В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.Итак, речь пойдет о диффузии.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

Цель работы: 1. изучение процесса диффузии

2. объяснения ее значимости в нашей жизни

3. наблюдение ее проявлений4. описание полезных и вредных свойств5. описание значимости этого процесса в нашей жизни

Задачи работы:1. расширить наши знания 2. объяснить процесс диффузии3. доказать существование данного процесса4. рассказать о том, где можем наблюдать диффузию5. выявить свойства диффузии.

Значимость работы:Практическая значимость данной исследовательской работы заключается в том, что полученные результаты помогут в изучении данной темы в школе, привлечет большее внимание школьников к этому физическому процессу.

Открытие диффузии.

В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».

Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца – это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».

Надо сказать, что у Броуна не было каких-то новейших микроскопов. В своей статье он специально подчеркивает, что у него были обычные двояковыпуклые линзы, которыми он пользовался в течение нескольких лет. И далее пишет: «В ходе всего исследования я продолжал использовать те же линзы, с которыми начал работу, чтобы придать больше убедительности моим утверждениям и чтобы сделать их как можно более доступными для обычных наблюдений».

Явление диффузии, его сущностьКак мы знаем, молекулы любого вещества находятся на некотором расстоянии друг от друга и беспрерывно хаотично движутся. Именно поэтому отдельные молекулы ,например аммиака , хаотично перемещаясь, проникают в промежутки между молекулами воздуха, сталкиваются с ними и, таким образом, перемещаются все дальше и дальше от источника, т.е. от открытой пробирки с аммиаком. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы аммиака много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Это и есть явление диффузии.

Диффузия в газах и жидкостях происходит легче и быстрее, чем диффузия в твердых телах, так как молекулы в газах и жидкостях, соответственно, движутся свободнее, и расстояние между ними больше, чем в твердом теле. Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны.Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается.

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается. Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным. Скорость диффузии растет с увеличением температуры.Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет.

Роль диффузии в природеЯвление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния. Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот инертные газы.

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»

В жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

Роль диффузии в получении растворов.

Физическая теория растворов была предложена В. Оствальдом (Германия) и С. Аррениусом (Швеция). Согласно этой теории частицы растворителя и растворенного вещества (молекулы, ионы) равномерно распределяются по всему объему раствора вследствие процессов диффузии. При этом между растворителем и растворенным веществом отсутствует химическое взаимодействие.То есть процессы диффузии в газах, жидких гелях широко применяются в химии. Например, для получения растворов, для обогащения воздуха кислородом в металлургической промышленности. Диффузия лежит в основе многих технологических процессов: адсорбции, сушки, экстрагирования, мембранных методов разделения смесей и др.

Диффузия и безопасность человека

Горючий природный газ, используемый в быту для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, горючий газ предварительно смешивают с резко пахнущими веществами. Это позволяет быстро заметить наличие утечки газа в помещении.

Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек. Искусственная почка — это аппарат, предназначенный для выведения из крови человека токсинов, скапливающихся в почках при их тяжелом поражении — обычно это хроническая и острая формы недостаточности почек.

Работа аппарата основывается на принципах диализа — это выведение низкомолекулярных веществ из коллоидных растворов благодаря диффузии и разнице между осмотическим давлением с двух сторон целлофановой полупроницаемой мембраны.

Гемодиализ — это наиболее популярный метод проведения лечения запущенных форм недостаточности почек. Такая процедура позволяет человеку продолжать вести активный образ жизни, несмотря на неполноценную работу почек.

Применение диффузии в технике.Явления диффузии широко используются в технике. Например, при извлечении сахара из свеклы последнюю мелко нарезают и помещают в специальные металлические сосуды ( диффузоры), через которые проходит ток горячей воды. Находящийся в свекле сахар диффундирует при этом в протекающую воду. Из полученного раствора выделяют кристаллический сахар.

