Основнімеханізми дифузії
1.Вакансійний механізм.
 |
При підвищеній температурі атоми у вузлах кристалічної решітки коливаються. Якщо атом отримає достатню енергію, він здатний залишити вузол кристалічної решітки. З'являється вакансія, яку може зайняти атом домішки. При кімнатних температурах кількість вакансій мала, на 10 15 атомів напівпровідника припадає одна вакансія. Зі збільшенням температури до 1000° - 1200°С кількість вакансій стає порівнянною з числом атомів напівпровідника.За вакансійним механізмом відбувається дифузія
Елементів III та V груп періодичної системи.
2.Межузельний механізм.
 |
Атоми домішки, що мають малі розміри,
впроваджуються в напівпровідник між вузлами кристалічної
грати. Атоми домішки як би "продавлюються" між
атомами, що у вузлах кристалічної решітки.
За цим механізмом дифузія йде швидше,
ніж за вакансійним.
За межузельним механізмом відбувається дифузія
Елементів I, II, VI, VII, VIII груп періодичної
системи.
Як легуючих домішок використовують елементи III і V груп періодичної системи. Цебор (В),фосфор (Р),>миш'як (As) ісурма (Sb).
За допомогою дифузії напівпровідник можна вводити домішка до концентрацій, що не перевищують граничну розчинність цієї домішки при даній температурі. При t ≈ 1200° гранична розчинністьбору становить 5 • 10 20 атомів/см 3 ;фосфору - 1,3 • 10 21 атомів/см 3 ;сурми - 6 • 10 19 атомів/см 3 ,миш'яку - 2 • 10 21атомів/см 3 .
При виготовленні ІМС зустрічаютьсядва випадки дифузії :
 |
1.Дифузія з нескінченного джерела домішки -
коли кількість атомів домішки, що йде з поверхневого шару вглиб напівпровідника, заповнюється такою ж кількістю атомів домішки, що надходить ззовні. При цьому поверхнева концентрація домішки залишається постійною.
 |
2.Дифузія з обмеженого джерела домішки-
коли кількість атомів домішки, що йде з поверхневого шару вглиб напівпровідника, не поповнюється. При цьому поверхнева концентрація домішки з часом зменшується.
Двостадійна дифузія.
При нормальних кімнатних температурах дифузія в твердих тілах практично не спостерігається. Дифузію в напівпровідниках ведуть за високих температур -1000°-1200°С.
Дифузію проводять у дві стадії:
 |
1.Першу стадію, звану"загонкою", проводять при порівняно невисоких температурах (950° - 1050° С) в окисній атмосфері. На поверхню наносять шар домішково-силікатного скла (ФСС або БСС), під яким у процесі загонки створюється приповерхневий шар з високою концентрацією домішки в ньому.
1 - маскуючий оксид
2- напівпровідникова пластина
3- домішково-силікатне скло
4- дифузійна область після загінки
 |
2.Другу стадію, дифузійний відпал, звану"розгонкою", проводять, попередньо видаливши домішково-силікатне скло.
5- окисна плівка, що росте при розгоні
6-дифузійнаобласть після розгону
Температурадругої стадії вище -1050° - 1230° С. Домішка, введена на першій стадії, перерозподіляється, поверхнева концентрація зменшується за рахунок часткового догляду домішки углиб пластини. Глибина проникнення домішки до напівпровідникової пластини збільшується до заданої глибини. Створюється потрібна дифузійна область.
Температура та тривалість другої стадії дифузії визначається необхідною глибиною дифузійної області.Процес ведуть в окислювальному середовищі. Зростаюча при дифузії домішки плівка SiO2 захищає поверхню кремнію від ерозії (в результаті його можливого випаровування), від небажаних хімічних реакцій, від випаровування, від
попадання сторонніх частинок.
Способи проведення дифузії.
Найбільш широко в технології виробництва ІМС використовуютьспосіб дифузії у відкритій трубі. Кремнієві пластини (від 50 до 200 штук) завантажують у касеті в кварцову трубу через вихідний кінець, сполучений з атмосферою. Вхідний кінець труби з'єднаний із системою подачі газу-носія.
Джерелами домішки (дифузантами) є тверді, газоподібні, рідкі, склоподібні сполуки, до складу яких входить легуючий елемент. Домішки елементарному стані для дифузії не застосовують.
При проведеннідифузії з використанням твердого джерела застосовують двозонні печі.
1- газова система
2 - джерело домішки
3 - кварцова труба
6 - вихідний отвір
У низькотемпературній зоні поміщають контейнер з порошком джерела домішки (В2О3 -борний ангідрид ; Р2О5 -фосфорний ангідрид ), у високотемпературній зоні поміщають касету з пластинами.
