Supraconductibilitate

4. TEHNICI DE IMPURIFICARE CONTROLAT

Pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare sau a circuitelor integrate (C.I.)

se folosesc plachetele de siliciu monocristalin sau plachete epitaxiale. Pentru a realiza dispozitive semiconductoare este necesar impurificarea controlat (doparea) unor zone de pe suprafaa cipurilor pe care se vor realiza jonciunile sau componentele pasive de circuit. Dintre tehnicile de dopare folosite n realizarea de dispozitive electronice i circuite integrate cele mai folosite sunt: difuzia i implantarea ionic. Tot n aceleai scopuri, dar cu utilizare mai restrns, (la impurificarea germaniului) se folosete tehnica alierii.

4.1. Difuzia

Difuzia este un procedeu flexibil i bine controlat de obinere a unei distribuii de impuriti n structura materialului (dopare), n scopul obinerii jonciunilor sau a altor structuri necesare n fabricarea dispozitivelor semiconductoare. Difuzia corespunde tendinei de mprtiere (dispersie) a particulelor, atomilor sau moleculelor substanelor sub aciunea unei energii de excitaie furnizat din exterior sub form de cldur. La temperatura ambiant fenomenul de difuzie este prezent numai n mediul gazos, mai puin accentuat n mediu lichid i practic inexistent n mediu solid. Pentru a obine o difuzie n medii solide, respectiv n cristale semiconductoare, trebuie ca materialul sa fie nclzit la temperaturi ridicate (n jurul valorii de 1000C).

Transportul de substan (atomi, molecule), prin difuzie este determinat de agitaia termic a reelei cristaline a materialului semiconductor n direcia descreterii concentraiei difuzantului. Ptrunderea atomilor de impuritate n semiconductorul de baz se realizeaz prin mecanismele specifice ale microdifuziei [3], [7]. Difuzia n medii solide (cristale) este posibil numai dac atomii difuzanti au un nivel de energie suficient de mare, pentru a putea depi barierele energetice din cristal (spre exemplu barierele de potenial atomic). De aceste bariere de potenial va depinde tipul de mecanism de difuzie ce intervine. Sunt definite patru mecanisme de difuzie principale: - mecanism lacunar, prin care atomul ce difuzeaz ocup lacuna (locul vacant) lsat de un atom al reelei cristaline, care s-a deplasat la rndul lui (prin autodifuzie); - mecanism interstiial, prin care atomii difuzani se deplaseaz n spaiul dintre atomii cristalului (spaiul interstiial); acest mecanism intervine preponderent n cazul difuziei atomilor de dimensiuni mici (de exemplu, la atomul de bor); - mecanism interstiial combinat cu mecanism lacunar, prin care atomul difuzant ia locul unui atom al reelei, trimindu-l n spaiul interstiial; pentru a realiza aceasta nlocuire, atomul difuzant trebuie sa aib un nivel ridicat de energie; - mecanisme de grup, n care intervin mai muli atomi; acest mecanism intervine n special n cazul difuziei atomilor de dimensiuni mari.

Tehnologie electronic 38

4.1.1. Modelul difuziei

Mecanismele difuziei pot fi modelate matematic, dar ar necesita o putere de calcul foarte mare pentru a simula difuzia unui numr important de atomi. Este mult mai simplu s se modeleze difuzia statistic, la nivel macroscopic. O astfel de tratare se realizeaz pe baza legilor difuziei.

Legea lui Fick, arat c fluxul unitar al particulelor ce difuzeaz este dat de relaia (legea I a lui Fick): NgradD = (4.1) unde:

D [cm2/s] este coeficientul de difuzie; D depinde puternic de temperatur, practic nul la temperatura ambianta, iar

N concentraia particulelor ce difuzeaz. Dac se consider c difuzia se face pe direcia axei Ox, ntr-un sistem cartezian de

axe, relaia (4.1) devine:

xNDx = (4.2)

Variaia n timp a concentraiei tN este egal cu variaia fluxului:

x

txt

txN

= ),(),( (4.3)

Prin nlocuirea relaiei (4.2) n (4.3) se obine:

22),(xND

xND

xttxN

=

= (4.4)

Relaia (4.4) reprezint legea a II-a a lui Fick. Prin rezolvarea acestei ecuaii

difereniale n condiii particulare se determin variaia concentraiei impuritilor n funcie de timp i de distan.

