На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 25.11.2012. Сдан: 2012. Страниц: 15. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Министерство  образования и наук Российской Федерации
Южно-Уральский  Государственный Университет
Приборостроительный факультет
Кафедра приборостроения 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа
Тема:
Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках
 

содержание
 


    Введение. Основные понятия
    В абсолютном большинстве случаев  устройства современной электроники  изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов), но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупроводниками и металлами более принципиальное - качественное. Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.
    Для того чтобы представить особенности  полупроводниковых материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.
    Любое твердое тело представляет собой  множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных разрешенных зон.
     На рис. 1 приведена  зонная диаграмма для полупроводника. Прежде всего, следует обратить внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий), которая разделяет разрешенные зоны. Отметим, что у диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников, а у металлов разрешенные зоны сливаются, так что запрещенной зоны у них нет. Ширина запрещенной зоны е3, определяющая энергетический промежуток запрещенных энергий, является важнейшим параметром полупроводника. Для наиболее часто используемых в электронике полупроводников германия, кремния и арсенида галлия ширина запрещенной зоны равна соответственно 0,7; 1,1 и 1,4эВ.
    Верхняя разрешенная зона - зоной проводимости. Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.
    Нижняя  разрешенная зона называется валентной  зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами внешней  оболочки атомов - внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.
    В полупроводниковой электронике, в  отличие от собственной электропроводности, наиболее часто используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.
    Примесными  полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый же электрон будет в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда можно даже при воздействии малой тепловой энергии.
     Рис. 2 находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси ( д 0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.
    Таким образом, появление в кремнии  атома фосфора привело к образованию  в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки.
    В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (1014...1018 атомов/см3), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.
    Атомы пятивалентной примеси принято  называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (nn>>pn), но они все-таки есть (они образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).
    Итак, за счет введения донорной примеси  образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.
    Рассмотрим  теперь дырочный полупроводник, или  полупроводник р-типа. Такой полупроводник получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.
     Находясь среди атомов кремния, атом бора образует только три заполненные  валентные связи. Четвертая связь оказывается незаполненной, однако она не несет заряда, т.е. атом бора является электрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т.е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.
    На  энергетической диаграмме, соответствующей  рассматриваемому здесь случаю (рис. 3), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси ( 0,1 эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.
    Электропроводность  дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (рр >> пр). Итак, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число их практически равно числу ионизированных акцепторов.
    Обычно  донорным примесям приписывается знак «+», а акцепторным «—». При этом суммарная концентрация примесей того или другого знака дает концентрацию электрически активных примесей в данном месте.
    При рассмотрении примесных полупроводников  обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см3).
    Если  оба типа примеси находятся в  равном количестве, такой полупроводник принято называть компенсированным. Компенсированный проводник похож на собственный, но имеет ряд интересных свойств и отличий.
 


    Процесс диффузии
    Процесс диффузии, точнее гетеродиффузии или химической диффузии в классическом смысле состоит в однородном распределении частиц в каком-то фиксированном объеме пространства, обусловленном хаотическим тепловым движением атомов, возникающем при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленном в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия. Процесс диффузии противодействует силе тяжести и внутреннему трению.
    При изготовлении интегральных микросхем  обычно применяют диффузию для создания требуемой концентрации носителей  заряда (легирования) несколькими элементами. С целью получения заданных профилей концентраций и р—n-переходов, составляющих основу полупроводниковых приборов, проводится серия процессов диффузии. Основными этапами являются: предварительное осаждение примеси и собственно диффузия.
    При температуре выше температуры Таммана (температура Таммана равна половине температуры плавления данного вещества, выраженной в абсолютных градусах) подвижность узловых атомов решетки становится значительной, и перемещения атомов в решетке являются основным механизмом диффузии. Этот процесс требует относительно большой энергии для движения каждого атома.
    С меньшей затратой энергии происходит диффузия по границам зерен и вдоль  определенных типов дислокаций. Еще  меньшей энергией активации обладает диффузия по поверхности; для некоторых материалов она может быть существенна при температурах выше половины температуры Таммана.
      Механизм диффузии в идеальных кристаллах. В идеальных монокристаллах возможны различные способы диффузии, не ведущие к нарушению совершенства решетки.
    Я. И. Френкелем в 1926 г. была развита кинетическая теория кристаллов, которая дала возможность объяснить низкую энергию активации диффузии. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, испытывают непрерывные тепловые колебания вокруг центра равновесия. Небольшая часть атомов может обладать энергией, значительно превышающей энергию связи атома с узлом решетки. Такие атомы «испаряются» из узлов и переходят в междоузельное пространство, образуя пустой узел — вакансию или дырку и дислоцированный в междоузлии атом.
    Совокупность  вакансии и дислоцированного атома и называют дефектом по Френкелю.
    Наряду  с этим в кристалле могут образовываться только одни вакансии. Если переход в междоузлия затруднен, то какой-либо поверхностный атом может быть выброшен из своего места тепловыми колебаниями, сохраняя частичную связь с телом. Образовавшаяся вакансия перемещается внутрь кристалла путем последовательного заполнения ее атомами. Подобные дефекты называют дефектами по Шоттки.
    Концентрация  дефектов по Френкелю