Применение в повседневной жизни.Явление диффузии можно наблюдать дома достаточно часто: когда пользуемся аромолампой с эфирными маслами или спреями для тела или для ног, духами, распыляем средства для уничтожения в помещении комаров и мух, когда что-то склеиваем или когда пьем чай или кофе. В кружке чай с сахаром и кусочком лимона. Мы перемешиваем ложечкой горячую воду - это ускоряет процесс проникновения молекул сахара и лимона между молекулами воды. Также засолка, маринование, компоты – это все тоже благодаря диффузии.

Вредное проявление диффузии.

Не всегда диффузия благо для человека. К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн. Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты. Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

Практическая часть

Опыт № 1 Наблюдение явления диффузии в жидкости.

Цель: наблюдение диффузии в жидкости, влияние температуры на протекание диффузии.Приборы и материалы: стакан с холодной водой, раствор «зеленки», тарелка с горячей водой, пипетка.Описание опыта и полученные результаты: а) в стакан с водой капнули «зеленку» и пронаблюдали, как происходит процесс диффузии;б) провели этот же опыт, поставив стакан с водой в тарелку с горячей водой, процесс произошел гораздо быстрее, чем в первом случае

Вывод: проведя опыт, мы обнаружили, что диффузия наблюдается в жидкостях и с увеличением температуры скорость данного процесса увеличивается.

Опыт № 2 Наблюдение явления диффузии в газах.

Цель: наблюдение диффузии в газах.Приборы и материалы: флакон духов с пульверизатором, воздух.Описание опыта и полученные результаты:а) разбрызгиваем духи;б) распространения запаха по всей комнате.Вывод: проведя опыт, мы обнаружили, что диффузия наблюдается в газах.

Опыт № 3 Наблюдение явления диффузии в твердых телах.

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.Приборы и материалы: яблоко, раствор «зеленки», пипетка.Описание опыта и полученные результаты:а) разрезаем яблоко, «капаем зеленкой» на одну половинку яблокаб) наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности.Вывод: в ходе данного опыта мы пронаблюдали диффузию в твердых телах, заметили, что этот процесс протекает в твердых телах намного медленнее, чем в газах и жидкостях.

Заключение

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.

Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения. Диффузия играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови, в воздухе которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.

Изучая диффузию, мы пришли к выводу, что она присутствует во всех сферах жизнедеятельности человека, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна.

Список использованной литературы 1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010. 2.Кошкин И.И, Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1980.3. Трофимова Т.И Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.4. Яворский Б.М, Детлаф А.А Справочник по физике. - М.: Наука, 1985.5. Шаталов В.Ф. Физика на всю жизнь. М.-Спб, 2003.6. О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина. Физика 7 класс. М., 2011.7. Н. К. Мартынова, Физика 7—9. М., 2011.

infourok.ru

Реферат: Диффузия при производстве ИМС

МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ

Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используютдиффузию и ионное легирование. Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования.

Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокойв область с низкой концентрацией, стимулированный высокой температурой.

Атомы электрически активных примесей, проходя через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют областир-или n-типа электропроводности. Методом диффузии формируют активные, пассивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локальную диффузию с применением защитных масок из диэлектрических пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.

Возможны четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный.

Вакансионный механизм обусловлен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакансий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятсямежузельными.В решетке появляетсявакансия.Соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом полупроводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом являетсясобственным,то происходитсамодиффузия,а еслипримесным - примесная диффузия.

При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наиболее вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоузлиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах.

Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то такой механизм перемещения собственных или примесных атомов называютмеханизмом непрямого перемещения атомов помеждоузлиямилиэстафетныммеханизмом.

Если межузельный атом вытесняет атом, находящийся находящийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называетсякраудионным.

Диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный радиус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в кремнии), их диффузия происходит по механизму прямого перемещения атомов по междоузлиям.

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ

В качестве легирующих примесей используют элементы Ш и V групп периодической системы. Для кремния — это бор (В) — акцепторная примесь, создающая области р-типа электропроводности, фосфор (Р), мышьяк (As) и сурьма (Sb) — донорные примеси, создающие области n-типа.

Акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные из-за меньшего ионного радиуса. Количество примеси, которое можно ввести в пластину, не превышает ее предельной растворимости при данной температуре в кремнии (см. табл.).