Dac fluxul urmeaz o direcie oarecare, atunci:

NDzN

yN

xND

tN =

+

+=

2

2

2

2

2

2

(4.5)

Atomii care difuzeaz au de nvins o energie potenial cu valoarea egal cu

energia de activare a microdifuziei (fig. 4.1)

Tehnici de impurificare controlat 39

Fig. 4.1 Modelul difuziei impuritilor n structura cristalin a materialului de baz

w

w0

x

Coeficientul de difuzie D=D(T,W0) - depinde de temperatura T i de energia de activare W0 a microdifuziei:

kTW

eDD0

0

= (4.6)

Probabilitatea de escaladare a barierei energetice, ca atomul s ias din interstiiu,

este proporional cu kTW

e0 . Deoarece, n unitatea de timp atomul interacioneaz (se

izbete) cu bariera energetic de un numr de ori egal cu frecvena de oscilaie a atomilor legai de reeaua cristalin, probabilitatea Rn ca atomul s treac peste bariera de potenial este:

kTW

n eR0= (4.7)

innd n continuare seama de mecanismele difuziei [3], [7] de ptrundere a impuritilor n structura reelei cristaline, se ajunge la expresia mrimii D0 :

20 aD = (4.8)

unde, a este constanta reelei cristaline. Relaia (4.8) indic proporionalitatea mrimii D0 cu frecvena de oscilaie i

cu a,2 valori specifice reelei cristaline. Cunoaterea coeficientului de difuzie D este important n tehnologia dispozitivelor semiconductoare. Acest coeficient se poate calcula folosind relaiile (4.6) i (4.8), n care mrimile ce intervin se determin, dup cum urmeaz:

- energia de activare a microdifuziei W0 din msurri de conductivitate ionic; - constanta reelei cristaline a cu ajutorul difraciei razelor X; - frecvena de oscilaie cu ajutorul msurtorilor optice ale spectrelor de

absorbie n infrarou. Coeficientul de difuzie D se poate determina i direct din msurrile fcute cu

ajutorul trasorilor radioactivi. Difuzia impuritilor n SiO2 este mult mai lent dect n Si, fiind caracterizat

printr-un coeficient de difuzie mai mic cu cteva ordine de mrime. Pe aceast proprietate se bazeaz efectul de ecranare al oxidului de siliciu, efect folosit n tehnologia planar de realizare de dispozitive semiconductoare i de circuite integrate.


4.1.2. Tehnologia difuziei

Impurificarea prin difuzie se realizeaz prin aducerea la suprafaa materialului semiconductor a impuritilor n faz gazoas, lichid sau solid.

a) Difuzia din faz gazoas

n cazul difuziei din faza gazoas impuritile sunt antrenate de un mediu gazos. Procesul de difuzie se realizeaz n reactoare de difuzie (fig. 4.2), la temperaturi de 800-13000C. La temperaturi mai joase, coeficientul de difuzie al impuritilor este foarte mic, iar la temperaturi mai mari se formeaz defecte n structur care nrutesc calitatea straturilor difuzate. Atomii de impuritate de specia dorit sunt adui n stare gazoas n prezena unui gaz inert (gaz purttor).

Fig. 4.2 Reactor de difuzie

Gaz purttor Atomii de impuritate se vor deplasa din zona de concentraie ridicat, din mediul

gazos n mediul de concentraie mai sczut (materialul semiconductor), proces favorizat de temperatura mediului, dup care vor difuza n materialul semiconductor.

Dac la suprafaa Si se ajunge la un echilibru, ntr-un interval de timp mai scurt dect durata difuziei, atunci se poate considera c la suprafaa semiconductorului concentraia N(x,t) este constant. n acest caz, distribuia impuritilor pe direcia de difuzie este descris de ecuaia (4.4). Varianta tehnologic a instalaiei de difuzie cu concentraia N(x,t) constant se realizeaz prin difuzia n tub nchis. n acest caz, plachetele din material semiconductor sunt nchise mpreun cu sursa de impuriti n aceeai incint. Aceast modalitate este flexibil, permind un numr mare de difuzii diferite, dar nu este utilizabil la fabricarea dispozitivelor pe scar mare.