концентрация  дефектов по Шоттки

где N — концентрация атомов в узлах; М — концентрация междоузлий; — энергия активации перехода атома в междоузлие; — энергия активации образования вакансии.
    Количество  дефектов экспоненциально растет с  ростом температуры. Значения и с увеличением температуры уменьшаются,  что облегчает дефектообразование.
    С ростом температуры в кристалле  растет количество вакансий. Когда оно достигает величины около одной вакансии на 105 узлов, кристалл плавится. Наличие большой концентрации вакансий объясняет также образование трещин. Причиной этого может быть как механическое, так и тепловое воздействие. Быстрое охлаждение после нагрева ведет к замораживанию вакансий, так как ушедшие атомы не успевают заполнить пустые узлы.
      Механизм диффузии в реальных кристаллах. В реальных кристаллах могут проходить следующие типы процессов (рис. 4):
    смещение атома в междоузлие ( ). При этом возникает структура Френкеля. Затем идет процесс диффузии атома по междоузлиям (рис. 4, a);
    смещение атома 1 в междоузлие с последующей диффузией соседа 2 в вакансию 1, оставленную атомом 1, и дальнейшей диффузией атома 3 в вакансию 2, атома 4 в вакансию 3 и т. д. (диффузия по вакансиям с начальным образованием структуры Френкеля) (рис. 4,b);
    одновременное смещение двух, трех или четырех атомов в междоузлия с последующим занятием ими вакансий, оставленных друг другом (рис. 4, с),— дублетная, триплетная, соответственно квадруплетная круговая диффузия по междоузлиям и вакансиям;
    смещение атома 1 в свободную вакансию [ ], смещение атома 2 в вакансию 1, атома 3 в вакансию 2 и т. д. (диффузия по вакансиям в структурах Шоттки и др.).
    Механизмы а,b,с могут иметь место в кристаллах с полностью занятыми узлами.
    Для твердых тел, где преобладают  дефекты по Френкелю, возможны все  механизмы диффузии, а для кристаллов с дефектами по Шоттки наиболее характерен четвертый механизм. Процесс диффузии в твердых растворах внедрения происходит благодаря движению примесных атомов по междоузлиям, а в твердых растворах замещения может происходить всеми механизмами.
      Влияние примесей в исходном полупроводнике на диффузию. Дефекты типа примесей в исходном материале оказывают влияние на процесс диффузии вследствие двух факторов.
    Во-первых, вокруг каждого примесного атома  возникает локальная деформация кристаллической решетки, уменьшающая  энергию связи соседних атомов между  собой, что ведет к возрастанию вероятности образования вакансий. В случае диффузии по вакансиям наличие третьей примесной компоненты способствует увеличению скорости диффузии независимо от того, больше или меньше размер атомов этой компоненты по сравнению с размером атомов основного вещества.
    Во-вторых, наличие электрического взаимодействия между примесью и диффузантом может привести к возникновению дополнительной связи, которая увеличит или уменьшит энергию активации диффузии. Для германия и кремния диффузия доноров замедляется при наличии акцепторной примеси и ускоряется, если имеется донорная примесь.
      Дислокации и диффузия. Вдоль дислокационных линий диффузия идет быстрее, чем через недислоцированную решетку, так как дислокации окружены примесной атмосферой, концентрация которой может превышать равновесную концентрацию примеси в объеме, а на одной стороне дислокации, имеющей краевую компоненту, создается отрицательное давление, способствующее диффузии. В одном направлении эти эффекты действуют для атомов, расширяющих решетку, и в противоположном — для атомов, сжимающих ее.
    Кроме того, атомные перемещения происходят более часто в местах относительно беспорядочно расположенных атомов вблизи ядра дислокации, и район дислокации обладает повышенной концентрацией вакансий.
      Коэффициент диффузии. Описание диффузионного процесса невозможно без коэффициента диффузии, который зависит от температуры, энергии связи примесных атомов в решетке, концентрации вакансий, постоянной решетки, частоты колебаний атомов решетки и ряда других величин.
    Коэффициент диффузии определяет величину плотности потока атомов вещества при заданном градиенте концентрации. Так как диффузионный поток атомов вещества идет в направлении выравнивания перепада концентрации, то коэффициент D (см2/сек) является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций. Эта скорость зависит только от подвижности диффундирующих атомов в решетке полупроводника.
    Из  анализа кинетики процесса диффузии можно получить, что этот коэффициент определяется выражением , где l - длина перемещения диффундирующего атома при единичном скачке; f - частота скачков в секунду. Температурная зависимость коэффициента диффузии имеет вид
                    (5)


