Szilárdfázisú diffúzió A diffúzió megkerülhetetlen jelenség a félvezető technológiában Szándékos – adalékolási célból Akkor is van, ha nem akarjuk A diffúzió hajtóereje a koncentráció gradiens: kiegyenlítődési folyamat, a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb irányába Monolit technológiai alkalmazásában rendszerint két lépésben történik: elődiffúzió és behajtás

Diffúziós mechanizmus Az adalékanyag mozgása Si-ban két mechanizmussal történhet: rácsközi (intersticiális) és rácsponti (szubsztitúciós) módon Interstíciális Szubsztitúciós Si adalék atom Si Adalék atom vakancia

Diffúziós mechanizmus Valamennyi adalékatom (P, As, Sb, B, stb.) szubsztitúciós mechanizmussal diffundál a Si-ban. Au és egyes fém atomok jellemzően interstíciális mechanizmussal diffundálnak (igen gyors diffúzió!) Szubsztitúciós diffúzió vakanciák megléte esetén mehet végbe Vannak olyan diffúziós mechanizmusok is, melyek folyamán szubsztitúciós adalékok mind a vakanciákat, mind az interstíciákat kihasználják

Diffúziós állandó A vakancia model szerint a diffúziós állandó: Ugyanígy megadható az interstíciális diff. állandó is, ekkor más konstansok kerülnek be. Az eredő diff. állandó ezekből tevődik össze.

A diffúziós állandó hőfüggése Feltételezzük, hogy a diffúziós állandó NEM függ az adalékkoncentrációtól és nem lépnek fel elektromos térerő által elősegített effektusok (az atomok nem lesznek ionok) A diffúzió hőmérsékletfüggése exponenciális, a diffúziós állandón keresztül jellemezhető

A diffúziós állandók Si-ban

A diffúzió matematikája A diffúzió olyan mechanizmus, melyben az atomok véletlenszerű (Brown) mozgással haladnak keresztül egy testen .Az 1800-as évek közepén Fick két differenciál egyenletet adott meg vékony membránon keresztüli anyagáramlás jellemzésére Fick I. egyenlete:

A diffúzió matematikája Fick II. törvénye: kimondja, hogy a membránon keresztül a koncentráció időbeli megváltozása arányos az ugyanitt fellépő koncentráció gradiens megváltozásának sebességével: A koncentráció hely szerinti függésének (N(x)) meghatározásához megadott határfeltételek mellett kell megoldani, de D nem helyfüggő feltételezéssel (a valóság bonyolultabb!)

Az állandó felületi forrás adalékprofilja Állandó felületi koncentráció biztosításának esete, anyagfelvitel a felületre Határfeltételek: N(0, t) = N0 = állandó (szilárd oldékonyság szabja meg az adott hőfokon) N(∞,t) = 0 Kezdeti feltétel: N(x,0) = 0

Állandó felületi koncentrációjú diffúzió A határfeltételek behelyettesítésével megkapjuk a profil-egyenletet, amely egy erfc függvény: Az erf és erfc függvény menete

Állandó felületi koncentrációjú diffúzió X, μm N0 lgN No = constant t2 > t1 t3 > t2 t1 t2 t3 Q a bevitt anyagmennyiség, vagyis a görbe alatti terület x1 x2 x3

1. Diffúzió: elődiffúzió ismertetése Állandó felületi koncentráció biztosítása: leggyakrabban kemencében, 900-1100ºC közötti hőmérsékleten, állandó diffúziós forrásból választjuk le N2-ben (nincs védőréteg a felületen!) Időtartama 30-60 perc A forrás lehet szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotú. xj ≤ 0.5 (többnyire tized μm) SiO2 Adalékolt Si tartomány Si xj

Diffúziós források Szilárd: B2O3; P2O5; As2O3 Folyadék: BBr3; POCl3; PCl3; AsCl3 Gáz: B2H6; PH3; AsH3 Legjobban kezelhetők a technológia szempontjából a gáz halmazállapotú források, inert vivőgázba keverve (0,1-1%), de: mérgezőek vagy robbanásveszélyesek A gyakorlatban alkalmazott adalékanyagok: p: B (Ga, In, Al) n: P,(nagy szilárd oldékonyság, anomáliák) As (kis D), Sb

Szilárd oldékonyság

2. diffúzió: behajtás ismertetése Termikus úton a megkívánt xj mélységig hajtjuk a diffundáltatandó anyagot Q ≈ állandó, állandó anyagmennyiséget diffundáltatunk Általában kemencében 1000-1300ºC tartományban végzik Idő: - 30 perctől akár 10 óra Oxigén áramban végezhető, ekkor SiO2 nő további maszkolás céljából SiO2 Si xj

A behajtás profilja Behajtás: az adalékatomokat a felület közeléből a megkívánt mélységbe juttatjuk. A megfelelő határfeltételek ekkor: ∂N/∂x|x = 0 = 0 azaz nem vész el adalékatom az oxidba N(∞,t) = 0 Q= állandó Kiindulási feltétel: már van felvitt anyag a felület közelében

A behajtás profilja A behajtás rendszerint oxidációval együtt történik (további maszkolás céljából), ezért a ∂N/∂x|x = 0 feltétel NEM IGAZ, adalékanyag mindig átkerül az oxidba, részben a befelé növekedő oxid miatt, részben az adalékatomok szegregációja miatt. Továbbá: annak feltétele, hogy a határfeltétel szerint x=0 helyről számíthassuk a profilt az, hogy az ott lévő anyag valóban végtelenül kis mélységben legyen. A behajtás profilja:

Állandó anyagmennyiségű diffúzió A kialakult profil tehát Gauss eloszlást mutat X, μm lgN Q = állandó (görbe alatti terület) t2 > t1 t3 > t2 t1 t2 t3 x1 x2 x3

Diffúziós eloszlások

Kétlépéses diffúzió Ennek feltétele:

Példa diffúzió alkalmazására a monolit technikában npn bipoláris tranzisztor n p n+ B E C X, μm lgN 1 2 xjBE 3 xjBC 4 5

Diffúziós kemence: nyitott csöves Ellenállásfűtésű kemence nedvesO2 Kvarc cső Kvarc csónak Si szeletek körfűtés Kifagyasztó csapda Oxidációs-diffúziós kemence felépítése

Diffúziós kemence: nyitott csöves

A diffúziós rétegek minősítése A diffundáltatott terület két vége közötti ellenállás: W l t

A diffúziós réteg minősítése: négytűs mérés Kimutatható, hogy A szelet S I V A Négy tű

A diffúzió minősítési eljárásai ρs négyzetes ellenállás mérése a négytűs méréssel xj mérése átmenet előhívással vagy terjedési ellenállás méréssel (SRT)- csiszolás szerepe átlagos fajlagos ellenállás vagy vezetőképesség számítása az előző kettőből Ns felületi koncentráció meghatározása Irvin görbéi segítségével..

2D diffúzió, laterális diffúzió Kísérletileg megfigyelhető, hogy x2 ≠ x1 általában kisebb, mint x1. Pontos számításokkal kimutatható, hogy mind az erfc, mind a Gauss eloszlás esetére: Si SiO2 x1 x2