Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

Образование дислокаций. Помимо дислокаций, имеющихся в исходном материале, в процессе диффузии также возникают дислокации.

    Механизм  образования дислокаций состоит  в следующем. Примесные атомы, внедряясь  в кристаллическую решетку полупроводника и имея другие атомные радиусы, генерируют в ней механические напряжения. Максимальное напряжение имеет место в начале процесса диффузии и у бора равно н/м². Это напряжение, обусловленное сжатием решетки диффузантом, достаточно для создания пластической деформации и образования дислокаций.

    Максимальная  плотность примесных атомов на поверхности образцов, которая не вызывает напряжений, равных критической величине возникновения дислокаций, равна см².

    Если  диффузия бора проводится при температурах < 1000° С, то в поверхностный слой могут внедриться см², если же температура диффузии 1100° С, то это количество возрастает до см².

    Плотность дислокаций, образующихся во время  диффузии фосфора в кремний, меньше, так как меньше величина создаваемых фосфором напряжений — в силу большего соответствия их атомных радиусов.

     Вследствие  того, что концентрация примеси изменяется по глубине диффузионного слоя, изменяется и плотность дислокации. Обычно область дислокаций не достигает р-n-перехода, как это видно на рис. 19.

    Диффузанты, у которых различие в ионных радиусах меньше, чем у бора и кремния или у фосфора и кремния, будут образовывать более совершенные р-n-переходы. К таким диффузантам относятся As, Ga, Аl. Сильно легированный бездислокационный слой можно получить, если проводить одновременно диффузию двух примесей, имеющих противоположный разброс в ионных радиусах.

Осаждение примесей. Такие металлы, как Сu, Au и Fe, характеризуются резкой температурной зависимостью их растворимости в твердом кремнии. Обычно, если не соблюдать специальных мер предосторожности, из окружающей атмосферы и температурной камеры они внедряются в объем кремния. Так как при большинстве практически важных температур процесса эти элементы обладают коэффициентами диффузии порядка 10⁷—10⁶ см²/сек, то за время выдержки они пронизывают весь объем полупроводника. При охлаждении, в результате пресыщения кремния твердыми растворами золота, меди и железа, избыток примесей выпадает в объеме полупроводника в виде микроскоплений. Преимущественное выпадение их идет на дефектах структуры и в первую очередь — на дислокациях. Так как дислокации пронизывают весь кристалл насквозь, то поперек р-n-перехода могут образоваться проводящие металлические микромостики. Это приводит к возрастанию обратного тока и появлению так называемых «мягких» вольтамперных характеристик. Обратный ток возрастает в этом случае с ростом обратного напряжения по закону , где 3<n<7/

    Осаждение быстро диффундирующих примесей Аu, Сu, Fe при охлаждении обусловлено их большой подвижностью при сравнительно низких температурах, позволяющей атомам этих элементов перемещаться в области с большой концентрацией дефектов и образовывать в них скопления. Такое осаждение определяется в основном скоростью охлаждения и очень слабо зависит от температуры и времени обработки.

    Помимо  этого, в объеме полупроводника при  определенных условиях могут образовываться осаждения медленно диффундирующих элементов, обладающих к тому же достаточной растворимостью. В частности, это относится к алюминию в кремнии. Осаждение также происходит в основном на дислокациях и иных дефектах структуры. Обычно слитки кремния содержат кислород с концентрацией до 10¹⁸ см³. Как известно, сила связи комплекса АL—О превышает силу связи АL—О, что и обусловливает возникновение скопления алюминия. Этот процесс определяется в основном температурой и почти не зависит от скорости охлаждения. Найдено, что при Т>1350°С осаждения не образуются, так как связи АL—О разорваны, при 1200—1300° С атомы алюминия заполняют дислокации, а при 1100—1200° С образуют дополнительные скопления вокруг дислокаций. Ниже 1000° С эффект осаждения значительно ослабляется и при 700° С почти не обнаруживается.