где — постоянная, численно равная коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре; — энергия активации диффузии. Энергия активации составляет 2,2—2,6 эВ для большинства элементов в германии и 3,5—4,3 эВ — в кремнии. На рис. 5 представлены графики температурной зависимости, коэффициентов диффузии элементов III и V группы в германии и кремнии. На рис. 6 аналогичные графики даны для быстродиффундирующих элементов других групп в кремнии.
     Если концентрация диффундирующих атомов превосходит собственную концентрацию электронов и дырок в полупроводнике при температуре диффузии, то коэффициент диффузии изменяется по толщине диффузионного слоя вследствие неравномерного распределения концентрации примеси. Из-за большого различия в коэффициентах диффузии примесных атомов и создаваемых ими подвижных носителей заряда, перемещающихся более быстро, возникает область объемного заряда, создающая электрическое поле. Это поле ускоряет диффузию примесных атомов любого типа.
    Если  примесь акцепторная, то подвижные дырки опережают фронт диффузии и создают электрическое поле, тянущее отрицательно заряженные ионы примеси. При диффузии положительно заряженных доноров тянущее поле создают электроны. Зависимость коэффициента диффузии от концентрации имеет вид
;

где — собственная концентрация носителей заряда при температуре диффузии.
      Связь растворимости и скорости диффузии. Скорость диффузии примесных атомов в металлах и полупроводниках обратно пропорциональна величине их растворимости. Если атомы растворителя и растворенного вещества идентичны, то примесь проникает в кристаллическую решетку в основном по вакансиям, замещая узлы растворителя. В результате образуется твердый раствор замещения и примесные атомы имеют большую величину растворимости. Если растворяемый атом не может замещать узел или не может удержаться там вследствие слабой химической связи, диффузия идет по междоузлиям.
    Этот  механизм характеризуется большей  скоростью диффузии; в то же время  в междоузельном пространстве может разместиться небольшое число атомов, что обусловливает малую растворимость. Поэтому в полупроводниках типа германия и кремния элементы III группы обладают большей растворимостью, чем элементы II группы, которые в свою очередь имеют большую растворимость, чем элементы I группы. Внутри группы максимальной растворимостью обладают более легкие элементы.
    Известно, что в кремнии элементы III группы быстрее диффундируют, чем элементы V группы; для германия характерна обратная картина. Это объясняется взаимодействием между атомами примеси и вакансиями. Вакансии в германии и кремнии являются акцепторами, их энергетические уровни расположены так: + 0,26 эВ (Ge) и — 0,16 эВ (Si). Будучи заряженными, они вступают в кулоновское взаимодействие с диффундирующими ионами примеси — положительно заряженные ионы притягиваются к отрицательно заряженным вакансиям, что облегчает их перемещение.
    В германии преобладает кулоновское  взаимодействие, и доноры диффундируют быстрее, чем акцепторы.
    В кремнии большинство вакансий находится  в нейтральном состоянии, поэтому  кулоновское взаимодействие между  ними и ионизированными примесными атомами отсутствует. Вследствие значительно большего различия в тетраэдрических ковалентных радиусах атомов акцепторных примесей и атомов кремния по сравнению с атомами донорных примесей и атомами кремния (см. приложение табл. 1) акцепторные примеси, как уже указывалось, диффундируют с большей скоростью, чем донорные.
      Особенности диффузии в полупроводниковых соединениях. Структура полупроводниковых соединений может быть представлена в виде двух взаимно проникающих гранецентрированных решеток*, каждая из которых состоит из атомов одного из составляющих элементов. Для соединения типа АIIIВV диффузия в подрешетке атомов III группы характеризуется меньшей энергией активации, чем соответствующая диффузия в подрешетке V группы. Если диффундирующие атомы нейтральны или однократно ионизованы, то на их движение по вакантным узлам V группы затрачивается большая энергия, чем на движение по вакантным узлам III группы. Это происходит потому, что для образования вакансии в V группе из системы связей требуется удалить 5 электронов, а для образования вакансии в III группе необходимо удалить только 3 электрона. Элементы II группы являются акцепторами, что указывает на замещение ими элементов III группы. Элементы VI группы являются донорами и замещают атомы V группы.
    Математическое  описание диффузионных процессов применительно  к идеальным газам и растворам было впервые предложено в 1855 г. А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.
      Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:

где F — вектор плотности потока атомов вещества; — вектор градиента концентрации диффундирующих атомов; D — коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии.
    Скорость  диффузии зависит от кристаллографического направления, однако при обычных условиях в полупроводниках обнаруживается только слабая анизотропия. Кроме того, при повышенных температурах в реальном технологическом процессе преимущественное перемещение атомов в наиболее «выгодном» кристаллографическом направлении перекрывается беспорядочным броуновским тепловым движением.
    Градиент  концентрации при объемной диффузии имеет три составляющих по координатным осям. Если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, на которой она происходит, то принимают, что диффузия идет в одном направлении. Одномерное уравнение Фика имеет вид