Примесь	Максимальная растворимость, ат/см-3	Температура,0С
Алюминий	1019-1020	1150
Бор	5.1020	1200
Фосфор	1,3.1021	1150
Сурьма	6.1019	1300
Мышьяк	2.1021	1150
Золото	1012	1300

Важное значение имеет диффузиянеконтролируемых примесей(меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых пластин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств активных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного реактора неконтролируемых примесей.

Источники легирующих примесеймогут бытьтвердые,жидкие и газообразные.

Так, источникамибораслужат: твердые — В203и Н3В03, жидкий ВВг3, газообразные — галогениды бора ВС13, BF3, ВI3и диборан В2Нб.

Источникамифосфораявляются: твердые – P2O5, фосфаты аммония Nh5h3PO4и (Nh5)2HP04, изредка элементарный красный фосфор, жидкие - РОС13, РВr3и РС13, газообразный — фосфин РН3.

В качестве источниковмышьякаприменяют: твердые - порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, оксид мышьяка As2O3и газообразный Ash4.

Для диффузиисурьмыиспользуют твердые источники -триоксид сурьмы Sb203, газообразный Sbh4(стибин).

Измельченные частицы твердых источников помещают в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора. Для подачи жидких источников в зону диффузии используют специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реактор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом-носителем в заданных пропорциях. Основным недостатком при использовании газообразных диффузантов является их токсичность, в связи с чем необходимы специальные конструкции герметичных реакторов. Однако при использовании газообразных диффузантов легче дозировать количество вводимой примеси и получать более высокую равномерность легирования.

Находят применение такжеповерхностные источники примеси— слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверхность полупроводниковых пластин из жидких растворов -эмульситонов.

В последнее время в качестве источников примеси используют пластины из материалов, содержащих легирующую примесь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры, что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота с кислородом. С течением времени поверхность источников покрывается слоем оксида, препятствующего испарению примеси. Поэтому их периодически подвергаютрегенерации.Использование пластин-источников позволяет получать высокую равномерность легирования поверхности рабочих пластин.

При взаимодействии с поверхностью пластин источник примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверхности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным, токсичным, взрывоопасным.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ

ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО ИСТОЧНИКОВ

При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: избесконечного и ограниченного источников.

Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине р-n-перехода (см. рис.).

При использовании ограниченного источникав приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.

Показанное на рисунке распределениеN(x)соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.

При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (см.рис.), которое увеличивает размеры диффузионной области на Dl и влияет на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерами окон ширина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения Dl могут достигать 0,8 xj.

1- маскирующий оксид;

2- диффузионная область;

3- пластина;

l1– размер окна в оксиде;

l2– размер полученной диффузионной области;

Dl – уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии;

xj– глубина p-n-перехода

СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФФУЗИИ

При создании активных и изолирующих областей ИМС часто используютдвухстадийную диффузию(рис. ниже).

Для этого вначале в поверхность полупроводникового материала2с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида1вводят определенное количество легирующей примеси из бесконечного источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию при небольшой глубине диффузионной области ("загонка" примеси) (риса, б).

Первую стадиюпроводят при сравнительно невысоких температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла4(поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник3(рис.б).

Вторую стадию-диффузионный отжиг, называемую "разгонкой" (рис.в),проводят предварительно удалив примесно - силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050-12300С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глубина проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная область5.Температура и длительность второй стадии диффузииопределяются заданными параметрами p-n-перехода. Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку6для последующей фотолитографии.

Необходимость проведения двухстадийной диффузии при легировании бором связана с тем, что требуется получать распределение со сравнительно невысокой поверхностной концентрацией, а с помощью одностадийной диффузии это не всегда удается.

Для остальных примесей двухстадийная диффузия обеспечивает заданные параметры р-n-переходов и возможность получения маскирующего оксида и предотвращение эрозии поверхности пластин при диффузии. Двухстадийную диффузию проводят различными способами .

