Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Механізми дифузії легуючих домішок

По своїй природі всі процеси перерозподілу домішок усередині твердої фази мають дифузійний характер і по макромеханізму підрозділяються на дві групи: легування і модифікування. Легування засноване на впровадженні ззовні атомів легуючої домішки в кристалічну гратку або склоподібну матрицю з утворенням області твердого розчину з заданими властивостями і структурою. У основі методу модифікування лежать дифузійні процеси усередині твердої фази і засоби дії зовнішніх чинників на кристалічну або склоподібну основу без зміни її геометричних розмірів і середнього хімічного складу. Ці процеси призводять до перерозподілів структурних складових і фазового складу усередині речовини, необхідних для одержання потрібної структури і властивостей об’єму матеріалу, без зміни його геометричних розмірів.

Проаналізуємо механізми дифузії легуючих домішок у монокристалічному кремнії - базовому матеріалі для виготовлення ІС. Основними легуючими домішками в кремнії є елементи третьої (акцептори) і п’ятої (донори) груп. У залежності від типу елементарного стрибки, що переводить даний атом з одного рівноважного стану в інший, існує більш десятка механізмів дифузії [переміщення атомів домішки по вузлах, по вакансіях, естафетний (по міжвузлях), краудійний, дисоціативний, релаксаційний механізми та інші].

1. Механізм дифузії, при якому сусідній атом, будь то власний атом кристала чи атом домішки, мігрує на місце вакансії, називається вакансійним.

2. Механізм дифузії, при якому атом переходить з одного положення в інше, не потрапляючи при цьому у вузли кристалічної ґратки, називається механізмом прямого переміщення атомів по міжвузлям.

3. Рух міжвузлових атомів, коли в процесі переміщення вони витісняють атоми ґратки і заміщають їх, а витиснутий з вузла атом при цьому стає міжвузловим, таке переміщення власних чи домішкових атомів називають механізмом непрямого переміщення атомів по міжвузлям чи естафетним механізмом.

4. З зазначеним механізмом безпосередньо зв'язаний і краудійний механізм, при якому міжвузловий атом, розташований посередині між двома вузлами кристалічної ґратки, переміщається до одного з них, зміщаючи при цьому атом, розташований у вузлі. Витиснутий з вузла атом стає міжвузловим і займає проміжне положення в ґратці.

5. Механізм дифузії, зв’язаний з розпадом комплексів молекул і дифузією складових їх компонентів (атомів чи іонов) у кристалічній гратці, називається дисоціативним.

Зіставлення теорії й експерименту показало, що дифузія домішок елементів третьої і п'ятої груп відбувається по вакансійному механізму.

У стані теплової рівноваги при Т¹ 0 К будь-який кристал містить визначене число вакансій. Ці вакансії відкривають шлях для легкого здійснення дифузії. Елементарним стрибком при дифузії по вакансійному механізму є перескок атома в сусідню вакансію і подальше переміщення його по всьому кристалу. Число вакансій N_v у кристалі росте експоненціально з температурою

N_v » exp(-E_v/kT),

де E_v - енергія утворення вакансії.

При кімнатній температурі N_v ~ 10¹³ - 10¹⁴ м^-3, при Т ~ 1300 К в умовах термодинамічної рівноваги N_v ~ 10²¹ м^-3. За умови N_v = 10^-3 % від загальної кількості вузлів кристал плавиться.

Іншим ймовірним механізмом дифузії в реальних кристалах є дифузія атомів по міжвузлям. При цьому відбувається перескок атома з вузла гратки в міжвузля і наступне переміщення його вже відбувається тільки по ним. Впроваджені в міжвузля атоми мають достатньо високу рухливість, тому що вони пов'язані з граткою слабкіше, ніж атоми, розташовані у вузлах. Більшість елементів першої, другої, шостої, сьомої і восьмої груп, що мають малий іонний радіус, відносяться до швидкодифундуючих домішок і механізм дифузії для них здійснюється по міжвузлям.