где F(х) — плотность потока, или число атомов вещества, переносимых в единицу времени через единичную площадь; — градиент концентрации диффундирующей примеси в направлении диффузии.
      Второй закон Фика определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Для одномерного случая он имеет вид

где — изменение концентрации диффундирующего вещества со временем.
    В общей формуле для одномерного  случая учитывается возможная зависимость коэффициента диффузии от концентрации примеси, так как частота обмена местами атомов зависит от структуры окружающих участков твердого тела. Если коэффициент D можно считать постоянным, то уравнение диффузии принимает вид:
                (4)

    Это допущение справедливо в большинстве  практических случаев диффузии в полупроводниках.
    В идеальных диффузионных системах, где  силы взаимодействия между диффундирующими частицами одного порядка величины с силами взаимодействия этих частиц с кристаллической решеткой, движущей силой диффузии является градиент концентрации. Этот случай и характеризует рассмотренный закон Фика. В более общем случае законы Фика следует выражать через градиент уровня химического потенциала. Химический потенциал и является функцией концентрации С, постоянной упругой деформации б и температуры Т соответственно.
    Первое  уравнение Фика в общем виде записывается так:

где - коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента концентрации; - коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента упругих напряжений; - коэффициент диффузии, обусловленный наличием градиента температуры.
    Таким образом, поток вещества определяется градиентами концентрации, упругих напряжений и температуры.
     Примером диффузии под действием градиента упругих  напряжений является восходящая диффузия (рис. 7). При изгибе кристалла атомы различных составляющих твердого раствора, ранее равномерно распределенные по кристаллу, занимают энергетически выгодные для них места: атомы с большим радиусом — в растянутой области, с меньшим радиусом — в сжатой. Конечное положение атомов соответствует равновесному состоянию с минимальной свободной энергией. Такой процесс получил название диффузия «в гору».
    Таким образом, диффузия стремится уменьшить градиент упругих напряжений или температуры, что сопровождается увеличением градиента концентраций.
      Концентрация примеси зависит от температуры и длительности «загонки» - первой стадии диффузии. При малой длительности процесса концентрация примеси на поверхности может быть достаточной, однако она быстро падает по глубине пластины. Увеличение времени «загонки» повышает концентрацию примесей под поверхностью, а концентрационный профиль делает более пологим. По мере того как легирующая примесь проходит через поверхность пластины, может наступить насыщение. Точка насыщения кристаллической решетки пластины легирующей примесью (точка максимальной концентрации) называется границей твердого раствора. Значения концентрации твердого раствора, выражаемые числом атомов в кубическом сантиметре (ат/см3), для широко распространенных примесей (бора, фосфора, мышьяка, галлия, алюминия, и сурьмы) откладываются на графике в зависимости от температуры (в диапазоне 700 ... 1400 °С). Эти данные служат для контроля уровня легирования пластины. Значения максимальной растворимости некоторых элементов приведены в приложении, табл. 4.
    После «загонки» проводится этап «разгонки», при котором легирующие примеси разгоняются на заданную глубину залегания р-n-перехода. При этом используют такую комбинацию температуры и времени, при которой обеспечивается заданный профиль легирующих примесей. Процесс осуществляется в диффузионной печи в окислительной атмосфере кислорода без добавки дополнительного количества легирующих примесей.
    После проведения операции диффузии измеряются глубина залегания р-n-переходов и поверхностное сопротивление пластин. Поскольку при изготовлении интегральных микросхем диффузия применяется многократно, а глубина залегания примесей увеличивается с каждой стадией диффузии, то требуется тщательный анализ влияния этих многократных стадий. Одним из методов уменьшения глубины залегания при каждой новой стадии «разгонки» является проведение в первую очередь наиболее высокотемпературной диффузии. При этом сначала используются примеси с самым высоким показателем растворимости и малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк), а затем менее растворимые примеси с большим значением коэффициента диффузии (например, фосфор).
    Диффузионные  установки снабжаются микропроцессорами  для автоматического управления их работой, достижения большей точности легирования и создания очень тонких слоев.
 