Наиболее широко в технологии производства ИМС используютспособдиффузии в открытойтрубе:

Он является основным для первойстадии.Кремниевые пластины4(от 50 до 200 шт.) загружают в кассете в кварцевую трубу3через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой1подачи газа-носителя.

Газообразные диффузантыподаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются сазотом и кислородом. В зоне реакцииобразуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровождается реакциями:

в трубе: 2Ph4= 3h3+ 2P

4P + 5O2= 2P2O5

на поверхности Si: 2P2O5+ 5Si = 5SiO2+ 4P.

Пары жидких даффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элементов, например:

4РОС13+302-> 2Р205+4С12

Диффузия из газообразных и жидких источников проводится в однозонной диффузионной печи с резистивными нагревателями5(см.рис.).

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (рис.б).При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с пластинами4.

Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие6.Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает атомы примеси и переносит их в зону расположения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффундируют в глубь кремниевых пластин.

В качестве поверхностного источникаиспользуютлегированные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов(например, золота),слои легированного поликристаллического кремния.Диффузию проводят в слабо окислительной среде.

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управлять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к пластине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположения относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ)проводят в кварцевой ампуле2,в которую помещают пластины4и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10-2— 10-1Па или заполняют инертным газом и запаивают (см. рис). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200°С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1диффузионной печи с нагревателем3.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее.Ампульным способомможно проводить диффузиюмышьяка, бора, сурьмы, фосфорас однородностью легирования до ± 2,5%. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.

После проведения процесса ампулу разрушают (вскрывают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ применяют преимущественно при диффузии мышьяка.

Диффузия в полугерметичном объеме(бокс-метод)является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины4и источник примеси5помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем3,через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс.

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси. Преимуществом перед ампульным способом является возможность многократного применения кварцевой ампулы.

ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ

При диффузии на поверхности пластин образуютсямакро- и микродефекты.

К макродефектамотносятся эрозионные ямки, сильно легированные "трубки", участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, неравномерность диффузионного фронта по глубине, линии скольжения.

Эрозионные ямкиобразуются при проведении диффузии в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений поверхности, связанных с испаренеием некоторых химических соединений, которые синтезируются на ней при некоторых условиях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют кислород.

Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности может привести к появлениюсильно легированных "трубок",имеющих аномально высокую проводимость. «Трубки» образуются также из-за ускоренной диффузии в областях структурных дефектов кремния, например, по дислокациям.

При длительном нагреве с высокими температурами возникаюттермические ямки травленияиз-за роста одних кристаллографических поверхностей за счет других.

Образование второй фазыпроисходит из-за выпадения скоплений атомов металлов, таких, какмедь, золото, железоили их твердых растворов в полупроводниковом материалеи на дефектах типа дислокаций.

Скопление дислокаций в приповерхностном слое может вызвать инеравномерность диффузионного фронта по глубине:в местах нарушений кристаллической решетки уменьшается энергия активации и возрастает коэффициент диффузии примесей, вследствие чего глубина диффузии оказывается больше, чем в ненарушенных областях:

D = D0exp (-Ea/ kT).

Линии скольженияпри диффузии образуются по тем же причинам, что и при окислении, и для уменьшения их генерации необходимо использовать "мягкие" режимы нагрева и охлаждения пластин.

К микродефектам относятдислокацииидефекты упаковки.

Основной причиной возникновениядислокацийявляется внедрение в решетку полупроводникового материала примесей, размеры атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (см. табл.).

Это приводит к появлению механических напряжений растяжения или сжатия (см. рис.).

Если уровень напряжений превышает предел текучести материала, то при высоких температурах произойдетрелаксация(сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической деформацией (искажением кристаллической решетки) и образованиемкраевыхивинтовыхдислокаций(см. рис.).

Дефекты упаковкиобразуются из-за нарушения чередования плоскостей кристаллической решетки при высокотемпературном нагреве и взаимодействии полупроводникового материала с кислородом. Дислокации и дефекты упаковки могут привести к ухудшению параметров ИМС.

