Термічні процеси під час виготовлення мікросхем

Значне місце у технологічних операціях з виготовлення приладів займають термічні процеси. За допомогою термічних процесів проводять знегажування та очищення матеріалів, отримують провідні (SnO) діелектричні (SiO2), монокристалічні та полікристалічні шари на поверхні напівпровідникових пластин, а також дифузійні та леговані шари у приповерхневій ділянці. Метод дифузії широко застосовується для формування зміцнювальних покриттів.

Дифузія

Дифузія це процес перенесення домішок з області з високою в область з низькою концентрацією, стимульований високою температурою, електричним полем, випромінюванням і т.д.

Атоми електрично активних домішок дифундують в грати кристала і утворюють області р-або n типу електропровідності.

Дифузія газів з матеріалів

При нагріванні матеріалів їх виділяються різні гази. Приповерхневі гази виділяються досить швидко (секунди). Газовиділення залежить від рельєфу поверхні, температури, чистоти поверхні, структури матеріалу. Гази, розчинені в металах, виділяються досить довго (годинник).

Поверхнева дифузія

Поверхнева дифузія є поширенням речовини по поверхні твердого тіла. Вона протікає як шляхом міграції одиночних атомів, і їх об'єднань (острівців, кластерів). Прикладами таких процесів є зростання кристалів, напилення, спікання, формування плівок. Значна її роль деградації плівкових шарів. У першому наближенні дифузія характеризується коефіцієнтом дифузії Д, енергією активації (Еа) та температурою. Залежність коефіцієнта дифузії від параметрів процесу виглядає так:

До-частотний множник, що характеризує частоту поверхневих коливаньатома;

до - постійна Больцмана.

У таблиці 5.2 подано деякі значення параметрів дифузії

Деякі значення параметрів дифузії

Матеріал	До х 10 6	Еа, ев	Т 0 С	Д,x10 10 см 2 /с
Al	4,8	3,3
Ge	5,28
Cu	68,6	4,23	1,3

Механізми поверхневої дифузії

При попаданні на поверхню атом прагне зайняти мінімальне енергетичне становище. Дифузія в цьому випадку подібна до броунівського руху. Такий механізм отримав назвуперекати-поле. При підвищенні енергії зв'язку атома з поверхнею міграція атомів відбувається за механізмомкилима, що розгортається, картина якого нагадує гірку з гороху, що розкочується на всі боки.

Іонізований атом може змінювати напрямок свого руху під дієюелектропереносу.Коефіцієнт дифузії при цьому може зрости вдвічі і більше.

На рис. 5.12 представлена ​​схема поверхневої дифузії за моделлю перекотиполе (а), килим (б), що розгортається, і електроперенесення (в).

Рис.5.12. Схема поверхневої дифузії

Механізми об'ємної дифузії

В даний час найбільшого поширення набули чотири механізми дифузії:вакансіонний, міжвузельний, естафетний і краудіонний.На рис. 5.13 представлені схеми реалізації зазначених механізмів.

Рис.5.13. Схеми реалізації механізмів дифузії

Вакансійний механізм(рис.5.13 а) обумовлений наявністю точкових дефектів (вакансій - порожніх незайнятих вузлів кристалічних ґрат) та міжузельних атомів. При підвищеній температурі атоми у вузлах кристалічних ґрат коливаютьсяпоблизу рівноваги. Іноді вони здобувають енергію, достатню для того, щоб відійти з вузла, і стають міжвузлевими. У ґратах з'являєтьсявакансія. Сусідний атом, чи то атом домішки, чи власний атом напівпровідникового матеріалу, може мігрувати на місце цієї вакансії. Якщо мігруючий атом євласним- то відбуваєтьсясамодифузія, а якщодомісним- домішкова дифузія.

Межузельний механізм(рис.5.13б) характерний тим, що атом переходить з одного положення до іншого по міжвузлям. Такий механізм найімовірніший для атомів домішки, оскільки вони слабше пов'язані з ґратами.

Естафетний механізм(рис.5.13 в) реалізується у разі витіснення атома з вузла в міжвузлі або навпаки. Такий механізм є можливим при іонному легуванні матеріалу.

Краудіонний механізм(рис.5.13г) характеризується зміщенням із вузла на період решітки. Такий механізм може реалізуватися за іонної імплантації.

Останнім часом до основних механізмів дифузії в напівпровідниках відносять механізм прямого обміну атомів, кільцевий, дисоціативний. У загальному випадку дифузіяанізотропна,проте, в кубічній решітці через її симетрію дифузіяізотропна.

Дифузійне рівняння

Процеси ізотропної дифузії описуються за допомогою першого і другого законів Фіка встановлюють, що щільність потоку дифузних атомів J пропорційна концентрації домішки N (J

N) і що швидкість накопичення домішки у часі пропорційна потоку (dN/dt

d(J)). Зв'язок щільності потоку атомів-J з коефіцієнтом дифузії D, концентрацією атомів N домішки та часом дифузії t у напрямку х виражається співвідношеннями:

J=-D dN/dx + n (перший законФіка)

DN/dt=d/dx(D dN/dx)(другий закон Фіка)

де n-власна концентрація;

- рухливість домішки;

- Напруженість електричного поля.

Другий член першого закону Фіка відбиває дрейф в електричному полі. Температурна залежність коефіцієнта дифузії має вигляд:

де Do-константа в межах сотень градусів.

---