Высокотемпературная диффузия – диффузия, обусловленная тепловым движением перемещающихся частиц в направлении убывания их концентрации. Она может быть общей и локальной.
Концентрация примеси ограничена предельной растворимостью примеси (максимально возможная концентрация элементов в твёрдом теле при определённой температуре).
Примеси вводимые путём диффузии называются диффузантами (бор, фосфор). Источники диффузантов – жидкости, газы, твёрдые тела.
Коэффициент диффузии – мера скорости, с которой система способна выравнивать концентрацию. Он экспоненциально зависит от температуры, следовательно, точность поддержания температуры в диапазоне 10000-13000 должна бать в пределах 0,50.
Техпроцесс высокотемпературной диффузии:
Рис. 13. Схема двухзонной установки для диффузии методом открытой трубы
1) в печь поступает аргон и вытесняет воздух;
2) происходит нагрев обеих секций: в первой зоне происходит испарение примеси (аргон захватывает атомы примеси и переносит их в зону пластин), затем происходит осаждение на пластине и диффузия.
Данный метод – локальная диффузия, которая происходит в две стадии:
1) создаётся тонкий диффузионный слой с высокой концентрацией примеси.
2) Нагрев, в результате чего происходит перераспределение примеси.
При использовании жидких примесей в аргон добавляют кислород, который, окисляя, образует оксид кремния.
Радиационно-стимулированная диффузия
Введение примеси в результате бомбардировки кремния лёгкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки между узлами кристаллической решетки. В результате атомы примеси занимают места, освободившиеся в узлах кристаллической решетки. Диффузия осуществляется из поверхностного источника примеси, сформированного заранее путем обработки ионами. Глубина проникновения зависит от длительности бомбардировки, энергии ионов и интенсивности излучения. Т=6000-7000. Направление диффузионного потока определяется расположением слоя нарушения, созданного ионным лучом. Радиационно-стимулированная диффузия позволяет получить легированный слой с различным профилем распределения концентрации примеси (затухающим по экспоненте или почти прямоугольной формы).
Ионное легирование
Так как в процессе изготовления микросхем диффузию примеси выполняют многократно, каждый последующий разогрев вызывает продолжение предыдущей диффузии. Это ухудшает воспроизводимость параметров, т.к. изменяется профиль интегральной структуры. Ионное легирование свободно от этих недостатков.
Ионное легирование – метод легирования пластины путём бомбардировки ионов примеси ускоренных достаточно для их углубления внутрь полупроводника. Эти атомы примеси частично занимают упорядоченное положение в решётке, частично нет. Для исключения последнего используют обжиг (600-7000С).
Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Но с увеличением энергии возникают радиационные эффекты (максимальная энергия 10-150 кЭв). При этом толщина слоя 0,1-0,4 микрона. Т.к площадь ионного пучка меньше площади кристалла, пучок сканирует по поверхности кристалла.
Ионное легирование может быть как общим так и локальным.
Преимущества:
1) низкая температура процесса
2) хорошо контролируемая воспроизводимость
3) изотопная частота ионов легирующей примеси
4) возможность точного задания конфигурации примеси по глубине и по площади
5) возможность легирования различными примесями
6) точное соответствие легированной области размерам окна маски
Недостатки:
1) сложность технологических установок
2) возникновение дефектного слоя