Презентация Проекитрование и производство изделий интегральной электроники. Диффузия примесей онлайн

Содержание слайда: ПРОЕКИТРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ

Содержание слайда: Цель процесса диффузии Цель процесса диффузии Внедрение атомов легирующего элемента в крис- таллическую решётку полупроводника для образо- вания области с противоположным относительно исходного материала типом проводимости. Обра- зованная область оказывается ограниченной p-n-пе- реходом. Количество вводимой примеси должно: Компенсировать влияние примеси в исходном ма- териале; Создавать избыток примеси для обеспечения про- водимости противоположного типа. Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (неском- пенсированной примеси).

Содержание слайда: Образование p-n-перехода Образование p-n-перехода Концентрация введённой примеси монотонно убы- вает в направлении от поверхности, через которую происходит диффузия, вглубь кристалла. Переход образуется на глубине Xj, где концентрация введён- ной примеси оказывается равной концентрации ис- ходной примеси Cисх.

Содержание слайда: Особенности формирования конфигу-рации диффузионных областей Особенности формирования конфигу-рации диффузионных областей 1. Размеры диффузионных областей в плане опре- деляются размерами окна в слое окисла кремния (т.к. скорость диффузии в SiO2 на несколько поряд- ков ниже, чем в кремнии); 2. Диффузия примеси происходит изотропно, т.е. боковые стенки p-n-перехода всегда расположены под слоем окисла, а размеры диффузионных облас- тей больше размеров окна по всему периметру. 3. Смещение p-n-перехода за счёт боковой диффу- зии принимают равным глубине диффузионной об- ласти, что учитывают при проектировании шаб- лонов.

Содержание слайда: Термины и определения Термины и определения Диффузия в полупроводниках – процесс после- довательного перемещения атомов примеси в кристаллической решётке, обусловленный теп- ловым движением. В полупроводниках существует два вида диф- фузии: - Самодиффузия – диффузия в кристалле, нахо- дящемся в состоянии химического равновесия (однородный химический состав и распределе- ние собственных дефектов); - Химическая диффузия – диффузия в условиях, когда градиенты химических потенциалов вы-зывают появление результирующих химичес- ких потоков

Содержание слайда: Диффузия в технологии ИИЭ Диффузия в технологии ИИЭ Для формирования p-n-переходов исполь- зуется химическая диффузия примесных (растворенных) атомов, которые вводят- ся в кристаллическую решетку для измене- ния её электрофизических свойств.

Содержание слайда: Модель диффузии Модель диффузии При повышенной температуре атомы в узлах решётки колеблются вблизи равновесного поло- жения. Перемещение примеси в решётке происхо- дит посредством последовательных скачков, осу- ществляемых в трёх направлениях. Основные механизмы диффузии: - Вакансионный; - Межузельный; - Эстафетный; - Краудионный; - Диссоциативный.

Содержание слайда: Диффузия по вакансиям Диффузия по вакансиям Механизм диффузии, при котором мигрирующий атом (примесный или собственный) перемещает- ся на место вакансии, а на его месте в узле крис- таллической решетки образуется новая вакансия.

Содержание слайда: Диффузия по междоузлиям Диффузия по междоузлиям Данный механизм сопровождается переходом ми- грирующего атома (как правило примесного) из од- ного междоузлия в другое без его локализации в уз- лах кристаллической решетки.

Содержание слайда: Эстафетный механизм Эстафетный механизм В отличие от междоузельного механизма диффу- зии, примесные атомы внедряются в узлы крис- таллической решетки, вытесняя при этом собст- венные атомы в междоузельное пространство.

Содержание слайда: Краудионный механизм диффузии Краудионный механизм диффузии Данный механизм тесно связан с эстафетным. При этом междоузельный атом, расположенный посередине меж-ду двумя узлами решетки, перемещается в направлении одного из них, смещая его из положения в узле решетки. Вытесненный атом становится междоузельным и зани-мает промежуточное положение в решетке.

Содержание слайда: Диссоциативный механизм диффузии Диссоциативный механизм диффузии Данный механизм связан с распадом комп- лексов молекул и диффузией составляю- щих их компонент (атомов или ионов) в кристаллической решетке.

