🗊Презентация Проекитрование и производство изделий интегральной электроники. Диффузия примесей

ПРОЕКИТРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ

Цель процесса диффузии Цель процесса диффузии Внедрение атомов легирующего элемента в крис- таллическую решётку полупроводника для образо- вания области с противоположным относительно исходного материала типом проводимости. Обра- зованная область оказывается ограниченной p-n-пе- реходом. Количество вводимой примеси должно: Компенсировать влияние примеси в исходном ма- териале; Создавать избыток примеси для обеспечения про- водимости противоположного типа. Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (неском- пенсированной примеси).

Образование p-n-перехода Образование p-n-перехода Концентрация введённой примеси монотонно убы- вает в направлении от поверхности, через которую происходит диффузия, вглубь кристалла. Переход образуется на глубине Xj, где концентрация введён- ной примеси оказывается равной концентрации ис- ходной примеси Cисх.

Особенности формирования конфигу-рации диффузионных областей Особенности формирования конфигу-рации диффузионных областей 1. Размеры диффузионных областей в плане опре- деляются размерами окна в слое окисла кремния (т.к. скорость диффузии в SiO2 на несколько поряд- ков 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 диффу- зии принимают равным глубине диффузионной об- ласти, что учитывают при проектировании шаб- лонов.

Термины и определения Термины и определения Диффузия в полупроводниках – процесс после- довательного перемещения атомов примеси в кристаллической решётке, обусловленный теп- ловым движением. В полупроводниках существует два вида диф- фузии: - Самодиффузия – диффузия в кристалле, нахо- дящемся в состоянии химического равновесия (однородный химический состав и распределе- ние собственных дефектов); - Химическая диффузия – диффузия в условиях, когда градиенты химических потенциалов вы-зывают появление результирующих химичес- ких потоков

Диффузия в технологии ИИЭ Диффузия в технологии ИИЭ Для формирования p-n-переходов исполь- зуется химическая диффузия примесных (растворенных) атомов, которые вводят- ся в кристаллическую решетку для измене- ния её электрофизических свойств.

Модель диффузии Модель диффузии При повышенной температуре атомы в узлах решётки колеблются вблизи равновесного поло- жения. Перемещение примеси в решётке происхо- дит посредством последовательных скачков, осу- ществляемых в трёх направлениях. Основные механизмы диффузии: - Вакансионный; - Межузельный; - Эстафетный; - Краудионный; - Диссоциативный.

Диффузия по вакансиям Диффузия по вакансиям Механизм диффузии, при котором мигрирующий атом (примесный или собственный) перемещает- ся на место вакансии, а на его месте в узле крис- таллической решетки образуется новая вакансия.

Диффузия по междоузлиям Диффузия по междоузлиям Данный механизм сопровождается переходом ми- грирующего атома (как правило примесного) из од- ного междоузлия в другое без его локализации в уз- лах кристаллической решетки.

Эстафетный механизм Эстафетный механизм В отличие от междоузельного механизма диффу- зии, примесные атомы внедряются в узлы крис- таллической решетки, вытесняя при этом собст- венные атомы в междоузельное пространство.

Краудионный механизм диффузии Краудионный механизм диффузии Данный механизм тесно связан с эстафетным. При этом междоузельный атом, расположенный посередине меж-ду двумя узлами решетки, перемещается в направлении одного из них, смещая его из положения в узле решетки. Вытесненный атом становится междоузельным и зани-мает промежуточное положение в решетке.

Диссоциативный механизм диффузии Диссоциативный механизм диффузии Данный механизм связан с распадом комп- лексов молекул и диффузией составляю- щих их компонент (атомов или ионов) в кристаллической решетке.

Количественные Количественные закономерности диффузии В связи с малой толщиной диффузионных областей по сравнению с размерами в плане задачу диффузии рассматривают как одномерную Первый закон Фика:

Уравнение Аррениуса Уравнение Аррениуса D = D0 exp(–Ea/kT) k = 1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура процесса; Ea – энергия активации процесса диффузии; D0 – коэффициент, зависящий от рода полу-проводника и диффундирующей примеси.

Второй закон Фика Второй закон Фика Описывает изменение концентрации растворенного вещества во времени 1. При низкой концентрации примеси и малых Xj ко-эффициент диффузии не зависит от концентра-ции: 2. В случае высокой концентрации примеси и больших Xj коэффициент диффузии зависит от концен-трации:

Диффузия из неограниченного источника Диффузия из неограниченного источника Начальные условия: С(x, 0) = 0. Граничные условия: С(0, t) = С0; С(x>>0, t)=0. Решение 2 закона Фика:

Нормированное распределение дополнительной функции ошибок Нормированное распределение дополнительной функции ошибок

Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника

Зависимость предельной растворимос- Зависимость предельной растворимос- ти некоторых элементов в кремнии в твердой фазе от температуры

Диффузия из ограниченного источника Диффузия из ограниченного источника Начальные условия: С(x, 0) = 0. Граничные условия: C(x,∞)=0 Решение 2 закона Фика:

Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника

Особенности применения чистых легирующих элементов Особенности применения чистых легирующих элементов Использовать чистые легирующие элемен- ты в качестве источников примеси в про- цессе диффузии затруднительно: Бор является тугоплавким элементом и при температуре диффузии имеет нич-тожно малую упругость пара; Фосфор при нагреве легко воспламеня-ется; Мышьяк – высокотоксичен.