    Технология диффузии
    С тех пор, как метод диффузионного введения примесей в полупроводник был впервые использован для создания р—n-переходов, и до настоящего времени идет постоянное его совершенствование. Оно направлено на повышение воспроизводимости основных параметров диффузионных слоев — поверхностной концентрации примеси и толщины, на расширение диапазона их регулирования, а также на общее снижение стоимости проводимых процессов.
    В технологии интегральных микросхем для получения легированных слоев различного типа проводимости преимущественно используется высокотемпературная диффузия примесей в полупроводниковую пластину. Несмотря на то, что появились новые эффективные методы создания легированных полупроводниковых слоев (эпитаксия, имплантация), термическая диффузия остается наиболее распространенным способом в производстве интегральных микросхем.
    Теоретический анализ процесса, как правило, сводится к расчету распределения легирующей примеси в объеме твердого тела при заданных значениях температуры, времени или других граничных условиях.
     Если на поверхности  пластины кремния имеется пленка двуокиси, то образующийся, при диффузии р-n-переход обладает в несколько раз меньшей глубиной, чем это следует из теоретических расчетов, а иногда и совсем не образуется. Поверхностная концентрация может уменьшаться на несколько порядков. Исследование данного явления показало, что коэффициент диффузии примесных атомов в пленке двуокиси кремния имеет величину в 10—103 раз меньшую, чем в объеме кремния при той же температуре (это лежит в основе использования пленки в планарной технологии). Оценочные значения коэффициента диффузии при присутствии двуокиси и без нее приведены в приложении, таблице 4. наглядно эти процессы продемонстрированы на рис. 8.
    При диффузии в кремний, поверхность  которого покрыта пленкой двуокиси кремния, атомы примеси вначале проходят через слой окисла, а затем диффундируют в объем полупроводника. Объемный поток характеризуется поверхностной концентрацией, определяемой степенью проницаемости окисной пленки.
    При наличии на поверхности полупроводника пленки окисла диффузия примесных атомов описывается двумя уравнениями:
    при
    при
где f и v относятся к пленке и объему полупроводника, а w – толщина окисла.
    Для правильного расчета характера  распределения диффундирующей примеси в области полупроводника, расположенной под краем «окна» в пленке двуокиси кремния, при получении р-n-перехода локальной диффузией необходимо решить неодномерное уравнение Фика. Для источника с постоянной поверхностной концентрацией примеси используют двумерное решение, справедливое для диффузии в круглые и квадратные «окна». Для источника с фиксированным количеством примесей может быть получено трехмерное решение. Так как конечные аналитические выражения очень громоздки, то для иллюстрации диффузии из источника с постоянной поверхностной концентрацией в случае двумерной задачи и из источника с фиксированным количеством примеси в случае трехмерной задачи приведены графики рис. 9, где показаны распределения концентраций примесных атомов в относительных единицах и соответственно. Эти кривые определяют положения р-n-переходов для различных уровней легирования полупроводника. Для обоих видов распределений диффузия примесных атомов идет более глубоко в направлении, перпендикулярном поверхности пластины, чем вдоль границы окисел — полупроводник.
    При расчетах предполагалось, что диффузия через пленку несущественна и что поверхностный коэффициент диффузии (вдоль границы раздела ) совпадает с объемным.
    Диффузия  из источника с постоянной поверхностной концентрацией приводит к увеличению градиента концентрации примеси на поверхности полупроводника непосредственно под окисной маской. Однако это обусловит уменьшение напряжения лавинного пробоя только при соотношении объемной и поверхностной концентраций , что практически не встречается.
    Диффузия  из источника с фиксированным количеством примеси приводит к распределению с максимальным градиентом концентрации в глубине полупроводника на достаточно большом удалении от края окисной маски. Этот максимальный градиент равен градиенту концентрации, определяемому одномерным решением уравнения Фика.
    Процесс переноса примесей через границу  раздела стеклообразный окисный источник — полупроводник сложен и до конца не изучен. Он включает в себя следующие стадии:
    1) взаимодействие полупроводникового  материала с окислом примесесодержащего вещества;
    2) окисление полупроводникового материала  диффундирующим через пленку источника кислородом газовой фазы;
    3) формирование стекла, состоящего  из окислов полупроводника и  примеси;
    4) образование (в связи с протеканием  стадии 1) на границе раздела атомов  примеси, их растворение и диффузия вглубь полупроводника;
    5) перемещение границы раздела источник — полупроводник вглубь полупроводникового материала (за счет протекания процессов 1 и 2);
    6) образование в окисной фазе  вблизи границы раздела промежуточных  окислов в связи с дефицитом  кислорода в этой области;
    7) увеличение толщины окисной фазы в связи с продолжающимися осаждением примесесодержащего окисла и окислением полупроводникового материала.
    
    Все эти стадии состоят из ряда достаточно сложных этапов, протекают одновременно и комплексно определяют результат процесса диффузии. Для случая локальной диффузии бора в Si схема диффузионного очага изображена на рис. 10.
 


    Техника проведения процессов  диффузии
    Диффузию  проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300° С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300° С. Ниже 1000° С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300° С качество диффузионных слоев неудовлетворительно.
    Поскольку диффузионные процессы легирования полупроводниковых пластин применяются в производстве уже около 40 лет, то эти процессы достаточно хорошо изучены и построены их модели для различных условий. Предложено большое число методов диффузионного легирования, отличающихся физическим состоянием (газообразное, жидкое, твердое) источника легирующей примеси — диффузанта, способом подвода примеси к подложке, конструкцией аппарата, расположением подложек и т. п. Сравнительная оценка этих методов приведена в приложении табл. 2.