Содержание слайда: Количественные Количественные закономерности диффузии В связи с малой толщиной диффузионных областей по сравнению с размерами в плане задачу диффузии рассматривают как одномерную Первый закон Фика:

Содержание слайда: Уравнение Аррениуса Уравнение Аррениуса D = D0 exp(–Ea/kT) k = 1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура процесса; Ea – энергия активации процесса диффузии; D0 – коэффициент, зависящий от рода полу-проводника и диффундирующей примеси.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Второй закон Фика Второй закон Фика Описывает изменение концентрации растворенного вещества во времени 1. При низкой концентрации примеси и малых Xj ко-эффициент диффузии не зависит от концентра-ции: 2. В случае высокой концентрации примеси и больших Xj коэффициент диффузии зависит от концен-трации:

Содержание слайда: Диффузия из неограниченного источника Диффузия из неограниченного источника Начальные условия: С(x, 0) = 0. Граничные условия: С(0, t) = С0; С(x>>0, t)=0. Решение 2 закона Фика:

Содержание слайда: Нормированное распределение дополнительной функции ошибок Нормированное распределение дополнительной функции ошибок

Содержание слайда: Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника

Содержание слайда: Зависимость предельной растворимос- Зависимость предельной растворимос- ти некоторых элементов в кремнии в твердой фазе от температуры

Содержание слайда: Диффузия из ограниченного источника Диффузия из ограниченного источника Начальные условия: С(x, 0) = 0. Граничные условия: C(x,∞)=0 Решение 2 закона Фика:

Содержание слайда: Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника

Содержание слайда: Особенности применения чистых легирующих элементов Особенности применения чистых легирующих элементов Использовать чистые легирующие элемен- ты в качестве источников примеси в про- цессе диффузии затруднительно: Бор является тугоплавким элементом и при температуре диффузии имеет нич-тожно малую упругость пара; Фосфор при нагреве легко воспламеня-ется; Мышьяк – высокотоксичен.

Содержание слайда: Способы диффузионного легирования В качестве источников примеси применяют различные соединения (ангидриды, галогени- ды, гидриды легирующего элемента (т.н. диффузанты). По способу нанесения диффузанта процессы раз- личают: Нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник): - твёрдый источник; - жидкий источник; - газообразный источник. 2. Нанесение диффузанта на пластины крем- ния до диффузии (примесные покрытия).

Содержание слайда: Диффузия из жидкого источника Диффузия из жидкого источника

Содержание слайда: Диффузия из газообразного источника Диффузия из газообразного источника Источником примеси является баллон со сжатым газом (B2H6, PH3).

Содержание слайда: Особенности диффузии из газообразных источников Особенности диффузии из газообразных источников Метод характеризуется высокой техноло- гичностью, воспроизводимостью и легкос- тью управления концентрацией примеси; Недостатком метода является высокая токсичность гидридов, что требует тща- тельной герметизации элементов установ- ки, сбора продуктов реакции на выходе, кон- троля производственной атмосферы. ПДК (мг/м3) диборана (B2H6)–0,5, фосфина (PH3)– 0,1, арсина (AsH3) – 0,3, стибина (SbH3) – 0,05.

Содержание слайда: Диффузия из твёрдого источника Диффузия из твёрдого источника Твёрдый планарный источник (ТПИ) – пласти- на, содержащая твёрдый диффузант (B2O3 или P2O5) и инертную тугоплавкую основу. ТПИ располагают непосредственно в зоне диффузии между кремниевыми пластинами.

Содержание слайда: Акцепторные ТПИ Акцепторные ТПИ Представляют собой кремниевую пласти- ну с нанесенным слоем B2O3 либо пластину нитрида бора, обработанную в сухом кис- лороде при температуре 1200°С: 4BN+3O2→2B2O3+2N2

Содержание слайда: Донорные ТПИ Донорные ТПИ Примером может служить пластина ме- тафосфата алюминия, который в диапа- зоне температур 700 – 1200 °С разлагает- ся по реакции: Al(PO3)3 → AlPO4+P2O5.

Содержание слайда: Технология диффузии из Технология диффузии из внешнего источника

Содержание слайда: Особенности устройства реактора Особенности устройства реактора Диффузия проводится в кварцевой трубе, снабженной резистивным нагревателем; В зоне диффузии длиной 40 – 60 см поддер- живается температура до 1250 °С с точ- ностью ± 0,25 – 0,5 °С; При температурах более 1200 °С в качест- ве материала реактора предпочтительно использовать вместо кварца карбид крем- ния (SiC).

Содержание слайда: Загрузка - выгрузка пластин Загрузка - выгрузка пластин Для групповой загрузки пластин применяют кассе- ты из кварцевого стекла или карбида кремния. Для загрузки-выгрузки кассет используют стер- жень с крючком либо консольный загрузчик.

Содержание слайда: Загрузка – выгрузка в Загрузка – выгрузка в вертикальном реакторе

Содержание слайда: Подача диффузанта Подача диффузанта Для насыщения парами диффузанта транспортирующий газ (N2, Ar) пропускает- ся над жидкостью либо барботируется через нее. Питатель источника диффузанта, как правило помещают в термостат. Расход транспортного газа составляет 0,5 – 1,5 л/ч. При постоянном расходе транспортирую- щего газа концентрация диффузанта в нем регулируется температурой источника. При необходимости окисления кремния кис- лород подают в смеси с транспортным га- зом.