Способы диффузионного легирования В качестве источников примеси применяют различные соединения (ангидриды, галогени- ды, гидриды легирующего элемента (т.н. диффузанты). По способу нанесения диффузанта процессы раз- личают: Нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник): - твёрдый источник; - жидкий источник; - газообразный источник. 2. Нанесение диффузанта на пластины крем- ния до диффузии (примесные покрытия).

Диффузия из жидкого источника Диффузия из жидкого источника

Диффузия из газообразного источника Диффузия из газообразного источника Источником примеси является баллон со сжатым газом (B2H6, PH3).

Особенности диффузии из газообразных источников Особенности диффузии из газообразных источников Метод характеризуется высокой техноло- гичностью, воспроизводимостью и легкос- тью управления концентрацией примеси; Недостатком метода является высокая токсичность гидридов, что требует тща- тельной герметизации элементов установ- ки, 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.

Диффузия из твёрдого источника Диффузия из твёрдого источника Твёрдый планарный источник (ТПИ) – пласти- на, содержащая твёрдый диффузант (B2O3 или P2O5) и инертную тугоплавкую основу. ТПИ располагают непосредственно в зоне диффузии между кремниевыми пластинами.

Акцепторные ТПИ Акцепторные ТПИ Представляют собой кремниевую пласти- ну с нанесенным слоем B2O3 либо пластину нитрида бора, обработанную в сухом кис- лороде при температуре 1200°С: 4BN+3O2→2B2O3+2N2

Донорные ТПИ Донорные ТПИ Примером может служить пластина ме- тафосфата алюминия, который в диапа- зоне температур 700 – 1200 °С разлагает- ся по реакции: Al(PO3)3 → AlPO4+P2O5.

Технология диффузии из Технология диффузии из внешнего источника

Особенности устройства реактора Особенности устройства реактора Диффузия проводится в кварцевой трубе, снабженной резистивным нагревателем; В зоне диффузии длиной 40 – 60 см поддер- живается температура до 1250 °С с точ- ностью ± 0,25 – 0,5 °С; При температурах более 1200 °С в качест- ве материала реактора предпочтительно использовать вместо кварца карбид крем- ния (SiC).

Загрузка - выгрузка пластин Загрузка - выгрузка пластин Для групповой загрузки пластин применяют кассе- ты из кварцевого стекла или карбида кремния. Для загрузки-выгрузки кассет используют стер- жень с крючком либо консольный загрузчик.

Загрузка – выгрузка в Загрузка – выгрузка в вертикальном реакторе

Подача диффузанта Подача диффузанта Для насыщения парами диффузанта транспортирующий газ (N2, Ar) пропускает- ся 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 транспортирую- щего газа концентрация диффузанта в нем регулируется температурой источника. При необходимости окисления кремния кис- лород подают в смеси с транспортным га- зом.

Технологические процесс загонки примеси Технологические процесс загонки примеси Перед загонкой примеси стенки трубы и пустые кассеты насыщают примесью при температуре диф- фузии (для исключения обеднения рабочей смеси в ра- бочем 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 тече- ние 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.

Температурно-временная диаграмма процесса диффузии ТПИ Температурно-временная диаграмма процесса диффузии ТПИ

Влияние окисляющей среды на процесс диффузии Влияние окисляющей среды на процесс диффузии Растущая в процессе диффузии плёнка SiO2 предохраняет по- верхность кремния от эрозии и нежелательных химических ре- акций, что повышает воспроизводимость параметров диффу- зионных 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 разде- ла 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 кристалличес- кой решетке кремния. Окисление происходит за счёт диффузии молекул кислорода через окисел и последующего взаимодействия с кремнием (Si+O2→SiO2).

Легирование без добавления кислорода Легирование без добавления кислорода Коэффициент диффузии ангидрида в окисле крайне мал. Поэтому при достижении плёнкой SiO2 толщи- ны, достаточной для защиты кремния, подачу кис- лорода прекращают. В этом случае выделение ато- марного 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 под- лежит стравливанию после процесса диффузии.

Диффузия из примесных покрытий Диффузия из примесных покрытий

Особенности диффузии Особенности диффузии из примесных покрытий Концентрация примеси в кремнии зависит от: - концентрации примеси в покрытии; - толщины покрытия; Методы нанесения примесного покрытия: Из растворных композиций; Химическим осаждением из газовой фазы; Распылением в вакууме.

Достоинства диффузии из поверхностных источников Достоинства диффузии из поверхностных источников Пределы поверхностной концентрации в пределах от 1016 до 1020 см-3; Высокая воспроизводимость параметров диффузионных слоев в т.ч. на пластинах больших диаметров; Возможность одновременного внедрения примесей различного типа.

Технология разгонки примеси Технология разгонки примеси 1. Загрузка кассеты с пластинами в реактор, нагре- тый 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 тече- ние контролируемого времени в среде азота (про- цесс разгонки); 4. Снижение температуры в реакторе до 1000 °С 5. Пирогенное окисление пластин (кислород увлажня- ется сжиганием в нем водорода); 6. Снижение температуры в реакторе до первонача- льного уровня; 7. Выгрузка пластин из реактора.

Эволюция структуры Эволюция структуры

Особенности многостадийной диффузии Особенности многостадийной диффузии Диффузия примеси продолжается на всех высокотемпературных операциях (диффузия, окисление и т.д.); Данный эффект учитывается введением в рас-пределение Гаусса вместо множителя Dt сум-мы: i – порядковый номер операции, ti – время ее выполнения, n – число операций, связанных с нагревом пластины.