технология легирования методом термодиффузии

Технология получения Технология получения легированных слоев легированных слоев полупроводниковых полупроводниковых

структур методами структур методами термической диффузиитермической диффузии

Основная цель диффузии – формирование областей с Основная цель диффузии – формирование областей с противоположным по отношению к исходному противоположным по отношению к исходному материалу типом электропроводностиматериалу типом электропроводности

Высокотемпературная диффузияВысокотемпературная диффузия

p

ДиффузантSiO2

Xpn – глубина залегания pn перехода;N0 – поверхностная концентрация легирующей примеси, равная её предельной растворимости в полупроводнике противоположного типа на поверхности подложки;N исх – исходная концентрация примеси в подложке.

р

n – Si

Xpn

X

N(x,t)

Донорыn<p

Акцепторыp>n

NИСХ N0

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

донорыP, As, Sb

Нелегированный Si

Si Si Si

AsSi Si

Si Si Si

акцепторыB, Ga, Jn

Si Si Si

B

SiSi Si

Si Si

Дырочный тип Электронный тип

Принципы изменения типа проводимости

Механизмы диффузииМеханизмы диффузии

Диффузия в твердом теле представляет собой физический Диффузия в твердом теле представляет собой физический процесс, посредством которого атомы растворенного процесс, посредством которого атомы растворенного вещества перемещаются в решетке растворителя вещества перемещаются в решетке растворителя

Механизмы диффузии в кристаллах

при Tдиф > 0.7 Tпл

Диффузия по междоузлиям с

замещением

Диффузия по узлам решетки по средством

вакансийДиффузия по междоузлиям

Формирование дефектовФормирование дефектов

Si Si Si

Si {V} Si

Si Si Si

При комнатной Ткомн = 300K {V} ~ 107 см-3 – 1 вакансия на 5*1015 атомовТемпература диффузии Тдиф от 1200-1500К {V} ~ 1 вакансия на 50 узлов

Si Si Si

Si Si

Si Si Si

{V}

по Френкелю по Шоттки

Коэффициент диффузии примесиКоэффициент диффузии примеси Вакансионный механизм

Межузельный механизм

zz примесьпримесь DD0,0, EEαα , , эВэВ rr11, Å , Å εε

55 BB 5,15,1 3,703,70 0,880,88 -0,28-0,28

1313 AlAl 8,08,0 3,473,47 1,261,26 0,0270,027

3131 GaGa 60,060,0 3,893,89 1,261,26 0,0770,077

4949 JnJn 16,516,5 3,913,91 1,441,44 0,230,23

1515 PP 10,510,5 3,693,69 1,101,10 -0,06-0,06

3333 AsAs 1212 4,204,20 1,181,18 0,0090,009

zz примесьпримесь DD0,0, EEαα , , эВэВ rr11, Å , Å εε

2929 CuCu 4*104*10-2-2 1,01,0 1,281,28 0,090,09

2626 FeFe 6,2*106,2*10-3-3 0,870,87 1,261,26 0,060,06

7979 AuAu 1,1 *101,1 *10--

330,210,21 1,341,34 0,1350,135

D = D0 exp (-Eα / kT)

По уравнению Аррениуса

D0 = f (ν, α), где ν – частота колебаний атомов;α – параметр кристаллической решеткиЕα - энергия активации диффузии

2см

сек

2см

сек

1 0 0( ) /r r r r1 ,r0 - ковалентные радиусы атомов примеси и кремния

Математические основыМатематические основы процессов диффузии процессов диффузии

xN

Dx

J

t

N2

2

N

X

J t+dt

t

∂N∂x J+∂t

∂x

используя∂N ∂x= - ∂J ∂t

Уменьшение плотности потока J в направлении

оси Х

1 – й закон Фика J = - D ∂N/∂x

xN

Dt

N2

2

,если D = const

если D зависит от концентрации примеси, то

)(x

ND

xt

N

--- 2-й закон определяет скорость накопления примеси, т. е. динамику процесса

2 - й закон Фика

Первое описание диффузионных процессов было дано Фиком в 1855 году.