Содержание слайда: Технологические процесс загонки примеси Технологические процесс загонки примеси Перед загонкой примеси стенки трубы и пустые кассеты насыщают примесью при температуре диф- фузии (для исключения обеднения рабочей смеси в ра- бочем процессе). Операционный цикл: 1. Продувка реактора азотом с расходом до 150 л/ч; 2. Вывод реактора на заданную температуру (2 – 3 ч); 3. Загрузка кассеты с пластинами и прогрев ее в тече- ние 10 мин с подачей азота; 4. Подача азота с парогазовой смесью (диффузант, кислород); 5. Выдержка при постоянной температуре в течение контролируемого времени (процесс диффузии); 6. Отключение подачи ПГС и извлечение кассеты с пластинами.

Содержание слайда: Температурно-временная диаграмма процесса диффузии ТПИ Температурно-временная диаграмма процесса диффузии ТПИ

Содержание слайда: Влияние окисляющей среды на процесс диффузии Влияние окисляющей среды на процесс диффузии Растущая в процессе диффузии плёнка SiO2 предохраняет по- верхность кремния от эрозии и нежелательных химических ре- акций, что повышает воспроизводимость параметров диффу- зионных областей. Стадии окислительного процесса: Взаимодействие диффузанта с кислородом в газовой фазе с выделением ангидрида легирующего элемента: BBr3+O2→B2O3+Br2; B2H6+O2→B2O3+H2O; POCl3+O2→P2O3+Cl2; PH3+O2→P2O5+H2O; 2. Диффузия ангидрида через растущий окисел к границе разде- ла Si-SiO2; 3. Взаимодействие молекул ангидрида с кремнием и выделение атомарной примеси: P2O5+Si→SiO2+P; B2O3+Si→SiO2+B; 4. Диффузия атомов легирующего элемента в кристалличес- кой решетке кремния. Окисление происходит за счёт диффузии молекул кислорода через окисел и последующего взаимодействия с кремнием (Si+O2→SiO2).

Содержание слайда: Легирование без добавления кислорода Легирование без добавления кислорода Коэффициент диффузии ангидрида в окисле крайне мал. Поэтому при достижении плёнкой SiO2 толщи- ны, достаточной для защиты кремния, подачу кис- лорода прекращают. В этом случае выделение ато- марного фосфора или бора из диффузанта будет происходить за счёт термической диссоциации : PH3→H2+P. Образующийся в процессе загонки окисел кремния с примесью P2O5 или B2O3 представляет собой ФСС или БСС. При разгонке примеси может служить внешним (неучтенным) источником примеси и под- лежит стравливанию после процесса диффузии.

Содержание слайда: Диффузия из примесных покрытий Диффузия из примесных покрытий

Содержание слайда: Особенности диффузии Особенности диффузии из примесных покрытий Концентрация примеси в кремнии зависит от: - концентрации примеси в покрытии; - толщины покрытия; Методы нанесения примесного покрытия: Из растворных композиций; Химическим осаждением из газовой фазы; Распылением в вакууме.

Содержание слайда: Достоинства диффузии из поверхностных источников Достоинства диффузии из поверхностных источников Пределы поверхностной концентрации в пределах от 1016 до 1020 см-3; Высокая воспроизводимость параметров диффузионных слоев в т.ч. на пластинах больших диаметров; Возможность одновременного внедрения примесей различного типа.

Содержание слайда: Технология разгонки примеси Технология разгонки примеси 1. Загрузка кассеты с пластинами в реактор, нагре- тый до температуры 850 °С, и прогрев ее в течение 10 мин в среде азота; 2. Подъём температуры в реакторе до требуемой температуры диффузии (1050 – 1200 °С) в среде N2; 3. Выдержка при постоянной температуре в тече- ние контролируемого времени в среде азота (про- цесс разгонки); 4. Снижение температуры в реакторе до 1000 °С 5. Пирогенное окисление пластин (кислород увлажня- ется сжиганием в нем водорода); 6. Снижение температуры в реакторе до первонача- льного уровня; 7. Выгрузка пластин из реактора.

Содержание слайда: Эволюция структуры Эволюция структуры

Содержание слайда: Особенности многостадийной диффузии Особенности многостадийной диффузии Диффузия примеси продолжается на всех высокотемпературных операциях (диффузия, окисление и т.д.); Данный эффект учитывается введением в рас-пределение Гаусса вместо множителя Dt сум-мы: i – порядковый номер операции, ti – время ее выполнения, n – число операций, связанных с нагревом пластины.