Диффузия при производстве ИМС (стр. 1 из 3)
МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ
Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное легирование. Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования.
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 и 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 помеждоузлиям 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 примесеймогут 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 (см. рис.).
При использовании ограниченного источникав приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.
Показанное на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. 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.