Микродефекты и линии скольжения выявляют селективным травлением в соответствующих травителях в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности пластин (см..табл.).

После травления и химической обработки пластины просматривают под микроскопом при увеличении 200хи подсчитывают число микродефектов в нескольких полях зрения. В поле зрения микроскопа дислокации и дефекты упаковки имеют вид, показанный на рисунке ниже.

Затем рассчитывают среднюю плотность дислокаций и дефектов упаковки:

NД= (SNi) / nS ; i= от 1 до n

гдеNд—плотность дислокаций или дефектов упаковки соответственно на 1 см2; Ni—число дефектов в поле зрения микроскопа; n — число просмотренных полей зрения;S—площадь поля зрения, см2.

Заполнение линиями скольжения поверхности кремниевых пластин оценивают по значению коэффициента заполнения,равного отношению площади заполненной линиями скольжения, ко всей площади пластин.

Площадь, заполненную линиями скольжения, определяют под пучком осветителя с помощью шаблона-сетки по суммарному числу ячеек этой сетки, в которые попадают линии скольжения. Площадь одной ячейки 25 мм2. Макродефекты анализируют под микроскопом без травления.

Поверхность после диффузии считается качественной, если плотность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах 101-102см-2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более 0,05; эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах 5 - 10%от средней толщины слоя.

Контроль диффузионных слоев проводят по следующим параметрам:

· глубина залегания p-n-перехода,

· удельное поверхностное сопротивление,

· поверхностная концентрация примесии

· профиль распределения примеси.

Наиболее распространенным методом контроляглубинызалегания р-п-переходаявляетсяметод окрашивания (химического декорирования) сферическогошлифа.

Сферический шлиф изготовляют с помощью вращающегося стального шара диаметром 35 — 100 мм, смазанного алмазной пастой зернистостью < 1 мкм, к которому прижимают рабочую сторону контролируемой пластины3(см. рис. ниже).

Глубина сферической лунки1должна превышать глубину p-n-перехода xj. Границу р-n-перехода выявляют химическим окрашиванием p-области5в концентрированной фтористоводородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окрашивания n-области используют водный раствор медного купороса CuS04• 5Н20 с добавкой 0,1 % концентрированной HF. Легированные диффузией области кремния р-типа после окрашивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а области n-типа - покрыты осажденной медью.

На окрашенных шлифах под микроскопом измеряют длину l хорды4,по которой определяют глубину залеганияр-п-перехода (толщину диффузионного слоя2):Xj= l2/ (4D) , гдеD- диаметр шара.

Погрешность метода ~ 10%вдиапазоне глубин от 2 до 10 мкм.

Метод окрашивания сферического шлифа непригоден для контроля глубины мелких (< 1 мкм) р-n-переходов из-за большой погрешности. В этом случае используютфотоэлектрический метод сканировании поверхностицилиндрического шлифа сфокусированным лазерным пучком(зондом)с регистрацией кривых фототока(фотоответа)и интерференции.

Используют установку ЛПМ-11 с длиной волны излучения X = 0,44 мкм, оптико-механическим узлом, предметным столом и регистрирующим прибором (самописцем).

Этим методом можно также контролировать ионно-легированные и эпитаксиальные p-n-переходы глубиной 0,2-10 мкм с погрешностью ~ 3 %.

Поверхностное сопротивлениедиффузионного слояRsизмеряют четырехзондовым методом (см. рис. ниже).

Ток I пропускают между внешними 1зондами и измеряют падение напряженияUмежду внутренними2зондами. Затем рассчитываютRs= (U/I).K,где

К -коэффициент коррекции, зависящий от размероваобразца и расстоянияSмежду зондами. При большом отношении (a/S)этот коэффициент равен 4,53, т. е.

Rs= 4,53U/I.

Воспроизводимость метода составляет ± 2%при стабильных значениях давления на зонды и уровня тока.

Для определенияповерхностной концентрацииNsлегирующей примеси необходимо знать характер распределения примеси в диффузионной области. Существуют графики(кривыеИрвина),связывающие поверхностную концентрацию и среднее удельное сопротивление r, рассчитанные для диффузионных профилей.

