Кремний

Изготовление пластины : Допинговые техники

Определение

Легирование означает введение примесей в кристалл полупроводника с целью намеренного изменения его проводимости из-за недостатка или избытка электронов. В отличие от легирования во время изготовления пластины, когда легируется вся пластина, в этой статье описывается частичное легирование кремния. Введение посторонних веществ может быть достигнуто путем диффузии, ионной имплантации (или сплавления).

Распространение

Молекулярная диффузия, часто называемая просто диффузией, представляет собой чистый перенос молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией посредством случайного движения молекул. Результатом диффузии является постепенное перемешивание материалов. Для иллюстрации: капля чернил в стакане воды равномерно распределяется через определенное время. В кристалле кремния можно найти твердую решетку атомов, через которую должна двигаться легирующая добавка. Сделать это можно разными способами:

  • диффузия в пустом пространстве: атомы примесей могут заполнять пустые места в кристаллической решетке, которые всегда присутствуют, даже в идеальных монокристаллах
  • межрешеточная диффузия: атомы примеси перемещаются между атомами кремния в кристаллической решетке.
  • меняются местами: атомы примеси располагаются в кристаллической решетке и обмениваются с атомами кремния.

Допант может диффундировать до тех пор, пока либо градиент концентрации уравновешен, либо температура была понижена, так что атомы больше не могут двигаться. Скорость процесса диффузии зависит от нескольких факторов:

  • присадка
  • градиент концентрации
  • температура
  • субстрат
  • кристаллографическая ориентация подложки

Распространение с исчерпаемым источником

Распространение с истощаемым источником означает, что допант доступен только в ограниченном количестве. Чем дольше продолжается процесс диффузии, тем ниже концентрация на поверхности и, следовательно, глубина проникновения в подложку увеличивается. Коэффициент диффузии вещества показывает, насколько быстро оно движется в кристалле. Мышьяк с низким коэффициентом диффузии медленнее проникает в основу, как, например, фосфор или бор.

Распространение с неиссякаемым источником

В процессах диффузии с неисчерпаемым источником примеси доступны в неограниченном количестве, и поэтому концентрация на поверхности остается постоянной во время процесса. Частицы, которые проникли в субстрат, постоянно пополняются.

Методы диффузии

В последующих процессах пластины помещаются в кварцевую трубку, нагретую до определенной температуры.

Диффузия из газовой фазы

Газ-носитель (азот, аргон и т. Д.) Обогащается желаемой присадкой (также в газообразной форме, например, фосфин PH 3 или диборан B 2 H 6 ) и направляется к кремниевым пластинам, на которых может иметь место баланс концентрации. .

Распространение с твердым источником

Между пластинами помещают срезы, содержащие присадки. Если температура в кварцевой трубке повышается, легирующая примесь из исходных дисков диффундирует в атмосферу. При использовании газа-носителя легирующая добавка будет равномерно распределена и, таким образом, достигнет поверхности пластин.

Распространение с жидким источником

В качестве жидких источников боры бромида BBR 3 или фосфорилхлорида POCl 3 может быть использован. Газ-носитель проходит через жидкости и, таким образом, транспортирует легирующую добавку в газообразном состоянии. Поскольку не все пластины должны быть легированы, некоторые области можно замаскировать диоксидом кремния. Легирующие добавки не могут проникать через оксид, и поэтому в этих местах не происходит легирования. Чтобы избежать напряжения или даже дробления дисков, кварцевую трубку постепенно нагревают (например, +10 ° C в минуту) до 900 ° C. После этого легирующая добавка направляется к пластинам. Затем, чтобы запустить процесс диффузии, температуру повышают до 1200 ° C.

Характеристика:

  • поскольку одновременно можно обрабатывать множество пластин, этот метод весьма выгоден
  • если в кристалле кремния уже есть легирующие примеси, они могут диффундировать в более поздних процессах из-за высоких температур процесса
  • легирующие примеси могут осаждаться в кварцевой трубке и переноситься на пластины в более поздних процессах
  • легирующие примеси в кристалле распространяются не только в перпендикулярной ориентации, но и в боковом направлении, так что легированная область увеличивается нежелательным образом

Ионная имплантация

При ионной имплантации заряженные примеси (ионы) ускоряются в электрическом поле и облучаются на пластину. Глубину проникновения можно очень точно установить, уменьшив или увеличив напряжение, необходимое для ускорения ионов. Поскольку процесс происходит при комнатной температуре, ранее добавленные легирующие добавки не могут диффундировать. Области, которые нельзя легировать, можно покрыть маскирующим слоем фоторезиста.

