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 N_д (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 N_A на рис. 2.4), называют толщиной диффузионного слоя.

Рис. 4.2. Зависимость концентрации введенной примеси N_Д 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 N_пред – 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 +Br_2,

 

POCl₃ + O₂ → P₂O₅ + Cl_2,

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, N_л = ∫N (x) dx = N_пр √Dt.

Для окончательного формирования диффузионного слоя введенную примесь подвергают перераспределению на втором этапе диффузии – разгонке примесей. Подачу диффузанта прекращают, примесь распределяется вглубь при N_л = const, поверхностная концентрация N_пов 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.