Диффузия примесей

для образования области с противоположным относительно исходного материала типом проводимости.

Образованная область оказывается ограниченной p-n-переходом.
Количество вводимой примеси должно:
Компенсировать влияние примеси в исходном материале;
Создавать избыток примеси для обеспечения проводимости ротивоположного типа.
Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (нескомпенсированной примеси).

поверхности, через которую происходит диффузия, вглубь кристалла. Переход образуется на

глубине Xj, где концентрация введённой примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Cисх.

определяются размерами окна в слое окисла кремния (т.к. скорость диффузии

в SiO2 на несколько порядков ниже, чем в кремнии);
2. Диффузия примеси происходит изотропно, т.е.боковые стенки p-n-перехода всегда расположены под слоем окисла, а размеры диффузионных облас-
тей больше размеров окна по всему периметру.
3. Смещение p-n-перехода за счёт боковой диффузии принимают равным глубине диффузионной области, что учитывают при проектировании шаблонов.

примеси в кристаллической решётке, обусловленный тепловым движением.
В полупроводниках существует два

вида диффузии:
- Самодиффузия – диффузия в кристалле, находящемся в состоянии химического равновесия (однородный химический состав и распределение собственных дефектов);
- Химическая диффузия – диффузия в условиях, когда градиенты химических потенциалов вызывают появление результирующих химических потоков

используется химическая диффузия примесных (растворенных) атомов, которые вводятся в кристаллическую

решетку для изменения её электрофизических свойств.

равновесного положения. Перемещение примеси в решётке происходит посредством последовательных скачков,

осуществляемых в трёх направлениях.
Основные механизмы диффузии:
- Вакансионный;
- Межузельный;
- Эстафетный;
- Краудионный;
- Диссоциативный.

(примесный или собственный) перемещается на место вакансии, а на

его месте в узле кристаллической решетки образуется новая вакансия.

(как правило примесного) из одного междоузлия в другое без его

локализации в узлах кристаллической решетки.

атомы внедряются в узлы кристаллической решетки, вытесняя при этом собственные

атомы в междоузельное пространство.

междоузельный атом, расположенный посередине между двумя узлами решетки, перемещается в

направлении одного из них, смещая его из положения в узле решетки. Вытесненный атом становится междоузельным и занимает промежуточное положение в решетке.

диффузией составляющих их компонентов (атомов или ионов) в кристаллической решетке.

сравнению с размерами в плане задачу диффузии рассматривают как одномерную
Первый

закон Фика:

J – скорость переноса вещества через сечение единичной площади (диффузионный поток) [м-2×с-1],
C – концентрация растворенного вещества,
x – ось координат, совпадающая с направлением потока вещества,
D – коэффициент диффузии [м2×с-1];
t – время.

Больцмана;
Т – абсолютная температура процесса;
Ea – энергия активации процесса диффузии;
D0

– коэффициент, зависящий от рода полупроводника и диффундирующей примеси.

низкой концентрации примеси и малых Xj коэффициент диффузии не зависит

от концентрации:



2. В случае высокой концентрации примеси и больших Xj коэффициент диффузии зависит от концентрации:

2 закона Фика:




где erfс(z) – дополнительная функция ошибок.
Количество введенной примеси:

от температуры

C(x,∞)=0

Решение 2 закона Фика:

где S - количество атомов примеси на

единицу площади (доза)

источников примеси в процессе диффузии затруднительно:
Бор является тугоплавким элементом и

при температуре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара;
Фосфор при нагреве легко воспламеняется;
Мышьяк – высокотоксичен.

(ангидриды, галогениды, гидриды легирующего элемента (т.н. диффузанты).
По способу нанесения

диффузанта процессы различают:
Нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник):
- твёрдый источник;
- жидкий источник;
- газообразный источник.
2. Нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии (примесные покрытия).

со

сжатым газом (B2H6, PH3).

легкостью управления концентрацией примеси;
Недостатком метода является высокая токсичность гидридов, что

требует тщательной герметизации элементов установки, сбора продуктов реакции на выходе, кон-
троля производственной атмосферы.
ПДК (мг/м3) диборана (B2H6)–0,5, фосфина (PH3)– 0,1, арсина (AsH3) – 0,3, стибина (SbH3) – 0,05.

твёрдый диффузант (B2O3 или P2O5) и инертную тугоплавкую основу.
ТПИ

располагают непосредственно в зоне диффузии между кремниевыми пластинами.

