Диффузия при производстве ИМС

МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ

Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное леги­ рование . Диффузия является наиболее широко распространен­ным методом легирования.

Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой темпе­ ратурой.

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 - примес­ ная 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 непря­ мого перемещения атомов по междоузлиям 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.).

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых приме­ сей (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 примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные .

Так, источниками бора служат: твер­дые — В₂ 0₃ и Н₃ В0₃ , жидкий ВВг₃ , газообразные — галогениды бора ВС1₃ , BF₃ , ВI₃ и диборан В₂ Н_б .

Источниками фосфора являются: твердые – P₂ O₅ , фосфаты аммония NH₄ H₂ PO₄ и (NH4)₂ HP0₄ , изре