Модели и механизмы диффузии

Назначение и задачи диффузии

Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением. Для изготовления р-n перехода используется химическая диффузия примесных атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств. Перемещение примеси в решетке происходит посредством последовательных скачков, осуществляемых в трех направлениях.

При наличии градиента концентрации собственных или примесных атомов на их диффузию оказывают влияние точечные дефекты.

Задачи технологического этапа диффузии:

• управление концентрацией легирующей примеси в подложке,
• обеспечение однородности легирования,
• обеспечение воспроизводимости процесса,
• увеличение числа подложек, подвергаемых одновременному легированию, для снижения себестоимости продукции.

Назначение диффузии:

• формирование базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии,
• создание областей истока и стока в МОП технологии,
• для легирования поликристаллического кремния.

Способы диффузии:

• диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких температурах,
• диффузия из легированных окислов,
• диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа дефектов).

Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе экспериментальных данных точных моделей, способных предсказывать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель этого анализа - определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на основе параметров технологического процесса расчетным путем.

Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе экспериментальных данных точных моделей, которые давали бы возможность предсказать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель - возможность расчетным путем определять электрические характеристики п/п приборов на основе технологических параметров.

Диффузионные модели развивались с позиций двух основных приближений:

1. Теории сплошных сред с использованием уравнений диффузии Фика. Модель, исходя из диффузионного уравнения Фика и соответственно коэффициента диффузии, определяется экспериментально путем измерения поверхностной концентрации.
2. Атомистическая теория, которая принимает во внимание взаимодействие между точечными дефектами (вакансии и междоузлия) с одной стороны и примесными атомами с другой.

Перераспределение легирующих примесей на ГРФ (границе раздела фаз):

Легирующая примесь, первоначально располагавшаяся в кремнии, будет перераспределятся на ГРФ до тех пор, пока ее химический потенциал не выровняется по обеим сторонам ГРФ, что может привести к резкому изменению концентрации примеси при переходе через ГРФ.

Равновесный коэффициент - отношение равновесной концентрации легирующей примеси в Si к равновесной в SiO₂ на ГРФ. Он устанавливается экспериментальным путем и может отличатся от равновесного значения; зависит от:

• химических потенциалов на ГРФ
• кинетики перераспределения примеси на ГРФ
• коэффициента диффузии
• примеси в SiO₂

К основным механизмам диффузии относят:

• вакансионный
• прямое перемещение по междоузлиям
• эстафетный (непрямое перемещение по междоузлиям)
• краудионный
• диссоциативный

Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму, элементы 1 и 7 группы - по междоузельному.

Вакансионный механизм (справка)

Вакансионный - это такой механизм, когда мигрирующий атом (примесный или собственный) мигрирует на место вакансии, освобождая свое место в узле кристаллической решетки.

Диффузия по междоузлиям (справка)

Данный механизм сопровождается переходом мигрирующего атома (как правило примесного) из одного положения в другое, без его локализации в узлах кристаллической решетки.

Эстафетный механизм диффузии (справка)

В отличие от междоузельного механизма диффузии, примесные атомы внедряются в узлы кристаллической решетки, вытесняя при этом собственные атомы в междоузельное пространство.

Краудионный механизм диффузии (справка)

Данный механизм тесно связан с эстафетным. При этом междоузельный атом, расположенный посередине между двумя узлами решетки, перемещается к одному из них, смещая атом, расположенный в узле. Вытесненный атом становится междоузельным и занимает промежуточное положение в решетке.

Диссоциативный механизм диффузии (справка)

Данный механизм связан с распадом комплексов молекул и диффузией составляющих их компонент (атомов или ионов) в кристаллической решетке.

Дата добавления: 2014-12-27