Файл: 000810.pdf

Розподіл домішок. В процесі отримання мікроелектронних структур нерідко розв’язують задачі, в яких за наперед відомим коефіцеєнтом дифузії визначають деякі дифузійні характеристики: розподіл концентрації домішки, товщину дифузійного шару, потік дифузанта через яку-небудь поверхню, кількість введеної домішки і т.д. Для цього потрібне розв’язання рівняння другого закону Фіка.

Практично при створенні напівпровідникових ІМС становлять інтерес два випадки дифузії: з нескінченного і скінченного джерела домішки.

Дифузія з нескінченного (постійного) джерела домішки в напівпровідникову пластину, діаметр якої значно більший її товщини, відбувається на глибину, істотно меншу товщини пластини. Під нескінченним (постійним) джерелом розуміють такий стан системи, коли кількість домішки, що йде з приповерхневого шару напівпровідника в його об'єм, рівна кількості домішки, що надходить в приповерхневий шар. Таким є джерело домішки з нескінченно великим вмістом атомів, які в ньому і у поверхні напівпровідникової пластини мають істотно більші швидкості, ніж в об'ємі пластини. Початкову і граничну умови в цьому випадку записують таким чином:

підтримувана постійною протягом всього процесу; –концентрація дифундуючої домішки на будь-якій глибині у будь-який час; – час

дифузії.

За цих умов розв’язання рівняння другого закону Фіка має вигляд

де – змінна інтеграції.

Другий член в квадратних дужках є виразом функції помилок,

де – символ, що означає доповнення функції помилок до

одиниці.

Формула (9.11) описує розподіл концентрації домішки залежно від координати (глибини) і часу (рис. 9.3,а).

137

Рисунок 9.3 – Графіки розподілу концентрації домішки в

З формули (9.11) виходить, що розподіл домішки визначається її приповерхневою концентрацією Ns , коефіцієнтом дифузії D і часом

дифузії t . Якщо процес дифузій перервати, а потім відновити, то загальний розподіл домішки

. (9.12)

У цьому виразі індекси 1 і 2 відносяться відповідно до першої і другої стадій процесу.

Максимальне значення приповерхневої концентрації (9.10),(9.11) обмежується межею розчинності домішок, дифундуючих в напівпровідник. Густина потоку домішкових атомів, проникаючих в напівпровіднику через поверхню при x = 0,

Кількість домішок дифундуючих в напівпровідник за час t

. (9.14)

Дифузія зі скінченного (обмеженого) джерела має місце, коли граничною умовою є абсолютно непроникна поверхня. При цьому потік через поверхню ( x = 0 ) відсутній при всіх значеннях t і 0 , тобто

138

.

Умови дифузії зі скінченного джерела домішки одержують таким чином: в тонкому приповерхневому шарі напівпровідникової пластини d створюють надмірну концентрацію домішки Ns (заганяння), після чого поверхню пластини покривають матеріалом із значно меншим, ніж у напівпровідника, коефіцієнтом дифузії (наприклад, SiO2 ) і піддають

нагріву, під час якого відбувається дифузія домішки в глибину пластини (розгін), а на її поверхні (при х = 0) потік домішки практично рівний нулю протягом будь-якого часу. При цьому початкові умови для домішкового розподілу такі:

(9.15)

За цих умов розв’язок рівняння другого закону Фіка має вигляд

(9.16)

де Q – загальна кількість домішки в напівпровідниковій пластині у будь-який момент часу.

Рівняння (9.16) є функцією розподілу (закон) Гауса і показує розподіл концентрації домішки залежно від глибини і часу (рис. 9.3, б).

Порівняння рівнянь (9.11) і (9.16), що описують розподіл домішки для двох основних граничних умов, показує: в першому випадку концентрація домішки на поверхні пластини залишається постійною, а усередині пластини весь час підвищується і при ; у

другому випадку концентрація домішки на поверхні пластини постійно зменшується і при t→∞ загальна кількість домішки в пластині Q прямує до рівномірного розподілу на всій її глибині.

Дифузія з нескінченного джерела проводиться в основному при ізоляції напівпровідникових структур і формуванні емітерних областей, а дифузія зі скінченного джерела – при створенні багатошарової структури і формувань базових областей транзисторів, а також при ізоляції структур.

Радіаційно – стимулююча дифузія. Цей метод дифузії заснований на введенні домішки в результаті бомбардування напівпровідникового кристала легкими іонами з енергією, достатньою для зсуву атомів підкладки в міжвузлові положення.