Газ-носій (суміш інертного газу такисню), надходячи із системи подачі газу, витісняє з кварцової труби повітря, яке видаляється через вихідний отвір. Проходячи через зону джерела домішки, газ-носій захоплює молекули джерела домішки та переносить їх у зону розташування пластин. Молекули джерела домішки адсорбуються поверхні пластин. На поверхні йдуть хімічні реакції зі звільненням елементарної легуючої домішки, яка і дифундує в глиб напівпровідникової пластини:
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В ( 1 )
2 Р2O5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р ( 2 )
При проведеннідифузії з використанням газоподібного джерела
газоподібні дифузанти подаються з балона і перед входом у кварцову трубу змішуються з азотом та киснем. У зоні реакції утворюється оксид легуючого елемента, а на поверхні кремнієвих пластин виділяється елементарна домішка, яка дифундує в глиб пластини.
Наприклад,процес дифузії фосфору при використанніфосфіну РН3 супроводжується реакціями:
2 Р2О5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р - на поверхні кремнію
А процесдифузії бору при використаннідиборану B2Н6 супроводжується реакціями:
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В - на поверхні кремнію
Дифузія проводиться у однозонній печі.
При проведеннідифузії з використанням рідкого джерела застосовують однозонну піч.
Пара рідких дифузантів з дозатора розбавляються газом-носієм і в зоні реакції, розташованої перед зоною дифузії, утворюються оксиди відповідних легуючих елементів:
У трубі :4 POCl3 + 3 O2 → 2 P2O5 + 6 Cl2
Ана поверхнікремнієвих пластинвиділяєтьсяелементарна домішка:
2 Р2O5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В ,
яка дифундує в глиб пластини.
Перевагами способу дифузії у відкритій трубі є легка керованість складом паро-газової суміші та швидкістю газового потоку, атмосферний тиск.
Після проведення процесу дифузіїконтролюються наступні параметри:
1. глибина залягання дифузійної області,
2. питомий поверхневий опір,
3. дефектність дифузійної області.
Тема: Іонне легування
Механізм іонного легування. Схема встановлення іонного легування.
Іонне легування - це процес введення в напівпровідник необхідних домішок у вигляді іонів.
Маючи велику енергію, іони домішки проникають через поверхню напівпровідника в його кристалічну решітку. При кожному зіткненні іонів з атомами напівпровідника відбувається передача енергії атомам напівпровідника і гальмування іону, що рухається, доки іон не зупиниться остаточно.
Якщо енергія, що передається іоном, перевищує енергію зв'язку атомів у решітці, атоми зміщуються і залишають вузли решітки, в результаті чого утворюються вакансії і атоми в міжвузлях. Тобто. Використання іонів призводить до появи радіаційних дефектів кристалічних ґрат.
Щоб кристалічна решітка напівпровідника була мінімально порушена і щоб іони домішки, що вводиться, потрапили у вузли кристалічної решітки, напівпровідникові пластини безпосередньо після іонного легування піддаютьвідпалу. Найчастіше застосовується термічний відпал кремнію в інертному середовищі при температурах 600 - 800 ° С протягом 10-20 хв.При цих температурах порушена іоннимлегуванням кристалічна решітка відновлюється, а іони домішки, що вводиться потрапляють у вузли кристалічної решітки, стаючи електрично активними і починаючи виконувати роль донорів або акцепторів.
Методом іонного легування формують різні елементи ІМС. Атоми електрично активних домішок утворюють напівпровідникової пластиніобласті р-или n- типу електропровідності.
Як і дифузія, іонне легування буваєтотальним ( домішка впроваджується на всю поверхню напівпровідникової пластини, що не має маскуючих плівок) ілокальним (домішка впроваджується в ділянки напівпровідникової пластини, не захищені плівкою, що маскує).В якості маски використовують плівкиSiO2; Si3N4; фоторезиста.
Для отримання іонів основних легуючих домішок використовуютьР,As,Sb,BF3,ВВr3,ВСl3 та інші речовини.
 |
Схема встановлення іонного легування.
1 - іонне джерело 5 - скануюча система (або
2 - прискорююча та фокусуюча системи дефокусуючі лінзи)
3 - діафрагми 6 - вимірювач іонного струму
4 - мас-сепаратор 7 - п/п пластина
Іонне легування проводиться у вакуумних установках серії"Везувій".
Іонний джерело служить отримання іонів легуючої домішки.
Прискорювальна система служить повідомлення іонам необхідної енергії.
Фокусуюча система призначена для одержання іонного пучка необхідного діаметра.
Мас-сепаратор призначений для розподілу іонів по масах для відсіву іонів інших домішок.
Система сканування призначена для переміщення пучка по поверхні підкладки.
Урок