Диффузия из газовой фазы. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров.
    В достаточно узком диапазоне температур зависимость между давлением  паров р и абсолютной температурой Т выражается уравнением

где — теплота испарения; R — газовая постоянная; — константа, характеризующая данную систему.
    Молекулы  пара будут адсорбированы всеми  поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, а при достаточно большой температуре будут диффундировать вглубь. Если скорость притока новых молекул взамен ушедших в полупроводник равна или больше скорости диффузии, то в поверхностном слое устанавливается равновесная концентрация атомов, равная предельной растворимости при данной температуре. Если скорость притока новых молекул меньше или равна скорости диффузии, но концентрация атомов в паре мала, то поверхностная концентрация определяется только парциальным давлением примесного пара. В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией осуществляют путем контроля давления пара.
    Для разбавленных растворов, какими можно  считать твердые растворы примесей в полупроводниках, поверхностная концентрация С0 связана с давлением примесных паров следующим соотношением:

где — собственная концентрация атомов полупроводника; p - давление пара над чистым примесным веществом при температуре Т; п — число атомов в молекуле паров примеси; — постоянная, характеризующая систему.
    Если  равновесие на поверхности достигается за время, меньшее чем длительность диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной.

Диффузия из жидкой фазы. При больших парциальных давлениях концентрация примеси в поверхностном слое может быть такой, что будет образовываться жидкая фаза, если позволяет диаграмма состояния. Практически различают два типа взаимодействий на поверхности: образование сплава и химическое взаимодействие.
    Примесные элементы, например Аl, In и Ga , могут быть нанесены на пластину полупроводника испарением в вакууме. При последующей диффузии на поверхности пластин в соответствии с фазовой диаграммой образуется жидкий сплав. Поверхностная концентрация определяется только термодинамическими свойствами системы примесь — полупроводник и равна предельной растворимости примеси при данной температуре диффузии.
    Второй  тип взаимодействий на поверхности  заключается в быстрой химической реакции донорной или акцепторной примеси с полупроводником. Обычно имеет место взаимодействие между полупроводником и жидкой поверхностной фазой, состоящей из окисла, например , первоначально присутствующего на полупроводнике, и донорным либо акцепторным окислом, используемым при диффузии. При температуре выдержки в реагирующей фазе устанавливается равновесная концентрация доноров или акцепторов. Скорость перехода примеси из этой фазы в полупроводник очень велика, и распределение примеси соответствует случаю источника с постоянной поверхностной концентрацией, как и при наличии сплава.
      Диффузия из твердой фазы — это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в примыкающую к ней другую область этого же полупроводника, свободную от примеси данного типа.
    Таким образом, для диффузии из твердой  фазы характерно наличие начального резкого перепада концентраций диффундирующей примеси. Структуры со ступенчатым начальным распределением примеси получают при выращивании эпитаксиальных пленок, путем создания рекристаллизованного слоя при сплавлении и путем предварительного диффузионного или ионно-лучевого легирования тонкого поверхностного слоя полупроводника. Эти виды структур различаются по толщине легированного слоя, из которого идет диффузия.
      Способы проведения диффузии. Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе.
    Наибольшее  распространение имеет диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников. В этом случае (рис. 11, а) пластины полупроводника 1 и источник 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую эвакуируют, герметизируют и помещают в печь 4.
    Термин  «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 11,б-д).
    Через него в зону диффузии загружают полупроводниковые пластины. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диффузионной трубы вставляют шлиф для введения газа-носителя 3 — азота или кислорода.
    Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 11,б) либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 11,в).
    На  рис. 11,г показана схема двухзонной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников методом открытой трубы, на рис. 11.д — схема бокс-метода. В последнем случае пластины и источник находятся в полугерметичном контейнере 5 однозонной печи.
    При изготовлении планарных приборов и  интегральных схем процесс диффузии, как уже отмечалось, обычно проводят в две стадии.
    Первая  стадия процесса легирования начинается с пропускания инертного газа через всю систему — промывка системы. Затем некоторое время пропускается смесь азота с кислородом, но без диффузанта, чтобы получить тонкую пленку Si02, предохраняющую поверхность кремния от различных повреждений и от травления ее соединениями диффузанта. На поверхности кремния создается тонкий диффузионный слой. Загонку осуществляют в печах с двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией температурах.
    После загонки пластины вынимают из печи и с их поверхности удаляют слой окисла, содержащего диффузант.
    На  второй стадии (разгонке) пластины полупроводника нагревают в однозонной печи в атмосфере, не содержащей атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответствует диффузии из источника ограниченной мощности.
    Двухстадийная диффузия имеет два основных преимущества по сравнению с одностадийной:
       1)разделение  процесса на две стадии делает  его более управляемым, что  повышает воспроизводимость и упрощает его контроль;
       2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотемпературная, а на второй стадии нет паров диффузанта. Все это повышает стойкость и защитное свойство окисла.
    Качество  диффузионных слоев во многом определяется поддержанием чистоты при хранении и транспортировке пластин и особенностями нагрева и охлаждения. После химической очистки пластины хранят в метиловом спирте. Для загрузки в печь их вынимают пинцетом с тефлоновыми наконечниками и мокрыми помещают на кварцевую лодочку. В зависимости от конструкции лодочки (рис. 12) пластины располагают горизонтально или вертикально.
    