    Осаждение алюминия может приводить к возникновению  донорных уровней. Если концентрация кислорода  достигает 10¹⁸ см³, то при легировании кремния атомами алюминия до 4-10¹⁷ см³ нагрев в диапазоне 450—900° С вызывает конверсию типа электропроводности. Если концентрация АL менее 10¹⁷ см³, то максимальное образование доноров соответствует примерно одному на каждый атом алюминия при температуре 450—500° С и менее одного донора при более высокой температуре. Нагрев до 700—900° С приводит к образованию полупроводникового материала, имеющего проводимость, почти равную собственной. Нагрев выше 1000° С вызывает восстановление акцепторных свойств, однако часть акцепторов необратимо исчезает, образуя нейтральные соединения алюминия с кислородом. Термообработка при 1325° С в течение 10 мин вызывает полное восстановление акцепторных свойств.

    Аналогичные эффекты образования доноров, но в меньшей степени наблюдаются при легировании кремния галлием и бором. Образующиеся доноры нестабильны и полностью исчезают во время высокотемпературной обработки. Концентрация доноров, созданных в образцах невелика. В то же время для образцов, легированных алюминием, она достигает ²/_З. от концентрации основной примеси.

Геттерирование. Восстановление удельного сопротивления и времени жизни неравновесных носителей заряда термообработанного полупроводника может быть достигнуто при использовании геттерирования.

    Найдено, что покрытие германия перед термообработкой  тонкими пленками Аu, Аs, Sb, In, РЬ, Sn защищает кристалл от проникновения меди и, таким образом, устраняет возможные последствия термообработки.

    Более того, если уже термообработанный  без защиты кристалл германия покрыть пленкой из этих металлов и нагреть до образования жидкой фазы, то можно восстановить время жизни неравновесных носителей заряда и проводимость почти до значений, предшествовавших термообработке.

    Этот  эффект извлечения нежелательных примесей из объема полупроводника с помощью жидкой фазы, созданной на его поверхности или в объеме, называют геттерированием. Извлечение становится возможным потому, что коэффициент распределения меди в тройных системах, образованных германием, медью и указанными металлами, значительно меньше единицы. Благодаря этому создается значительный градиент концентрации атомов меди, вследствие чего жидкая фаза будет активно извлекать медь из объема германия.

    Кроме способа геттерирования с помощью  жидких фаз металлов, экстракция меди из германия может быть осуществлена нагревом германия в контакте с расплавами солей KCN и NaCN. Медь экстрагируется и тогда, когда поверхность германия покрыта слоем железа или родия.

    При изучении влияния обработки поверхности  образцов на термообработку германия было замечено, что термоакцепторы не образуются внутри тех кристаллов, поверхность которых была грубо отшлифована. Это объясняется осаждением атомов меди во время охлаждения на поверхностных дефектах, образованных в процессе шлифовки. Для удаления термоакцепторов этим способом германий шлифуется и отжигается при 650° С в атмосфере очищенного аргона, после чего медь удаляется с поверхности образцов растворением в азотной кислоте. Повторив эти операции несколько раз, можно получить полное восстановление

    В качестве геттеров для удаления золота из кремния могут рыть применены  с равным успехом Ni и Сu, наносимые на поверхность пластин в виде тонких пленок. Процесс обработки ведется при температурах эвтектик или немного более высоких.

    Такие металлы, как Сu, Fе и Аu, могут быть удалены из кремния с помощью стеклообразных окисных слоев, образующихся на поверхности кремния при осаждении паров борного или фосфорного ангидридов.

    В результате взаимодействия кремния  или всегда присутствующей на нем пленки двуокиси кремния ангидридом возникают жидкие стеклообразные расплавы. Осажденные металлы Аu, Си, Fе диффундируют к поверхности, где они образуют со слоем стекла химические соединения типа фосфатов или боратов. Температура обработки должна быть около 1050° С.

 

    

7. Заключение.

    Кинетика  и механизм диффузионных процессов  представляют огромный интерес для различных отраслей техники и особенно для полупроводниковой электроники. Полупроводниковая электроника требует гораздо более глубокого, чем обычно, рассмотрения процесса диффузии. Очень велика роль диффузии в процессах микроминиатюризации аппаратуры.

