Студопедия — Термическая диффузия примесей
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Термическая диффузия примесей






Диффузия проводится с целью внедрения атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводимости. Диффузионная область оказывается ограниченной p-n-переходом. Количество введенной примеси должно быть достаточным для компенсации влияния примеси в исходном материале и для создания избытка примеси, обеспечивающего проводимость противоположного типа. Величина проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (нескомпенсированной) примеси.

При высокой температуре (около 1000 ℃) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения.

Основной механизм проникновения примесного атома в кристаллическую решетку состоит в последовательном перемещении по вакансиям (пустым узлам) решетки. Менее вероятны перемещения по междоузлиям и обмен местами с соседними атомами. Атом примеси электрически активен, т.е. выполняет функции донора или акцептора, в том случае, если занимает место в узле. Поэтому для получения сильнолегированных областей и (или) сокращения времени диффузии необходима высокая концентрация вакансий в поверхностном слое подложки. При невысокой температуре она очень мала – 107 см-3, а при температурах диффузии порядка 1000 ℃ достигает 1021 см-3 за счет поверхностного испарения атомов, диффузии атомов полупроводника из глубины пластины к поверхности (что эвкивалентно диффузии вакансий от поверхности вглубь), а также смещения атомов в междоузлия вследствие тепловых колебаний атомов.

Легирование ведется через маску двуокиси кремния SiO2 или нитрида кремния Si3N4 толщиной 0,5 – 1 мкм (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Локальная диффузия примеси через маску из двуокиси кремния

 

Концентрация введенной примеси – доноров Nд (х) на рис. 4.2 – максимальна у поверхности и спадает по направлению вглубь пластины. Расстояние х 0, на котором она равна концентрации исходной примеси (акцепторов NA на рис. 2.4), называют толщиной диффузионного слоя.

Рис. 4.2. Зависимость концентрации введенной примеси NД от расстояния х от поверхности пластины


Если вводится примесь противоположного подложке типа, то х 0 соответствует металлургической границе образующегося p-n перехода.

Так как примесь диффундирует не только вглубь, но и под маску, то есть травление изотропно (скорость его не зависит от направления), p-n переход на краях имеет форму, близкую к цилиндрической или сферической с радиусом кривизны r = х 0, а ширина диффузионного слоя в горизонтальном направлении у поверхности больше ширины окна в маске на величину 2r.

Примеси характеризуются коэффициентом диффузии D, определяющим плотность потока П диффундирующих атомов (атомов, проходящих в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению диффузии):

 

П = - D grad N. (4.1)

 

Чем больше D, тем быстрее идет диффузия, тем меньшее время требуется для получения слоя заданной толщины х 0.

Теоретические расчеты показывают, что х 0 ~√Dt, где t – время диффузии, тогда t ~ х 02/D. Для бора или фосфора при х 0 = (2 – 3) мкм и температуре Т = 1100 ℃ оно составляет около одного часа, а для мышьяка и сурьмы (доноров) на порядок больше из-за меньшего D. Формирование слоев большой толщины (около 10 мкм) - длительный процесс, который редко используется.

Коэффициент диффузии сильно зависит от температуры – формула (3.2). На каждые 100 ℃ он увеличивается на порядок. Отсюда следует необходимость поддержки температуры диффузии с точностью до ± (0,1 – 0,2) ℃.

Другой параметр примеси – предельная растворимость – максимальная концентрация примеси Nпред – незначительно увеличивается с ростом температуры: в два – три раза на каждые 300 ℃ при температурах ниже 1300 ℃. Предельная растворимость составляет 1020 – 1021 см-3 при Т = 1100 ℃.

Использовать для легирования чистые вещества затруднительно, так как бор тугоплавок, мышьяк токсичен, фосфор легко воспламеняется. Поэтому в качестве источников примесей применяют их соединения в твердом (B2O3, P2O5), в жидком (BBr3, POCl3) или газообразном (В2Н6, РН3) состоянии, называемые диффузантами.

На рис. 4.3 изображена схема однозонной диффузионной печи.