    Для того чтобы избежать неравномерного распределения диффузанта в потоке газа-носителя, перед лодочкой ставят экран из кварцевой ваты. Загруженную лодочку постепенно вводят в трубу, нагретую до нужной температуры. Поток примеси следует подводить после того, как пластины достигнут температуры диффузии. В большинстве случаев это происходит в течение нескольких минут. При диффузии из твердого источника до загрузки пластин нужно предусмотреть возможность изменять направление газового потока на противоположное на период ввода пластин. Это предотвращает конденсацию примеси на поверхности холодных пластин, пока они еще не достигли зоны нагрева.
    Другой  способ, который применяют, когда холодные пластины нужно загрузить в диффузионную печь в протоке примеси, состоит в предварительном нагреве пластин в нейтральной атмосфере. Сложность заключается в том, чтобы при перемещении пластин в печь не подвергнуть их воздействию атмосферы.
    По  истечении расчетного времени диффузии введение паров примеси прекращается и пластины вынимают. При быстром выдвижении лодочки с пластинами из печи может произойти термозакалка, поэтому лодочку вынимают медленно, чтобы скорость охлаждения не превышала 10—20 град/мин. Иногда для этого пластины охлаждают вместе с печью, плавно уменьшая мощность нагрева, что позволяет получить скорость охлаждения 1—5 град/мин. После извлечения пластин из печи и охлаждения до комнатной температуры необходимо защитить их от повреждений и загрязнений. С этой целью на поверхность пластин наносят фоторезист или коллодиевое покрытие, помещают пластины в обезвоженный органический растворитель или хранят их в скафандре с контролируемой средой.
 