Среднее значение удельного сопротивления находят по формуле:

r =Rsхj

а затем по кривым Ирвина или таблицам определяют Ns.

Профиль распределения примесиопределяют методами:

· дифференциальной проводимости с послойным стравливанием,

· С-U-методом (метод вольт - фарадных характеристик),

· методом сопротивления растекания.

Дифференциальныйметод- старейший, достаточно информативный, но очень трудоемкий. Он состоит в повторяющихся измерениях поверхностного сопротивления четырехзондовым методом после удаления тонких поверхностных слоев кремния анодным окислением и травлением полученного оксида в растворе HF.

При использованииC-U-методаопределяют значение емкости обратно смещенного р-n-перехода в зависимости от приложенного напряжения.

Наиболее широко в настоящее время применяютметод сопротивлениярастекания, при котором двумя зондами измеряют сопротивление на косом шлифе и после обработки результатов получают профиль распределения Ns.

Для контроля уже поставленного технологического процесса достаточно измерять xjиRs,а также толщину слоя примесно - силикатного стекла, полученного послепервойстадии диффузии, и оксида - послевторойстадии.

Толщина этих слоев и ее равномерность свидетельствуют о соответствии режимов проведения диффузионного процесса заданным. Кроме того, значения толщины должны быть известны для правильного выбора времени травления при снятии стекла после первой стадии диффузии и оксида после второй для последующей фотолитографии, а также при проведении процесса ионного легирования через оксид, образованный на второй стадии диффузии.

superbotanik.net

Реферат - Диффузия при производстве ИМС

МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ

Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное леги рование . Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования.

Диффузия — это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой темпе ратурой.

Атомы электрически активных примесей, проходя через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n-типа электропроводности. Методом диффузии формируют активные, пассивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локальную диффузию с применением защитных масок из диэлектрических пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.

Возможны четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный.

Вакансионный механизм обусловлен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакансий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом полупроводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным, то происходит самодиффузия, а если примесным — примес ная диффузия.

Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным — то такой механизм перемещения собственных или примесных атомов называют механизмом непря мого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом .

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ

Примесь	Максимальная растворимость, ат/см-3	Температура, 0С
Алюминий	1019 -1020	1150
Бор	5. 1020	1200
Фосфор	1,3. 1021	1150
Сурьма	6. 1019	1300
Мышьяк	2. 1021	1150
Золото	1012	1300

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых приме сей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых пластин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств активных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного реактора неконтролируемых примесей.

Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные.

Так, источниками бора служат: твердые — В2 03 и Н3 В03, жидкий ВВг3, газообразные — галогениды бора ВС13, BF3, ВI3 и диборан В2 Нб .

Источниками фосфора являются: твердые – P2 O5, фосфаты аммония Nh5 h3 PO4 и (Nh5)2 HP04, изредка элементарный красный фосфор, жидкие — РОС13, РВr3 и РС13, газообразный — фосфин РН3 .

В качестве источников мышьяка применяют: твердые — порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, оксид мышьяка As2 O3 и газообразный Ash4 .

Для диффузии сурьмы используют твердые источники -триоксид сурьмы Sb2 03, газообразный Sbh4 (стибин).

Находят применение также поверхностные источники при меси — слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверхность полупроводниковых пластин из жидких растворов -эмульситонов.

В последнее время в качестве источников примеси используют пластины из материалов, содержащих легирующую примесь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры, что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота с кислородом. С течением времени поверхность источников покрывается слоем оксида, препятствующего испарению примеси. Поэтому их периодически подвергают регенерации. Использование пластин-источников позволяет получать высокую равномерность легирования поверхности рабочих пластин.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ

ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО ИСТОЧНИКОВ

При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников .

При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.

Показанное на рисунке распределение N ( x ) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.

1- маскирующий оксид;

2- диффузионная область;

3- пластина;

l1 – размер окна в оксиде;

l2 – размер полученной диффузионной области;

Dl – уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии;

xj – глубина p-n-перехода

СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФФУЗИИ

При создании активных и изолирующих областей ИМС часто используют двухстадийную диффузию (рис. ниже).