    Диффузия  в металлах и сплавах является сравнительно старой проблемой, которая  в течение ряда лет успешно  разрабатывается многими физическими  и металлургическими лабораториями мира. Накопленный здесь экспериментальный и теоретический материал имеет большое значение для решения многих задач современной техники и является ценным вкладом в развитие теории твердого тела. Исследованиям же диффузионных процессов в полупроводниках до последнего времени не уделялось должного внимания. Между тем бурное развитие этой важной области физики, активная разработка новых полупроводниковых приборов и внедрение полупроводниковых материалов в технику требуют, наряду с изучением электрических, фотоэлектрических, термоэлектрических и других свойств полупроводников, также всестороннего исследования процессов диффузии и самодиффузии в этих веществах. Ценность таких исследований не ограничивается решением частных технологических задач. Изучение процессов диффузии в полупроводниках имеет также большое научное значение. Полупроводниковая электроника и техника квантовых оптических генераторов требуют гораздо более глубокого, чем обычно, рассмотрения процесса диффузии. Эти исследования особенно важны для углубления наших представлений о механизме влияния примесей и дефектов на физические свойства полупроводников.

    Диффузионная  технология в производстве изделий  электронной техники обладает комплексом критериев прогрессивности: высокой производительностью, достигающейся за счет одновременной групповой обработки большого количества изделий; универсальностью, т. е. возможностью проведения процесса диффузии различных примесей с помощью однотипных технологических операций, выполняющихся на однотипном оборудовании; адаптивностью, т. е. возможностью быстрой, не требующей больших затрат перестройки оборудования и изменения параметров технологических операций для изготовления новых видов изделий. Указанные качества обусловливают высокую жизнеспособность диффузионной технологии, т. е. способность ее длительного существования в условиях непрерывного появления и параллельного развития конкурирующих способов формирования р-п-переходов в полупроводниках, например, ионного легирования.

 

8.  Список литературы

1. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник для вузов. —М.: Радио и связь, 1987. C 42-44; 119-140

 

2. Игумнов Д. В., Костюнина Г. П. Основы полупроводниковой электроники. Учебное пособие. - М: Горячая линия-Телеком, 2005. C 6-13

 

3. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов.— М.: Радио и связь, 1989. C 353-370

 

4. Березин А. С., Мочалкина О. Р. Технология и конструирование интегральных микросхем : Учеб пособие для вузов/Под ред. И. П. Степаненко. — М.: Радио и связь, 1983. C 18 – 35

 

5. Курносов  А. И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов. – М.: Высш. Школа, 1974 г. С 139-161

 

9. Приложение

 

    Табл.1. Значения тетраэдрических  ковалентных радиусов в ангстремах

Ge	Si	В	Al	Ga	In	Р	As	Sb
1,22	1,17	0,88	1,26	1,26	1,44	1,1	1,18	1,36

 

    Таблица 2. Методы диффузиционного  легирования

Конструкция АПЕ	Состояние источника легирующей примеси	Состав  источника	Среда	Технологическая характерист. метода
				Достоинства	Недостатки
Проточная сдно-зонная с внешним источником	Газообразное	В2Н6, ВС13, РНз, AsH3	Окисл.	Широкий диапазон Сисх, удобство регулирования	Токсичность, чувствительность к режиму потока, трудность травления образующихся стекол
Проточная двух-зонная	Жидкое	РС1з, РВrз, ВВrз, РОС13	Окисл.	Сравнительно  широкий диапазон Сисх	Двухстадийность процесса
	Твердое	В203 (1000±50°С) Sb203 (~950°C) As205 (180±306C) Р205 (260±40°С)
Проточная одно-зонная с внутренним источником, параллельным подложке	Твердое	В20з, примесно-силикатные стекла; оксинитриды В, Ga, In, P; нитрид	Окисл.	Высокая воспроизводимость в широком диапазоне Сисх	Частая смена  источника
Проточная одно-зонная с пленочным источником	Стеклообразная  пленка на поверхности подложки	SiО2, легированный оксидами примесей	Окисл.	Широкий диапазон Сисх, возможность фотолитографии пленок и безмасочной локальной диффузии	Относительно  невысокая воспроизводимость и однородность Сп
Запаянная ампула	Твердое (порошкообразное)	Легированный  Si, элементарный В, AIIIBV (нестехиометрического состава)	Вакуум	Стерильность, широкий диапазон поверхностной концентрации Сисх, отсутствие эрозии подложки	Необходимость откачки и отпайки ампул