Физико-химические основы формирования диффузионных областей

Механизм диффузии. Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное леги­рование. Диффузия является наиболее широко распространен­ным методом легирования. Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой  в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой темпе­ратурой. Атомы электрически активных примесей, проходя через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n-типа электро­проводности. Методом диффузии формируют активные, пас­сивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локаль­ную диффузию с применением защитных масок из диэлектри­ческих пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.  Возможны четыре механизма диффу­зии:

1.вакансионный

2.межузельный

3.эстафетный

4.краудионный -Вакансионный механизм обуслов­лен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакан­сий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равно­весного положения. Время от времени они приобретают энер­гию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и стано­вятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Сосед­ний атом, будь то атом примеси или собственный атом полу­проводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным, то происходит самодиффузия, а если примесным - примес­ ная диффузия. -При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наи­более вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоуз­лиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах. -Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то такой механизм перемещения соб­ственных или примесных атомов называют механизмом непря­мого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным  механизмом .  -Если межузельный атом вытесняет атом, находя­щийся находя­щийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называется краудионным Диффузия в кремний элементов III и V групп периодичес­кой системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный ради­ус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в крем­нии), их диффузия происходит по механизму прямого пере­мещения атомов по междоузлиям.

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых приме­сей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых плас­тин из оснастки, отмывочных сред. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств актив­ных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного ре­актора неконтролируемых примесей.