технология легирования методом термодиффузии
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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