20. Практические методы термодиффузии

Существуют различные методы и способы проведения диффузионных процессов: в закрытой трубе, в открытой трубе и др.

По методу закрытой трубы полупроводниковые пластины и твердый источник примеси помещают в кварцевую ампулу, которую либо откачивают до давления 1,33∙ 10^-2 Па, либо заполняют инертным газом и после этого запаивают. Затем ампулу помещают в печь, нагретую до температуры, при которой проводится диффузия. Диапазон рабочих температур составляет 700 - 1250 °С.

По методу открытой трубы при диффузии из твердого диффузанта используются двухзонные печи, представляющие собой две термические камеры с независимым нагревом, через которые проходит рабочая кварцевая труба. Источник примеси, помещенный в низкотемпературную зону, испаряясь, захватывается газом-носителем (аргон, азот), и пары примеси переносятся в высокотемпературную зону диффузии, где находятся пластины. 

21. Параметры диффузионных слоев и методы их контроля

Контроль параметров диффузионных слоев К параметрам диффузионного слоя относят глубину залегания р - n-перехода хj, по- верхностное сопротивление слоя Rs (поверхностную концентрацию примеси Ns) и зависи- мость концентрации примеси от глубины N(x). Обычно хj измеряют с помощью сферического шлифа. Для этого с помощью вращаю- щегося металлического шара диаметром 20 - 150 мм, на поверхность которого нанесена алмазная паста, вышлифовывают лунки на поверхности пластины. Образовавшаяся лунка должна быть глубже уровня залегания р - n-перехода. Для четкого выявления р - n-перехода (границ областей) применяют химическое ок- рашивание. Например, при обработке шлифа в растворе, состоящем из HF (20 вес. ч.) и CuSO4 (100 вес. ч.), покрывается медью n-область. При обработке в плавиковой кислоте с добавкой 0,1%-ной HNO3 темнеют р-области. После окрашивания в поле инструментального микроскопа должны быть четко видны две концентрические окружности. Измерив с помощью микроскопа длину хорды внешней окружности, касательную к внутренней окружности, можно рассчитать глубину залегания р - n-перехода:

Для определения удельной электрической проводимости тонких диффузионных слоев измеряется хj и поверхностное сопротивление слоя Rs четырехзондовым методом. Для из- мерения Rs на поверхности кремния по прямой линии располагают четыре зонда на рав- ном расстоянии друг от друга (обычно 1 мм). Через внешние зонды пропускают ток I,

внутренние зонды служат для измерения падения напряжения U компенсационным мето- дом. Схема измерения представлена на рис.7.3.

22.Ионное легирование кремния. Достоинства и недостатки.

Достоинства ионной имплантации:

· быстрый процесс;

· можно проводить при Т_к;

· применять для легирования примесями с низкими коэффициентами диффузии или низкими растворимостями в твердой фазе, а также для легирования полупроводников с низкой температурой плавления (InAs) или полупроводников, диффузионное легирование которых требует очень высоких температур (SiC);

· точная дозировка примеси (теоретически – 1%, практически – 5%);

· высокая чистота;

· расширенная возможность локального легирования (широкий круг маскирующих материалов, меньше боковое легирование);

· можно легировать вообще через маску;

· возможность получения управляемого профиля распределения – вплоть до формирования захороненного слоя.

· возможность создания мелких переходов является основным достоинством процесса ИИ. Технически осуществимым является сосредоточение легирующих примесей в слое толщиной 20 нм, это значит, что р—n-переход будет заметен на глубине около 40 атомных слоев. Создание мелких переходов требует исключения эффекта каналировапия, полное устранение которого достигается предварительной аморфизацией кремния.

· имплантация, так же как диффузия, может быть общей и локальной. Важным достоинством ИИ является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только в глубь пластины, а боковая диффузии (под маску) практически отсутствует. При локальном ИЛ возможен независимый выбор примеси профилей в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для широкофокусного пучка профиль распределения внедренных ионов в горизонтальном направлении формируется с помощью маски, при этом размеры легированной области более точно, чем при диффузии, воспроизводят размеры окна (рис. 8.25).

· ИИ, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной ИИ, оказывается затруднительным, поэтому ИИ получила главное распространение при создании одинарных слоев.

Рис. 8.25. Фронт р-п перехода при ионном (а) и диффузионном (б) локальном легировании

· в отличие от диффузии при ИЛ свойства получаемых слоев в основном определяются внешними электрическими параметрами процесса. ИЛ легко управлять путем изменения ускоряющего напряжения, плотности ионного пучка, угла наклона пучка, времени облучения пластин, а в случае обработки сфокусированным пучком и скорости его сканирования.

Недостатки и ограничения ионного легирования:- необходимость отжига; сложность воспроизводимого легирования слоев толщиной более 1 мкм; сложность однородного легирования пластин большого диаметра из-за расфокусировки луча при больших отклонениях, сложность оборудования.

Отметим также, что применение ионного легирования не ограничено только легированием.

Применение ионного легирования:

· введение примеси (точная дозировка);

· модификация свойств материала;

· создание захороненного слоя оксида кремния;

· геттерирование примеси.