9.9.6. Отжиг в атмосфере кислорода

Процессы отжига, в результате которых все имплантирован­ные ионы занимают электрически активные положения в узлах кристаллической решетки, обычно приводят к возникновению микродефектов. Эти дефекты называют вторичными дефектами. Любые образовавшиеся микродефекты приводят к образованию дислокаций и дефектов упаковки. Эти дефекты, называемые третичными дефектами, имеют достаточно большие линейные размеры, достигающие десятков мкм.

9.10. Диффузия

9.10.1. Назначение и задачи диффузии

Диффузия в полупроводниках - это процесс последователь­ного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленного тепловым движением. Для изготовления р-п-перехода используется термическая диффузия примесных ато­мов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его электрофизических свойств. Перемещение примеси в решетке происходит посредством последовательных скачков, осуществляемых в трех направлениях.

При наличии градиента концентрации собственных или при­месных атомов на их диффузию оказывают влияние точечные дефекты.

Задачи технологического этапа диффузии:

• управление концентрацией легирующей примеси в подложке;

• обеспечение однородности легирования;

• обеспечение воспроизводимости процесса;

• увеличение числа подложек, подвергаемых одновременному легированию, для снижения себестоимости продукции.

Назначение диффузии:

• формирование базовых и эмиттерных областей и диффузи­онных резисторов в биполярной технологии;

• создание областей истока и стока в МОП-технологии;

• легирование поликристаллического кремния.

Способы диффузии:

• диффузия из неограниченного источника в газовой фазе при высоких температурах;

• диффузия из легированных оксидов;

• диффузия из ионно-имплантированных слоев при последую­щем отжиге (проводится для активирования имплантирова­ния атомов и уменьшения числа дефектов).

9.10.2. Модели и механизмы диффузии

Изучение диффузии ведется в направлении создания на ос­нове экспериментальных данных точных моделей, которые да­вали бы возможность предсказать протекание процессу диффу­зии путем теоретического анализа. Конечная цель - возмож­ность расчетным путем определять электрические характерис­тики изделий электроники на основе задаваемых технологичес­ких параметров процесса диффузии.

Диффузионные модели развивались с позиций двух основ­ных приближений:

1) Теории сплошных сред с использованием уравнений диффу-

зии Фика. Адекватность модели, исходя из диффузионного уравнения Фика и соответственно коэффициента диффузии, контролируется экспериментально путем измерения поверх­ностной концентрации;

2) атомистической теории, которая принимает во внимание вза- имодействие между собственными точечными дефектами (ва- кансиями и междоузельными атомами), с одной стороны, и примесными атомами, с другой.

Перераспределение легирующих примесей на границе разде­ла фаз:

Легирующая примесь, первоначально располагавшаяся в од­ной части кремния, будет перераспределяться в другую часть до тех пор, пока ее химический потенциал не выровняется по обе­им сторонам границы раздела областей, что может привести к сглаживанию профиля концентрации примесей в объеме крем­ния.

Равновесный коэффициент - отношение концентрации ле­гирующей примеси в Si к концентрации примеси в SiO₂. Он определяется экспериментальным путем и может отличаться от равновесного значения и зависит от:

- химических потенциалов на границе раздела сред;

~ кинетики перераспределения примеси в контактирующих слоях;

• коэффициентов диффузии;

• вида примесей в контактирующих слоях.

К основным, механизмам диффузии относят:

• вакансионный;

• прямое перемещение по междоузлиям;

• эстафетный (непрямое перемещение по междоузлиям);

• краудионный;

• диссоциативный.

Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному ме­ханизму, элементы первой и седьмой групп периодической сис­темы - по междоузельному.

Рис. 9.7. Вакансионный механизм

Диффузия по вакансиям - это такой механизм, при кото­ром мигрирующий атом (примесный или собственный) переме­щается на место вакансии, а на его месте в узле кристалличес­кой решетки образуется новая вакансия.

Данный механизм сопровождается переходом мигрирую­щего атома (как правило, примесного) из одного междоузлия в другое без его локализации в узлах кристаллической решетки.

Рис. 9.9. Эстафетный механизм диффузии

В отличие от междоузельного механизма диффузии, примес­ные атомы внедряются в узлы кристаллической решетки, вы­тесняя при этом собственные атомы в междоузельное простран­ство.

Данный механизм тесно связан с эстафетным. При этом междоузельный атом, расположенный посередине между двумя узлами решетки, перемещается в направлении одного из них,

смещая его из положения в узле решетки. Вытесненный атом становится междоузельным и занимает промежуточное положе­ние в решетке.