    Основные  диффузанты
    Диффузантами называют те примеси, которые вводят в полупроводник в процессе диффузии. В настоящее время исследована диффузия многих примесей в кремний, германий, арсенид галлия. Все диффузанты принято разделять на две группы: примесные элементы III и V групп периодической системы, которые резко изменяют проводимость полупроводника, и примесные элементы 1 и VIII групп, которые создают в запрещенной зоне полупроводника глубоко лежащие уровни захвата или рекомбинации и изменяют время жизни носителей заряда.
    Диффузанты, используемые для формирования легированных слоев р- и п-типов в технологии интегральных микросхем, являются соединениями донорной или акцепторной примеси с водородом, галогеном, кислородом или другими элементами. Они подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. От фазового состояния диффузанта зависит способ подвода его к подложке.
    Газообразные  диффузанты (ВrН6, РН3, AsH3) обычно подмешиваются в поток газа-носителя в заданной пропорции. Для жидких диффузантов (ВВr3, РС13) применяется барбодирование газа-носителя через диффузант, вследствие чего газ-носитель насыщается парами диффузанта. Состав парогазовой смеси определяется температурой, конструкцией барботера и скоростью потока газа через него. Твердые источники диффузантов наносятся в виде пленок на поверхность полупроводника. Обычно они используются в виде силикатных стекол: фосфорносиликатное, боросиликатное и арсеносиликатное стекла.
    Почти все диффузанты —токсичные продукты, поэтому обращение с ними должно быть крайне осторожным. Газообразные диффузанты поставляются в разбавленном виде в газовых баллонах, в которых концентрация собственно диффузанта невелика (не выше 5%). Жидкие диффузанты поставляются в чистом виде в специальной таре, обеспечивающей безопасное обращение с этими жидкостями.
    Требования, предъявляемые к диффузантам:
    достаточно  высокое значение коэффициента диффузии D при рабочих температурах;
    определенная чистота, т.е. отсутствие нежелательных примесей, которые могут внедриться в полупроводник;
    диффузант не должен при взаимодействии с поверхностью полупроводника образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии, или дефектов (в том числе и трещин);
    обязательна воспроизводимость значения поверхностной концентрации от процесса к процессу;
    диффузант должен обеспечить возможность задания любой поверхностной концентрации в пределах нескольких порядков вплоть до предельной растворимости;
    источник не должен быть дефицитным, сильно токсичным и взрывоопасным.
    Для создания транзисторных структур типа п-р-п путем последовательного легирования акцепторной и донорной примесей желательно, чтобы коэффициенты диффузии их удовлетворяли неравенству Dn<g.Dp, а пределы растворимости —неравенству Спр. Для получения транзисторов типа р—п—р необходимы противоположные неравенства.
    Основные  свойства различных элементов, как легирующих примесей приведены в приложении табл. 3, 4.
    При формировании полупроводниковых микросхем  на биполярных транзисторах проводится несколько операций диффузии: для создания скрытого слоя, разделительная, базовая и эмиттерная. При создании МДП-структур диффузионным методом формируются истоки и стоки, карманы для формирования комплементарных транзисторов. Причем диффузия проводится локально в заданные области поверхности полупроводника. Выбор примеси для каждого процесса диффузии производится с учетом следующих критериев: тип проводимости, создаваемый примесью в полупроводнике; максимальная растворимость примеси в полупроводнике при температуре диффузии; коэффициент диффузии примеси в полупроводнике; коэффициент диффузии примеси в защитной маске. Эти характеристики для основных примесей для процесса диффузии в Si в качестве примера приведены в табл. 3.
    Неприемлемо использование примеси, коэффициент  диффузии которой в защитной маске сравним или больше коэффициента диффузии ее в полупроводнике. В связи в этим при использовании окисной маски на Si не применяются Ga, In, A1. Из-за малой растворимости в Si практически не используется Bi. Для диффузионных слоев, формирующихся на начальных этапах производства микросхем, во избежание перераспределения продиффундировавшей примеси на последующих высокотемпературных операциях, желательно применение примеси с малым коэффициентом диффузии. Именно поэтому для формирования скрытых слоев в Si используются As и Sb, а из этих двух примесей предпочтение отдают As, имеющему большую растворимость в Si и обеспечивающему большую электропроводность скрытого слоя. При формировании скрытого и эмиттерного диффузионных слоев, областей истока и стока требуется достижение максимальной концентрации, в то время как в базовом слое или в области кармана комплементарного МДП-транзистора концентрация примеси должна быть существенно ниже предела ее растворимости.
    Основные  параметры диффузии элементов III и V групп в кремнии приведены в приложении табл. 4.
    Донорные примеси. Наиболее широко используемыми в качестве донорных примесей при легировании полупроводниковых материалов, являются элементы V группы периодической системы — фосфор, мышьяк и сурьма. При легировании кремния для формирования слоев с электронной электропроводностью чаще других используют фосфор — единственный быстродиффундирующий донор. Это обусловлено тем, что фосфор хорошо растворяется в кремнии, имеет наибольший коэффициент диффузии, а его летучие соединения наименее токсичны. Сурьму и мышьяк применяют при формировании в кремнии сильно легированных скрытых областей, на поверхности которых впоследствии выращивают эпитаксиальные слои. Малые значения коэффициентов диффузии сурьмы и мышьяка предотвращают интенсивное размытие примесного профиля в процессе эпитаксиального наращивания.
    В качестве источника мышьяка применяют порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, триоксид мышьяка As2О3 и арсин AsH3.
    Легированный  мышьяком порошок кремния используют в качестве источника при формировании сильно легированных мышьяком поверхностных слоев методом диффузии в замкнутом объеме. Процесс проводят в отпаянных кварцевых ампулах при температуре 1420 К в течение 2-3 ч. Для получения более глубоких и высокоомных диффузионных слоев осуществляют двухстадийную диффузию, причем вторая стадия процесса идет в атмосфере сухого кислорода при температурах 1470 – 1520 К в течение 5 - 15 ч.
    При использовании в качестве твердого источника As2О3 и газообразного AsH3 применяют методы, аналогичные с применением источников Р2О5 и РН3 соответственно.
    Источником  сурьмы в твердой фазе являются чистая сурьма; кремний, легированный сурьмой; триоксид и тетраоксид сурьмы Sb2О3, Sb2О4, сурьмяно-силикатное стекло Sb2О3SiО2, в газообразной - гидрид сурьмы SbH3 (стибин). Диффузию сурьмы в кремний в замкнутом объеме проводят с использованием в качестве источника кремния, легированного сурьмой, или ее триоксида при температурах от 1370 до 1570 К.
    Тетраоксид, триоксид сурьмы и сурьмяно-силикатное стекло применяются при диффузии в кремний методом открытой трубы с использованием азота как транспортирующего газа.
    Наиболее  распространенным источником в твердой фазе является безводная пятиокись фосфора — фосфорный ангидрид . Пятиокись помещают в зону источника (рис. 11, г) и нагревают до температур 230°—300° С, при которых происходит испарение . При температурах выше 300° С поверхностная концентрация уменьшается и становится невоспроизводимой. Протекая над , газ-носитель захватывает молекулы пятиокиси и переносит их в зону диффузии. Системы такого типа обеспечивают регулирование и вопроизводимость параметров при высоких поверхностных концентрациях. Чтобы получить наилучшие результаты при использовании , нужна обезвоженная система, так как отличается высокой гигроскопичностью. Для предотвращения воздействия влаги на его помещают, в поливиниловые ампулы, заполненные аргоном.
    Для каждого цикла диффузии требуется  новая порция источника  . Кроме того, поверхностная концентрация падает через 3—4 часа после помещения в печь вследствие истощения источника. Перед диффузией в целях сохранения качества поверхности пластин и достижения стабильности источника осуществляют его старение около 30 мин в зоне источника. При этом возможна дегидратация Р
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.