Для этого вначале в поверхность полупроводникового материала 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводят определенное количество легирующей примеси из бесконечного источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию при небольшой глубине диффузионной области («загонка» примеси) (рис а, б).

Первую стадию проводят при сравнительно невысоких температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (рис. б).

Вторую стадию — диффузионный отжиг, называемую «разгонкой» (рис.в), проводят предварительно удалив примесно — силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050-1230 0С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глубина проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная область 5. Температура и длительность второй стадии диффузии определяются заданными параметрами p-n-перехода. Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку 6 для последующей фотолитографии.

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в откры той трубе:

Он является основным для первой стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт.) загружают в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой 1 подачи газа-носителя.

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровождается реакциями:

в трубе: 2Ph4 = 3h3 + 2P

4P + 5O2 = 2P2 O5

на поверхности Si: 2P2 O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P.

4РОС13 +302 -> 2Р2 05 +4С12

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (рис. б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с пластинами 4.

Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает атомы примеси и переносит их в зону расположения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффундируют в глубь кремниевых пластин.

В качестве поверхностного источника используют легиро ванные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллическо го кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде .

Диффузию в замкнутом объеме (ам пульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10-2 — 10-1 Па или заполняют инертным газом и запаивают (см. рис). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200°С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1диффузионной печи с нагревателем 3.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирования до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.

Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс.

ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ

При диффузии на поверхности пластин образуются мак ро- и микродефекты.

К макродефектам относятся эрозионные ямки, сильно легированные «трубки», участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, неравномерность диффузионного фронта по глубине, линии скольжения.

Эрозионные ямки образуются при проведении диффузии в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений поверхности, связанных с испаренеием некоторых химических соединений, которые синтезируются на ней при некоторых условиях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют кислород.

Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности может привести к появлению сильно легированных «трубок », имеющих аномально высокую проводимость. «Трубки» образуются также из-за ускоренной диффузии в областях структурных дефектов кремния, например, по дислокациям.

При длительном нагреве с высокими температурами возникают термические ямки травления из-за роста одних кристаллографических поверхностей за счет других.

Образование второй фазы происходит из-за выпадения скоплений атомов металлов, таких, как медь, золото, железо или их твердых растворов в полупроводниковом материале и на дефектах типа дислокаций.

Скопление дислокаций в приповерхностном слое может вызвать и неравномерность диффузионного фронта по глубине : в местах нарушений кристаллической решетки уменьшается энергия активации и возрастает коэффициент диффузии примесей, вследствие чего глубина диффузии оказывается больше, чем в ненарушенных областях:

D = D0 exp (-Ea / kT).

Линии скольжения при диффузии образуются по тем же причинам, что и при окислении, и для уменьшения их генерации необходимо использовать «мягкие» режимы нагрева и охлаждения пластин.

К микродефектам относят дислокации и дефекты упа ковки .

Основной причиной возникновения дислокаций является внедрение в решетку полупроводникового материала примесей, размеры атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (см. табл.).

Это приводит к появлению механических напряжений растяжения или сжатия (см. рис.).

Если уровень напряжений превышает предел текучести материала, то при высоких температурах произойдет релаксация (сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической деформацией (искажением кристаллической решетки) и образованием краевых и винтовых дислокаций (см. рис.).

Дефекты упаковки образуются из-за нарушения чередования плоскостей кристаллической решетки при высокотемпературном нагреве и взаимодействии полупроводникового материала с кислородом. Дислокации и дефекты упаковки могут привести к ухудшению параметров ИМС.

Микродефекты и линии скольжения выявляют селективным травлением в соответствующих травителях в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности пластин (см… табл.).

После травления и химической обработки пластины просматривают под микроскопом при увеличении 200х и подсчитывают число микродефектов в нескольких полях зрения. В поле зрения микроскопа дислокации и дефекты упаковки имеют вид, показанный на рисунке ниже.

