Диффузионные процессы. 
Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. 
Интегральные схемы

Диффузия в полупроводниках — процесс последовательного перемещения атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленный тепловым движением. Идея использования диффузионных методов для изменения типа проводимости кремния или германия была впервые предложена Пфанном в 1952 г. С тех пор было опробовано немало разнообразных способов введения легирующих примесей в кремний путем диффузии. Процессы диффузии используются для формирования базовых и эмиттерных областей и резисторов в биполярной технологии изготовления п/п приборов, для создания областей стока и истока в МОП-технологии и для легирования поликремния.

Легирующие атомы могут быть введены в кремниевые подложки путем:

• — диффузии из химического источника в парообразной форме при высоких температурах;
• — диффузии из легированных оксидов;
• — диффузии из ионно-имплантированных слоёв и отжига.

Отжиг ионно-имплантированных слоев проводится для активирования имплантированных атомов и уменьшения дефектов кристаллической структуры, образующихся при ионной имплантации. Процесс высокотемпературного отжига сопровождается диффузией. Ионная имплантация обеспечивает более строгий контроль общей дозы легирующей примеси в диапазоне 10^п…10^|бсд/'², поэтому, где эго, возможно, ею заменяют процессы легирования из химических источников и легированных оксидов.

Изучение процессов диффузии велось в направлении создания на основе экспериментальных результатов более точных моделей, которые давали бы возможность предсказывать протекание процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель исследования процесса диффузии — возможность расчетным путем определять электрические характеристики п/п приборов на основе технологических параметров процесса.

Диффузионные модели развивались с позиции двух основных приближений:

• — теории сплошных сред с использованием уравнения диффузии Фика;
• — атомистической теории, которая принимает во внимание взаимодействие между точечными дефектами (вакансиями и межузельными атомами), с одной стороны, и примесными атомами с другой стороны.

Теория сплошных сред описывает явления диффузии исходя из диффузионного уравнения Фика с учетом соответствующих коэффициентов диффузии. Коэффициенты диффузии легирующих элементов могут быть определены путем экспериментальных измерений поверхностной концентрации, глубины /(-«-перехода или профиля концентрации и из решения уравнения диффузии Фика.

При низких значениях концентрации примеси, измеренные диффузионные профили хорошо согласуются с решениями уравнения диффузии Фика с постоянными значениями коэффициентов диффузии, которые легко рассчитываются. В этих случаях конкретные пути перемещения атомов примеси, как правило, не известны.

При высоких значениях концентрации примеси форма диффузионных профилей отклоняется от предсказанной простой диффузионной теорией, что обусловлено влиянием на процесс диффузии других факторов, не принятых во внимание простыми диффузионными уравнениями Фика. Поскольку измерения диффузионных профилей отображают зависимость последних от концентрации примеси, при высокой концентрации примеси предполагают концентрационную зависимость коэффициентов диффузии, входящих в уравнение диффузии Фика. Аналитическое выражение концентрационной зависимости коэффициентов диффузии определяется методом Больцмана-Матано или другим аналитическим методом обработки экспериментальных профилей диффузии.

Для объяснения экспериментальных результатов зависимости коэффициентов диффузии от концентрации и для анализа других аномальных результатов процесса диффузии были предложены различные атомные модели, основанные на взаимодействии дефектов с примесными атомами. Атомистическая теория диффузии еще находится в процессе активного развития, поэтому необходимо ясно осознавать ограниченность существующих моделей.