Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

ТЕРМОДИФУЗІЙНЕ ЛЕГУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СПОЛУК

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.

2.4.1. Легування

Процеси легування підрозділяються на дві основні групи: термодифузійне, що забезпечує впровадження атомів (іонів) домішок при термічній активації процесу, і стимульоване зовнішніми чинниками (нетермічна активація).

Дифузія — процес перенесення матерії або енергії з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією. Дифузія має місце в газах, рідинах і твердих тілах, причому дифундувати можуть як частинки сторонніх речовин, що знаходяться в матриці основної речовини, так і власне частинки матриці (самодифузія). Найшвидше дифузія відбувається в газах, повільніше - в рідинах, ще повільніше - в твердих тілах, що обумовлено характером теплового руху частинок в цих середовищах. Найвідомішим прикладом дифузії є перемішування газів або рідин.

У відповідності з вимогами термодинаміки дифузія відбувається в напрямку зменшення концентрації частинок і веде до вирівнювання розподілу частинок по всьому об’єму. При цьому вільна енергія системи зменшується (ентропія збільшується – це той процес, що є стимулятором дифузії). Розрізняють молекулярну дифузію і дифузію носіїв заряду.

Дифузія в напівпровідниках це процес послідовного переміщення атомів домішки в кристалічній ґратці, обумовлений тепловим рухом. Для виготовлення р-n-переходу використовується хімічна дифузія домішкових атомів, що вводяться в кристалічну ґратку речовини для зміни її електрофізичних властивостей. Переміщення домішки в ґратці відбувається за допомогою послідовних стрибків, здійснюваних, взагалі-то, у трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Суть методу в тому, що атоми легуючої домішки, які вводяться в напівпровідник, визначають як величину, так і його тип електропровідності.

Дифузія відбувається не тільки при нерівномірному розподілі концентрації частинок, але також, наприклад, і при нерівномірному нагріванні речовини (термодифузія).

Задачі технологічного етапу дифузії:

• управління концентрацією легуючої домішки в підкладці-напівпровіднику,
• забезпечення однорідності легування,
• забезпечення відтворюваності процесу,
• збільшення числа підкладок, що піддаються одночасному легуванню, для зниження собівартості продукції.

Призначення дифузії:

• формування базових і емітерних областей, а також резисторів у біполярній технології,
• створення областей витоку і стоку в МОН технології,
• легування полікристалічного кремнію.

2.4.2. Способи дифузії

Серед основних способів дифузії слід виділити дифузію:

• з хімічного джерела в пароподібній фазі при високих температурах,
• з легованих окислів,
• з іонно-імплантованих шарів з наступним температурним відпалом, що проводиться для активування імплантованих атомів і зменшення числа радіаційних дефектів.

Вивчення дифузії ведеться в напрямку створення на основі експериментальних даних точних моделей, здатних передбачувати протікання процесу дифузії шляхом теоретичного аналізу. Кінцева мета цього аналізу - визначення електрофізичних характеристик напівпровідникових приладів на основі параметрів технологічного процесу розрахунковим шляхом.

Незважаючи на те, що з'явилися нові ефективні методи легування напівпровідників (епітаксія, імплантація), термічна дифузія залишається найбільш поширеним і одним із базових процесів виробництва ІС.

У бінарній суміші при постійному тиску у відсутності зовнішніх сил повний дифузійний потік речовини дорівнює:

j_i= - nD₁₂(gradc_i) - n(D_T/T)gradT,

де D₁₂ - коефіцієнт дифузії; D_T - коефіцієнт термодифузії; n -  число частинок суміші в одиниці об'єму; c_i=n_i/n – відносна концентрація частинок i-го компоненту (i=1, 2).

Звичайно всі процеси термодифузії проводяться в дві стадії. 1. Створення на поверхні напівпровідникової пластини тонкого дифузійного прошарку (дифузія з нескінченного джерела). 2. Нагрів (термообробка) структури в атмосфері, яка не має домішок, що забезпечує перерозподіл домішок, введених у поверхневий прошарок (дифузія з обмеженого джерела). При цьому швидкість сумарної реакції визначається швидкістю найбільш повільного процесу ( в нашому випадку – це стадія 2). Всі процеси проводяться в дифузійних пічках із стабілізованими температурними зонами. У якості реакційної камери застосовуються кварцові, алундові та полікремнієві труби, що мають високі температури плавлення (понад 1300 ⁰С, точність підтримки температур у різних зонах складає величину близько ±0,2⁰С). Вони повинні мати великий ресурс роботи при високотемпературних режимах, високу чистоту матеріалу. Щоб регулювати профіль розподілу температури у всіх зонах, нагрівач роблять із декількох секцій. Для керування дифузійними процесами використовуються міні-ЕОМ.