Диффузия

Процесс изготовления полупроводниковых интегральных микросхем состоит из следующих основных этапов: диффузии, эпитаксиального выращивания, оксидирования, фотолитографии, селективного травления и осаждения топких пленок. Некоторые из них повторяются по несколько раз.

Большинство методов образования р - n-переходов в ИС основано на использовании явления диффузии в твердом теле.

Диффузией атомов или молекул называется процесс их переноса, происходящий в результате хаотического теплового движения. При неравномерном распределении и наличии градиента концентрации вещества создается направленное диффузионное движение, стремящееся им равнять концентрацию во всем объеме. В этом случае движение частиц хотя и носит хаотический характер, но существует некоторая составляющая скорости движения, направленная в сторону уменьшения концентрации.

Если температуру полупроводникового материала повысить до 1200° С, приведя одновременно одну из его поверхностей в соприкосновение с объемом газа, имеющего однородную концентрацию N_Д донорной примеси, например фосфора. Атомы фосфора будут диффундировать из газовой фазы в кремний, образуя градиент, при котором концентрация фосфора понижается по мере удаления от поверхности, соприкасающейся с газовой фазой.

Возрастание температуры вызывает увеличение скорости диффузии: чем выше температура, тем большая энергия сообщается атомам диффузанта, что приводит к увеличению скорости их движения через кристаллическую решетку. Практически процессы диффузии в кремнии проводятся при температуре 1000 - 1300°С. При такой температуре заданный профиль образуется от нескольких минут до десятков минут.

Сильное влияние температуры на процесс диффузии обусловливается сильной температурной зависимостью коэффициента диффузии. Увеличение температуры на несколько градусов вызывает увеличение коэффициента диффузии вдвое. При этом увеличиваются как глубина р-n-перехода, так и количество продиффундировавшей примеси. Выполнить более трех последовательных диффузий в кремнии практически нельзя, так как во время каждой последующей диффузии число атомов примеси, необходимое для компенсации ранее введенных атомов примеси, увеличивается экспоненциально, а подвижность дырок и электронов обратно пропорциональна полному количеству примесей, содержащемуся в материале полупроводника. Уменьшение подвижности ухудшает все электрические параметры изготавливаемых из этого материала приборов.