Топлинни процеси при производството на микросхеми
Значително място в технологичните операции за производство на устройства заемат термичните процеси. Използвайки термични процеси, материалите се дегазират и пречистват, получават се проводими (SnO), диелектрични (SiO2), монокристални и поликристални слоеве на повърхността на полупроводникови пластини, както и дифузионни и легирани слоеве в близката повърхностна област. Методът на дифузия се използва широко при формирането на втвърдяващи се покрития.
Дифузия
Дифузията е процес на прехвърляне на примеси от област с висока към област с ниска концентрация, стимулиран от висока температура, електрическо поле, радиация и др.
Атомите на електрически активните примеси дифундират в кристалната решетка и образуват области с p- или n-тип електрическа проводимост.
Дифузия на газове от материали
Когато материалите се нагряват, от тях се отделят различни газове. Повърхностните газове се отделят доста бързо (секунди). Отделянето на газ зависи от топографията на повърхността, температурата, чистотата на повърхността, структурата на материала. Разтворените в металите газове се отделят дълго време (часове).
Повърхностна дифузия
Повърхностната дифузия е разпространението на вещество върху повърхността на твърдо тяло. Протича както чрез миграцията на единични атоми, така и чрез техните асоциации (острови, клъстери). Примери за такива процеси са растеж на кристали, отлагане, синтероване, образуване на филм. Неговата роля в разграждането на филмовите слоеве е значителна. В първото приближение дифузията се характеризира с коефициент на дифузия D, енергия на активиране (Ea) и температура. Зависимостта на коефициента на дифузия от параметрите на процеса е както следва:
Do-честотен фактор, характеризиращ честотата на повърхностните вибрацииатом;
k е константата на Болцман.
Таблица 5.2 представя някои стойности на параметрите на дифузията
Някои стойности на параметрите на дифузия
| Материал | До х 106 | Ea, eV | T 0 C | D, x10 10 cm 2 / s |
| Ал | 4.8 | 3.3 | ||
| Ge | 5.28 | |||
| Cu | 68.6 | 4.23 | 1.3 |
Механизми на повърхностна дифузия
Когато удари повърхността, атомът се стреми да заеме минимална енергийна позиция. Дифузията в този случай е подобна на брауновото движение. Този механизъм се наричаtumbleweed. С увеличаване на енергията на свързване на атома с повърхността, миграцията на атомите става по механизма наразгъващ се килим, чиято картина прилича на търкалящ се във всички посоки хълм от грах.
Йонизиран атом може да промени посоката си на движение под действието наелектротрансфер.Коефициентът на дифузия може да се удвои или повече.
На фиг. 5.12 показва диаграма на повърхностна дифузия според модела на търкаляне (а), навиващ се килим (b) и електротранспорт (c).
Фиг.5.12. Диаграма на повърхностна дифузия
Механизми на обемна дифузия
Понастоящем четири дифузионни механизма са най-широко използвани:ваканция, интерстициален, реле и краудион.На фиг. 5.13 показва схемите за изпълнение на тези механизми.
Фиг.5.13. Схеми за реализация на дифузионни механизми
Механизмът на свободните места(фиг. 5.13 а) се дължи на наличието на точкови дефекти (свободни места - празни незаети възли на кристалната решетка) и интерстициални атоми. При повишени температури атомите във възлите на кристалната решетка вибриратблизо до равновесие. От време на време те придобиват достатъчно енергия, за да се отдалечат от възела и да станат интерстициални. В решетката се появявасвободно място. Съседен атом, било то атом на примес или присъщ атом на полупроводников материал, може да мигрира към мястото на това свободно място. Ако мигриращият атом евътрешен- тогава възниквасамодифузия, а акопримес - дифузия на примеси.
Интерстициалният механизъм(Фигура 5.13b) се характеризира с факта, че атомът се движи от една позиция в друга по протежение на интерстициалите. Такъв механизъм е най-вероятен за примесните атоми, тъй като те са по-слабо свързани с решетката.
Механизмът за щафетна надпревара(Фигура 5.13 c) се прилага в случай на преместване на атом от възел към междувъзел или обратно. Такъв механизъм е вероятен в случай на йонно легиране на материала.
Краудионният механизъм(фиг. 5.13d) се характеризира с изместване от възел с период на решетка. Такъв механизъм може да се реализира по време на йонна имплантация.
Напоследък основните механизми на дифузия в полупроводниците включват: механизмът на директен обмен на атоми, пръстен, дисоциативен. В общия случайдифузията е анизотропна,обаче в кубична решетка, поради нейната симетрия,дифузията е изотропна.
Уравнение на дифузията
Процесите на изотропна дифузия са описани с помощта напървия и втория закон на Фик, установяващи, че плътността на потока на дифузиращите атоми J е пропорционална на концентрацията на примеси N (J
N) и че скоростта на натрупване на примеси във времето е пропорционална на потока (dN/dt
d(J)). Връзката на плътността на потока на атомите J с коефициента на дифузия D, концентрацията на примесните атоми N и времето на дифузия t в посока x се изразява чрез отношенията:
J= -D dN/dx + n (първи законфика)
DN/dt=d/dx(D dN/dx)(втори закон на Фик)
където n е собствената му концентрация;
- подвижност на примесите;
- напрегнатост на електрическото поле.
Вторият член на първия закон на Фик отразява дрейфа в електрическото поле. Температурната зависимост на коефициента на дифузия има формата:
където Do е константа в рамките на стотици градуси.