либо пластину нитрида бора, обработанную в сухом кислороде при температуре

1200°С:

4BN+3O2→2B2O3+2N2

температур 700 – 1200 °С разлагается по реакции:

Al(PO3)3 → AlPO4+P2O5.

– вентиль, 3 – ротаметр, 4 – кварцевая труба, 5

– газосмеситель, 6 – нагреватель, 7 – кварцевая кассета с пластинами.

диффузии длиной 40 – 60 см поддерживается температура до 1250

°С с точностью ± 0,25 – 0,5 °С;
При температурах более 1200 °С в качестве материала реактора предпочтительно использовать вместо кварца карбид кремния (SiC).

кассеты из кварцевого стекла или карбида кремния.



Для загрузки-выгрузки кассет

используют стержень с крючком либо консольный загрузчик.

(N2, Ar) пропускается над жидкостью либо барботируется через нее.

Питатель источника диффузанта, как правило помещают в термостат. Расход транспортного газа составляет 0,5 – 1,5 л/ч.
При постоянном расходе транспортирующего газа концентрация диффузанта в нем
регулируется температурой источника.
При необходимости окисления кремния кислород подают в смеси с транспортным газом.

и пустые кассеты насыщают примесью при температуре диффузии (для исключения

обеднения рабочей смеси в рабочем процессе).
Операционный цикл:
1. Продувка реактора азотом с расходом до 150 л/ч;
2. Вывод реактора на заданную температуру (2 – 3 ч);
3. Загрузка кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин с подачей азота;
4. Подача азота с парогазовой смесью (диффузант,кислород);
5. Выдержка при постоянной температуре в течение контролируемого времени (процесс диффузии);
6. Отключение подачи ПГС и извлечение кассеты с пластинами.

плёнка SiO2 предохраняет поверхность кремния от эрозии и нежелательных химических

реакций, что повышает воспроизводимость параметров диффузионных областей.
Стадии окислительного процесса:
Взаимодействие диффузанта с кислородом в газовой фазе с выделением ангидрида легирующего элемента:
BBr3+O2→B2O3+Br2; B2H6+O2→B2O3+H2O;
POCl3+O2→P2O3+Cl2; PH3+O2→P2O5+H2O;
2. Диффузия ангидрида через растущий окисел к границе раздела Si-SiO2;
3. Взаимодействие молекул ангидрида с кремнием и выделение атомарной примеси:
P2O5+Si→SiO2+P; B2O3+Si→SiO2+B;
4. Диффузия атомов легирующего элемента в кристаллической решетке кремния.
Окисление происходит за счёт диффузии молекул кислорода через окисел и последующего взаимодействия с кремнием (Si+O2→SiO2).

Поэтому при достижении плёнкой SiO2 толщины, достаточной для защиты кремния,

подачу кислорода прекращают. В этом случае выделение атомарного фосфора или бора из диффузанта будет происходить за счёт термической диссоциации :
PH3→H2+P.
Образующийся в процессе загонки окисел кремния с примесью P2O5 или B2O3 представляет собой ФСС или БСС. При разгонке примеси может служить
внешним (неучтенным) источником примеси и подлежит стравливанию после процесса диффузии.

примесного покрытия

Удаление примесного покрытия

концентрации примеси в покрытии;
- толщины покрытия;
Методы нанесения примесного покрытия:
Из растворных

композиций;
Химическим осаждением из газовой фазы;
Распылением в вакууме.

1016 до 1020 см-3;
Высокая воспроизводимость параметров диффузионных слоев в т.ч.

на пластинах больших диаметров;
Возможность одновременного внедрения примесей различного типа.

до температуры 850 °С, и прогрев ее в течение 10

мин в среде азота;
2. Подъём температуры в реакторе до требуемой температуры диффузии (1050 – 1200 °С) в среде N2;
3. Выдержка при постоянной температуре в течение контролируемого времени в среде азота (процесс разгонки);
4. Снижение температуры в реакторе до 1000°С
5. Пирогенное окисление пластин (кислород увлажняется сжиганием в нем водорода);
6. Снижение температуры в реакторе до первоначального уровня;
7. Выгрузка пластин из реактора.

стадия: Окисление

множителя Dt сум-мы:
Диффузия примеси продолжается на всех высокотемпературных операциях (диффузия,

окисление и т.д.);





i – порядковый номер операции, ti – время ее выполнения, n – число операций, связанных с нагревом пластины.