Имплантер состоит из следующих компонентов:

  • источник ионов: легирующие примеси в газообразном состоянии (например, трифторид бора BF 3 ) ионизируются
  • ускоритель: ионы вытягиваются примерно 30 килоэлектронвольт из ионного источника
  • разделение масс: заряженные частицы отклоняются магнитным полем на 90 градусов. Слишком легкие / тяжелые частицы отклоняются больше / меньше, чем желаемые ионы, и улавливаются экранами за сепаратором
  • полоса ускорения: несколько 100 кэВ ускоряют частицы до их конечной скорости (200 кэВ ускоряют ионы бора до 2 000 000 м / с)
  • Линзы: линзы распределены внутри всей системы для фокусировки ионного луча
  • отвлечение: ионы отклоняются электрическими полями, чтобы облучить желаемое место
  • вафельная станция: пластины помещаются на большие вращающиеся колеса и удерживаются в ионном пучке

Изображение ионного имплантера

Глубина проникновения ионов в пластину

В отличие от процессов диффузии частицы проникают в кристалл не за счет собственного движения, а из-за своей высокой скорости. Внутри кристалла они тормозятся столкновениями с атомами кремния. Удар вызывает повреждение решетки, так как атомы кремния выбиваются из своих узлов, сами легирующие примеси в большинстве своем размещаются между узлами. Там они не являются электрически активными, потому что нет связей с другими атомами, которые могут привести к появлению свободных носителей заряда. Смещенные атомы кремния должны быть повторно установлены в кристаллическую решетку, а электрически неактивные легирующие примеси должны быть активированы.

Восстановление кристаллической решетки и активация легирующих примесей

Сразу после процесса имплантации только около 5% легирующих примесей связаны в решетке. В высокотемпературном процессе около 1000 ° C легирующие примеси перемещаются по узлам решетки. Повреждения решетки, вызванные столкновениями, уже устранены при температуре около 500 ° C. Поскольку легирующие примеси перемещаются внутри кристалла во время высокотемпературных процессов, эти этапы выполняются только в течение очень короткого времени.

Ченнелинг

Подложка представляет собой монокристалл, поэтому атомы кремния упорядочены и образуют «каналы». Атомы легирующей примеси, вводимые посредством ионной имплантации, могут двигаться параллельно этим каналам и лишь немного замедляются, и поэтому проникают очень глубоко в подложку. Чтобы предотвратить это, есть несколько возможностей:

  • Выравнивание пластин: пластины отклонены примерно на 7 ° относительно ионного пучка. Таким образом, излучение направлено не параллельно каналам, и ионы немедленно тормозятся столкновениями.
  • рассеяние: поверх поверхности пластины наносится тонкий оксид, который отклоняет ионы и, следовательно, предотвращает параллельное прибытие

Характеристика:

  • воспроизводимость ионной имплантации очень высокая
  • процесс при комнатной температуре предотвращает диффузию наружу других примесей
  • Фоторезиста с центрифугированием в качестве маски достаточно, оксидный слой, используемый в диффузионных процессах, не требуется
  • ионные имплантаты очень дороги, стоимость пластины относительно высока
  • легирующие примеси не растекаются под маской вбок (минимально из-за столкновений)
  • почти каждый элемент может быть имплантирован с высочайшей чистотой
  • ранее использованные легирующие добавки могут откладываться на стенах или экранах внутри имплантера, а затем переноситься на пластину
  • трехмерные структуры (например, траншеи) не могут быть легированы ионной имплантацией
  • процесс имплантации происходит в высоком вакууме, который должен создаваться несколькими вакуумными насосами.

Существует несколько типов имплантеров для малых и средних доз ионов (от 10 11 до 10 15 ионов / см 2 ) или для еще более высоких доз от 10 15 до 10 17 ионов / см 2 .

Ионная имплантация заменила диффузию в основном благодаря своим преимуществам.

Допинг с использованием сплава

Для полноты картины следует упомянуть, что помимо ионной имплантации и диффузии существует альтернативный процесс: легирование сплавом. Однако, поскольку эта процедура имеет недостатки, такие как трещины в подложке, она больше не используется в современной полупроводниковой технологии.

Exit mobile version