Термическая диффузия технологии производства ИС

 

Термическая диффузия применяется для введения в п/п легирующей примеси с целью создания pn перехода при этом легирующая примесь должна образовать растворы внедрения или замещения. Концентрация легирующей примеси должна быть достаточной для перекомпенсации примеси в исходном п/п материале, в противном случае не будет наблюдаться образование pn перехода

 

Рассмотрим структуру п/п платины в процессах термической диффузии.

Перед проведением термической диффузии п/п пластину n-типа окисляют по всей поверхности, затем с использованием фотолитографии вместе с созданием pn перехода вскрывают окно в . Поскольку скорость диффузии в плёнку на несколько порядков ниже, чем в п/п подложку тонкая плёнка (>0,32мкм) выполняет роль маски, закрывая поверхность кремния от введения легирующей примеси, следовательно введение легирующей примеси происходит только в участке п/п, незакрытой . Т.к. скорость диффузии невелика, то концентрация легирующей примеси монотонно убывает при движении вглубь кристалла. На некоторой глубине концентрация легирующей примеси равняется концентрации примеси в исходной положке. Эта глубина определяет границу pn перехода ()

 

При термической диффузии легирующая примесь диффундирует не только в глубь кристалла, но и в боковые области заходя под маску созданной плёнки . Границы перехода в боковую область определяется, как 2/3 глубины pn перехода. Наличие боковой диффузии является важным фактором в технологии производства ИС. Боковая диффузия должна обязательно учитываться при разработке топологии ИС и изготовления фотошаблонов.

 

В качестве легирующей примеси используют элементы, обладающие высокой скоростью диффузии и хорошей растворяемостью в монокристалле кремния. В качестве акцепторной примеси (облати p-типа) обычно используют , которые являются 3-х валентными и образуют с Si примесь замещения. В качестве донарной примеси для получения областей n-типа в основном используют

 

1. Для количественного описания процесса диффузии используют законы Фика.

1-зн Фика устанавливает взаимосвязь плотности легирующей примеси с градиентомконцентрации. Для одномерного случая, когда диффузия происходит в глубь кристалла в направлении X первый закон Фика имеет вид:

, где

- плотность потока легирующей примеси;

- коэффициент диффузии, численно равный плотности потока при единичном градиенте

- концентрация легирующей примеси

- координата, направленная вглубь кристалла.

 

2. Температурная зависимость коэффициента диффузии устанавливается уравнением Аррениуса

, где

- энергия активации диффузионного процесса

- постоянная Больцмана

- абсолютная температура

- коэффициент, зависящий от типа п/п кристаллографического направления, в котором происходит диффузия легирующей примеси

 

3. Для определения распределения концентрации по глубине кристалла в зависимости от времени используют 2-й закон Фика

 

Для вывода рассмотрим участок , приращение координаты на котором составляет

(3)

 

Второй Закон Фика определяет скорость изменения концентраций легирующей примеси. Для получения распределения концентрации примеси по глубине в зависимости от времени необходимо решить дифференциальное уравнение (3). Наиболее практический интерес представляет 2 вида граничных условий, используемых для решения уравнения (3):

1-е граничное условие полагает, что диффузия происходит из неограниченного истока и следовательно концентрация примеси на поверхности п/п

2-й тип граничных условий полагает, что диффузия происходит из ограниченного источника примесей.

 

Решение уравнения (3) при граничных условиях, соответствующих неограниченному источнику будет иметь вид:

(4)

Графики распределения примеси будет иметь вид

В случае диффузии примеси из ограниченного источника решение (3) будет иметь вид

(5), где

- поверхностная концентрация примеси в слое, из которого происходит диффузия. В графическом виде решение уравнения (5) можно представить в виде:

 

Процесс диффузии обычно осуществляется в две стадии. На первой стадии осуществляют легирование п/п из неограниченного источника, обеспечивая накопление в поверхностной области п/п необходимую концентрацию легирующей примеси. Данная стадия в технологии получила название загонки примеси. Для окончательного формирования профиля pn перехода используют второй этап, когда диффузия осуществляется из ограниченного источника, созданного на первом этапе. В технологии производства ИМС второй этап получил название разгонки примеси.

Используя формулу (4) и (5) можно рассчитать режимы диффузии необходимые для создания pn перехода с заданным профилем распределения примеси. В качестве исходных данных обычно используется глубина pn перехода, вид легирующей примеси, концентрация примеси в исходном п/п. Расчёт процесса диффузии начинают с выбора температуры, при которой будет производится технологический процесс. Затем находят коэффициент диффузии при данной температуре. Используя уравнение (4) и (5) рассчитывают длительность диффузионного процесса.