2. 2. Техника проведения процессов диффузии

Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диа-пазоне температур. Для кремния, например, это диапазон 1100 – 1250 ⁰С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000 – 1250⁰С . Ниже 1000⁰С значения коэффи-циентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначи-тельна. Выше 1300⁰С качество диффузионных слоев неудов-летворительно.

В зависимости от способа введения в полупроводники диф-фузанта различают диффузию из газовой, из жидкой и из твер-дой фазы.

2. 2. 1. Диффузия из газовой фазы

Если в изолированный рабочий объем диффузионной установки поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до высокой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в рабочем объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров.

В достаточно узком диапазоне температур зависимость между давлением паров Р и абсолютной температурой Т выра-жается уравнением

Р= Р₀exp(─A/RT),

где А – теплота испарения;

R – газовая постоянная;

Р₀ – константа , характеризующая данную систему.

Молекулы пара будут адсорбироваться всеми поверх-ностями, в том числе и поверхностью пластины, а при достаточно большой температуре будут диффундировать вглубь пластины. Если скорость притока новых молекул взамен ушед-ших в полупроводник равна или больше скорости диффузии, а концентрация атомов в паре мала, то поверхностная концент-рация определяется только парциальным давлением примесного пара. В идеальном случае равновесная концентрация пропор-циональна давлению пара, поэтому управле-ние поверхностной концентрацией осуществляют путем контроля давления пара.

2. 2. 2. Диффузия из жидкой фазы

При больших парциальных давлениях концентрация примеси в поверх-ностном слое может быть такой, что будет образовываться жидкая фаза, если позволяет диаграмма состояния. Практически различают два типа взаимо-действий на поверхности: образование сплава и химическое взаимодействие.

Примесные элементы (например, алюминий, индий и галлий) могут быть нанесены на пластину полупроводника испарением в вакууме. При следующей 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 химической реакции донорной или акцепторной примеси с полупроводником. Обычно имеет место взаимодействие между полупроводником и жидкой поверхностной фазой, состоящей из окисла, например S_iO₂, первоначально присутствующего на полупроводнике, и донорного либо акцепторного окисла, используемого 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.