Затем рассчитывают среднюю плотность дислокаций и дефектов упаковки:

NД = (SNi ) / nS; i= от 1 до n

где Nд — плотность дислокаций или дефектов упаковки соответственно на 1 см2; Ni— число дефектов в поле зрения микроскопа; n — число просмотренных полей зрения; S — площадь поля зрения, см2 .

Заполнение линиями скольжения поверхности кремниевых пластин оценивают по значению коэффициента заполнения, равного отношению площади заполненной линиями скольжения, ко всей площади пластин.

Поверхность после диффузии считается качественной, если плотность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах 101 -102 см-2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более 0,05; эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах 5 — 10 % от средней толщины слоя.

Контроль диффузионных слоев проводят по следующим пара метрам:

· глубина залегания p-n-перехода,

· удельное поверхностное сопротивление,

· поверхностная концентрация примесии

· профиль распределения примеси.

Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания р-п-перехода является метод окрашива ния (химического декорирования) сферического шлифа .

Глубина сферической лунки 1 должна превышать глубину p-n-перехода xj. Границу р-n-перехода выявляют химическим окрашиванием p-области 5 в концентрированной фтористоводородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окрашивания n-области используют водный раствор медного купороса CuS04 • 5Н2 0 с добавкой 0,1 % концентрированной HF. Легированные диффузией области кремния р-типа после окрашивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а области n-типа — покрыты осажденной медью.

На окрашенных шлифах под микроскопом измеряют длину l хорды 4, по которой определяют глубину залегания р-п- перехода (толщину диффузионного слоя 2): Xj = l2 / (4D), где D — диаметр шара.

Погрешность метода ~ 10 % вдиапазоне глубин от 2 до 10 мкм.

Метод окрашивания сферического шлифа непригоден для контроля глубины мелких (< 1 мкм) р-n-переходов из-за большой погрешности. В этом случае используют фотоэлек трический метод сканировании поверх ности цилиндрического шлифа сфокусированным лазерным пучком (зондом) с регистрацией кривых фототока (фотоответа) и интерференции .

Поверхностное сопротивление диффузионного слоя Rs измеряют четырехзондовым методом (см. рис. ниже).

Ток I пропускают между внешними 1зондами и измеряют падение напряжения U между внутренними 2 зондами. Затем рассчитывают Rs = (U / I ) . K , где

К — коэффициент коррекции, зависящий от размеров а образца и расстояния S между зондами. При большом отношении (a / S ) этот коэффициент равен 4,53, т. е.

Rs = 4,53 U / I .

Воспроизводимость метода составляет ± 2 % при стабильных значениях давления на зонды и уровня тока.

Для определения поверхностной концентрации Ns легирующей примеси необходимо знать характер распределения примеси в диффузионной области. Существуют графики (кривые Ирвина), связывающие поверхностную концентрацию и среднее удельное сопротивление r, рассчитанные для диффузионных профилей.

Среднее значение удельного сопротивления находят по формуле:

r = Rs хj

а затем по кривым Ирвина или таблицам определяют Ns .

Профиль распределения примеси определяют методами:

· дифференциальной проводимости с послойным стравливанием,

· С-U-методом (метод вольт — фарадных характеристик),

· методом сопротивления растекания.

Дифференциальный метод — старейший, достаточно информативный, но очень трудоемкий. Он состоит в повторяющихся измерениях поверхностного сопротивления четырехзондовым методом после удаления тонких поверхностных слоев кремния анодным окислением и травлением полученного оксида в растворе HF.

При использовании C - U - метода определяют значение емкости обратно смещенного р-n-перехода в зависимости от приложенного напряжения.

Наиболее широко в настоящее время применяют метод сопротивлениярастекания , при котором двумя зондами измеряют сопротивление на косом шлифе и после обработки результатов получают профиль распределения Ns .

Для контроля уже поставленного технологического процесса достаточно измерять xj и Rs , а также толщину слоя примесно — силикатного стекла, полученного после первой стадии диффузии, и оксида — после второй стадии.

www.ronl.ru

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..