Вакансії, що утворюються, мігрують в кристалі, міняючись положенням в гратках з сусідніми атомами, внаслідок чого домішкові атоми займають положення у вузлах кристалічних граток, здійснюють таку дифузію з поверхневого джерела домішки, сформованого наперед шляхом додаткового оброблення поверхні пластини іонами електрично неактивних домішок ( H , He, N , Ar і ін.). Опромінювання проводиться або в процесі

139

термообробки, або перед нею іонами високої енергії (10-100 кеВ), низькоенергетичними іонами або нейтральними частинками (до 5 кеВ). Глибина проникнення домішки з поверхневого джерела залежить від тривалості бомбардування t, енергії іонів і інтенсивності опромінювання.

Розподіл концентрації домішок при радіаційно-стимулюючій дифузії визначається виразом

де – поверхнева концентрація; – дифузійна довжина пробігу дефекту; – коефіцієнт дифузії залежний від надмірної відносно термічно рівноважної концентрації коефіцієнта дифузії вакансій.

Технологія радіаційно-стимулюючої дифузії проводиться при температурах 600-700°С, що значно нижче за температури високотемпературної дифузії. При цьому напрям дифузійного потоку визначається не градієнтом домішки в пластині, а розташуванням шару порушень, створюваних іонним променем, а швидкість генерації дефектів визначається не температурою, а параметрами іонного променя. В результаті велика частина введеної домішки знаходиться у вузлах кристалічних граток в електрично активному стані.

Радіаційно-стимулююча дифузія дозволяє одержувати леговані шари з різним профілем розподілу концентрації домішок – експоненціально затухаючої або майже прямокутної форми. Даний метод дифузії найбільш доцільний при легуванні напівпровідникових з'єднань, а також напівпровідників, в яких дифузія відбувається при дуже високих температурах.

9.5 Іонне легування напівпровідників

Мікроелектронні структури можна одержувати за допомогою електронного і іонного променів (пучків). Таку технологію називають еліонною, а всі питання, що відносяться до її реалізації – еліонікою.

Еліонну технологію застосовують для різних видів оброблення – мікрофрезерування (гравіювання, літографії), мікрозварювання, різці, створення р-n-переходів і ін., а також для інтенсифікації фізико-хімічних процесів, що відбуваються на поверхні напівпровідникової або діелектричної підкладки, десорбції, полімеризації, конденсації, деструкції і т.д.

Найбільш широко використовують еліоніку в технології напівпровідникових ІМС для локального легування напівпровідників, заснованого на іонному впровадженні домішок.

Сутність іонного легування полягає в такому. Іони домішки, одержувані із спеціальних джерел, швидшають і фокусуються в електричному полі, потрапляють на підкладку, бомбардуючи її. Маючи

140

велику енергію (10-103 кеВ), вони впроваджуються в поверхневий шар напівпровідника. При впровадженні в кристалічні гратки іони втрачають свою енергію внаслідок кулонівської взаємодії з атомами гратки, порушуючи або іонізуючи їх, так і через пружні (ядерних) зіткнення з атомами, в результаті яких утворюється велике число точкових дефектів гратки (міжвузлові атоми підкладки і вакансії). В загальному випадку при іонному впровадженні атоми домішки частково займають певне положення в гратках, а частково підпорядковане. Для впорядкування порушеної упровадженням іонів структури і тим самим створення електрично активної домішки підкладки піддають відпалу при температурі 650—700°С. Застосовують також лазерний відпал.

Таким чином, процес іонного легування складається з впровадження іонів і відпалу, одночасного з упровадженням або після нього.

Характерною особливістю іонного легування є те, що зміст упроваджених атомів домішки визначається не фізичними властивостями підкладки (як при дифузії), а умовами впровадження іонів і температурою відпалу, яка значно нижча, ніж при дифузії.

Іонне легування створюється на установці, схема якої показана на рис. 9.4. Джерело іонів 1 складається з камери, призначеної для іонізації пари легуючих елементів, і екстрагуючого іони зонда. Іонізація проводиться у високочастотному або дуговому розряді. Початковими матеріалами для отримання іонів фосфору і бору, які в основному використовують при легуванні кремнію, є червоний порошкоподібний або кристалічний фосфор і галогеніди бору. Речовину у вигляді твердої фази завантажують в тигель джерела, а пари галогенідів поступають в джерело через натікач.

Екстраговані за допомогою негативно зарядженого зонда додатні іони концентруються і фокусуються в пучок з густиною до 100 А/м2 . Під дією напруги прискорювальної системи 2 (20-200 кВ) іонні пучки набувають необхідної енергії, достатньо потужної для іонного впровадження.

141