глубина залегания p-n перехода или легирующего слоя
  • поверхностное сопротивление или поверхностная концентрация примесей
  • распределения примесей в легируемом слое

Примеси, создаваемые в проводнике тот или иной тип проводимости, являются примесями замещения. Основными донорными примесями в кремнии являются элементы 5 группы таблицы Менделеева. Акцепторные элементы - 3 группы. Большинство других образуют кремниевые растворы внедрения, то есть диффузирует по междоузлиям. Математическое описание диффузионных процессов применительно к идеальным газам и растворам предложено Фиком.

Диффузия в твердых телах также подчинятся этим законам.

1 закон Фика устанавливает связь между плотностью потока диффузирующего вещества и градиентом концентрации - в одном направлении Х (в одномерном приближении) D – коэффициент диффузии c – концентрация атомов примеси х – направление

Знак минус в данном направлении указывает на то, диффузионный поток направлен в сторону убывания концентрации. Коэффициент диффузии определяет плотность потока атомов вещества при заданном градиенте концентрации, так как диффузионный поток атомов вещества идет в направлении выравнивания перепада концентрации, то коэффициент D является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций. Эта скорость зависит только от плотности диффузионных атомов в кристаллической решетке полупроводника.

2 закон Фика описывает нестационарный процесс диффузии и выражает изменение концентрации диффузионного вещества в различных точках пространства, как функцию времени τ, для изометрической диффузионной среды он зависит

Полупроводниковая электроника широко оперирует с монокристаллическими объектами. Здесь в силу вступает закон об анизотропии и возникает необходимость учитывать влияние различных направлений на характер и результаты диффузии коэффициент диффузии в направлениях X, Y, Z → const Диффузия – это активационный процесс и температурная зависимость коэффициентов диффузии