 

 

Рис. 4.3. Схема однозонной диффузионной печи

 

Пластины 1 помещают в кварцевую трубу 2 с открытым выходным концом 3, в которой с помощью нагревателя 4 поддерживается необходимая температура. Нейтральный газ-но –ситель (N2 или Ar), проходя через сосуд с диффузантом 5, захватывает его пары и переносит их к поверхности пластин. Одновременно в трубу поступает небольшое количество кислорода. В результате реакции кислорода с диффузантом образуется ангидрид легирующего элемента (B2O3 или Р2О5):

 

BBr3 + О2 → B2O3 +Br2,

 

POCl3 + O2 → P2O5 + Cl2,

при взаимодействии которого с кремнием выделяются атомы примеси – В или Р:

 

Р2О5 + Si → SiO2 + P,

 

B2O3 + Si → SiO2 + B.

 

Если над пластиной присутствует избыток диффузанта, то у поверхности быстро устанавливается максимальная концентрация примеси, близкая к предельной растворимости, которая далее не изменяется. Такой режим диффузии называется загонкой примесей. Распределение концентрации примеси по толщине пластины при загонке изображено на рис. 4.4.а при разных температурах и времени процесса.

 

 

Рис. 4.4. Распределение диффундирующей

примеси по глубине пластины:

а – при неограниченном источнике примеси (загонке);

б – при ограниченном источнике (разгонке)

 

В этом случае атомы примеси сосредоточены в узком поверхностном слое. Назначение загонки – введение определенной дозы легирования - числа атомов, поступающих через единицу поверхности, Nл = ∫N (x) dx = Nпр √Dt.

Для окончательного формирования диффузионного слоя введенную примесь подвергают перераспределению на втором этапе диффузии – разгонке примесей. Подачу диффузанта прекращают, примесь распределяется вглубь при Nл = const, поверхностная концентрация Nпов уменьшается, а толщина слоя возрастает. На рис. 4.4.б приведены зависимости N (x) после загонки 1 и разгонки 2.

Для создания нескольких слоев с разными типами проводимости диффузия проводится многократно. Например, при первой диффузии в кремнии n-типа можно сформировать p-слой, а затем при второй диффузии ввести в него доноры на меньшую глубину, получив структуру типа n-p-n. При многократной диффузии концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, чтобы тип проводимости изменился и образовался p-n переход. Максимальная концентрация ограничены предельной растворимостью, поэтому число последовательный диффузий обычно не превышает трех. Последующие диффузии из-за высокой температуры вызывают нежелательную разгонку примесей, введенных на предыдущих этапах. Поэтому температуру и (или) время последующих диффузий выбирают меньшими, а коэффициент диффузии и предельную растворимость большими, чем для предыдущих.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 1021. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Логические цифровые микросхемы Более сложные элементы цифровой схемотехники (триггеры, мультиплексоры, декодеры и т.д.) не имеют...

ТЕХНИКА ПОСЕВА, МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ЧИСТЫХ КУЛЬТУР И КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА БАКТЕРИЙ Цель занятия. Освоить технику посева микроорганизмов на плотные и жидкие питательные среды и методы выделения чис­тых бактериальных культур. Ознакомить студентов с основными культуральными характеристиками микроорганизмов и методами определения...

САНИТАРНО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДЫ, ВОЗДУХА И ПОЧВЫ Цель занятия.Ознакомить студентов с основными методами и показателями...

Меры безопасности при обращении с оружием и боеприпасами 64. Получение (сдача) оружия и боеприпасов для проведения стрельб осуществляется в установленном порядке[1]. 65. Безопасность при проведении стрельб обеспечивается...

Патристика и схоластика как этап в средневековой философии Основной задачей теологии является толкование Священного писания, доказательство существования Бога и формулировка догматов Церкви...

Основные симптомы при заболеваниях органов кровообращения При болезнях органов кровообращения больные могут предъявлять различные жалобы: боли в области сердца и за грудиной, одышка, сердцебиение, перебои в сердце, удушье, отеки, цианоз головная боль, увеличение печени, слабость...

Вопрос 1. Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации К коллективным средствам защиты относятся: вентиляция, отопление, освещение, защита от шума и вибрации...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.008 сек.) русская версия | украинская версия