Первое уравнение устанавливает связь между плотностью потока и grad концентрации

вещества

Знак « - » указывает на то, что движение вещества происходит в направлении уменьшения его концентрацииD – коэффициент диффузии ∂N/∂x – grad концентрации

Диффузия из ограниченного источникаДиффузия из ограниченного источникаВторой этап «Разгонка»

Х

N0

d

t =0

t1

t2

t1 < t2

0

Начальные условия:• N (x, 0) = N0 , для 0 < x < d• N (x, 0) = 0, для x > d

Граничное условие:

, при x=0, для t≥0

2

( , ) exp[ ],2

Q xN x t

Dt Dtгде Q доза легирования

0Q N Dt

0Nx

Граничным условием является абсолютно непроницаемая поверхность, через которую отсутствует поток (J=0).Поле «загонки» поверхность покрывают материалом с меньшим, чем у полупроводника коэффициентом диффузии и подвергают нагреву. Испарения примеси не происходит.

Q

Особенности технологии и оборудование Особенности технологии и оборудование

POCl3

PH3N2 O2 O2 N2

Диффузионная печь

Кварцевый реактор

Пластина кремния

Барботер с жидким диффузантом

Операционный цикл:• продув реактора Ar с расходом 150л/час • вывод на температурный режим 2- 3 часа• загрузка кассеты с пластинами через бокс и прогрев её подачей Ar для удаления десорбирующихся газов • подача Ar с парогазовой смесью ( O2, N2)• выдержка при const T в течении заданного t (собственно диффузия)• прекращение подачи смеси и извлечение кассеты

Коэффициент диффузииКоэффициент диффузииКоэффициент диффузии D диффундирующий в Коэффициент диффузии D диффундирующий в

кристаллической решетке атомов можно определить кристаллической решетке атомов можно определить как макроскопически, так и микроскопически.как макроскопически, так и микроскопически.

J = - D grad C tср

xсрDx

2

Два определения эквивалентны

«-» - движение вещ. в направлении ↓ его концентрации;

D – коэффициент диффузии, переходящий в кубических кристаллах в скалярную величинуJ – поток атомовС – концентрация диффундирующих атомов

Dx – компонент коэффициента диффузии D по координате х

хср 2- Среднеквадратичное смещение диффундирующих атомов по х

∆tср – средний интервал времени, в течение которого происходит смещение

В процессе получения микроэлектронных структур часто решают задачи, в которых по заранее известному D определяют диффузионные характеристики:• распределение концентрации примеси;• поток диффузанта через какую – либо поверхность • количество введенной примеси и т. д.

Св

об

од

на

я

эне

рги

я

Самодиффузия в КРЕМНИИ осуществляется посредством вакансионного механизма

∆GmB

В кристаллической решетке при любой отличной от абсолютного нуля T существует термически равновесная концентрация собственных точечных дефектов (вакансий)

Концентрация нейтральных моновакансий :

)ex p ()ex p (][

kTkHS

HVN

ff

n

xx

v

[Vx] – абсолютная концентрация нейтральных вакансий nH – концентрация атомов в решетке (5*2222 см-3) ∆Sf – изменение энтропии решетки в пересчете на одну вакансию∆Hf – изменение энтальпии решетки на одну вакансию

Зависимость свободной энергии системы от положения мигрирующей

вакансии Рис 1.2

)exp()exp(0 kTk

HSvv mmvv

Если v0v частота прыжков атомов в узле решетки, то частота

успешных попыток через барьер ∆Gm будет:

Уравнение Аррениуса Уравнение Аррениуса

13001050 - 1370

25 - 1350

Температурный диапазон

измерения

2.442.20.655Энергия

активации

0.210.922.5 * 10-3D0, см2 /с

O(8)

B(5)

Li(3)

Примесь

800 - 1200800 - 1100

1.121.0

1.1 * 10-34 * 10-2

Au(79)

Cu(29)

900 – 13601100 - 1360

D=10-6 – 10-

7

См2/ сD=10-3 см2/с

------

Zn(28)

Ni(30)

Таблица 1.1. Предэкспоненциальный множитель и энергия активации для коэффициентов диффузии примесей, диффундирующих по междоузлиям

D = D0 exp (-Eα / kT)

Быстрые диффузанты

K = 8,63 *10-5 [эВ/к] постоянная Больцмана

Ea = 3.7 для B; 4.4 для P – энергия активации

D0 – Предэкспоненциальный множитель

DD0 0 зависит от :зависит от :

1.1. полупроводникаполупроводника

2.2. типа легируемой примеситипа легируемой примеси

3.3. концентрации концентрации диффундирующей примеси диффундирующей примеси

4.4. кристаллографического кристаллографического направлениянаправления

- Медленные диффузанты