Varianta care a cptat ns o extindere mai mare la fabricarea structurilor cu siliciu este difuzia n tub deschis. Principalul avantaj al acestei metode este faptul c permite prelucrarea unor loturi de serie mare i totodat permite mascarea cu oxizi pentru controlul geometriei regiunilor difuzate. Exist mai multe variante ale difuziei n tub deschis n funcie de sursa de impuriti i de concentraiile acestora. De obicei, este convenabil ca procesul de difuzie s se efectueze n dou etape. n prima etap impuritatea se depune la suprafaa semiconductorului sau ntr-o scobitur a acestuia. n etapa urmtoare se va face impurificarea materialului la adncimea dorit. Realizarea difuziei n dou etape se justific prin existena temperaturilor ridicate, care la o difuzie adnc, ntr-o atmosfer neoxidant, poate deteriora suprafaa plachetelor. Dac atmosfera este oxidant se formeaz stratul de oxid SiO2 care mascheaz placheta fa de toate impuritile uzuale (elemente din grupa a-III-a i a-V-a) cu excepia galiului. Deoarece, oxidarea are loc simultan cu depunerea materialului de la surs, procesul de difuzie devine necontrolabil. La difuzia n dou etape n prima faz


se realizeaz o predifuzie (predepunere) a impuritilor la temperaturi mai sczute, sub nivelul de evaporare a suprafeei semiconductorului, ntr-o atmosfer neoxidant.

Avantajele metodei de difuzie n faz gazoas constau n simplitatea instalaiei i n posibilitatea de a regla cu precizie parametrii de difuzie.

b) Difuzia din faz lichid Difuzia din faz lichid are loc atunci cnd la suprafaa materialului

semiconductor se formeaz faza lichid a materialului de impurificat. Acest lucru se ntmpl atunci cnd presiunea parial a materialului de difuzie este suficient de mare. Impuritile n faz lichid interacioneaz la suprafa cu semiconductorul formnd un aliaj sau un compus chimic. O serie de elemente ca In, Al, Ga se pot depune pe suprafaa Si prin evaporarea termic n vid i apoi, n condiii prestabilite, elementele de impurificat difuzeaz n placheta de material semiconductor. La atingerea temperaturii de difuzie la suprafaa Si se formeaz un strat de aliaj lichid.

c) Difuzia din faz solid Difuzia din faz solid este ntlnit n cazul straturilor din materiale

semiconductoare diferit impurificate care se gsesc n contact intim aflate n condiii de temperatur ridicat. La o temperatur suficient de mare impuritile vor difuza n regiunea apropiat, care iniial nu coninea impuriti. Surse solide sunt materiale de tipul sticlei, coninnd substane dopante ca nitrura de bor sau sticla dopat cu fosfor. Aceste surse se prezint sub forma de plachete (discuri) i sunt introduse n cuptor printre plachetele de siliciu ce urmeaz a fi dopate. Sticla dopat se evapor i se depune pe plachete. Prin nclzirea la temperatura nalt a plachetelor, n cuptor, materialele de impurificare (dopanii) depui pe suprafa difuzeaz spre interiorul substratului.

4.1.3. Tehnici de difuzie

n cazul siliciului principalele impuriti acceptoare sunt: B, Ga, In, iar impuriti

donoare sunt: P, As, Sb. n comparaie cu fosforul, arseniul i stibiul sunt difuzani relativ leni. Constantele de difuzie i solubilitile elementelor de impurificare frecvent utilizate n practic sunt cunoscute i se indic n funcie de temperatur [3].

a) Difuzia fosforului Difuzia fosforului se efectueaz cel mai convenabil printr-un procedeu n dou

etape. Surse de impurificare sunt compui ai fosforului, din care cele mai convenabile sunt: fosforul rou, P2O5 (oxid fosforic), POCl3 i PCl3.

Instalaia de difuzie (fig. 4.3) const n cuptorul de difuzie propriu-zis, funcionnd la temperaturi mari 1000-1200C i cuptorul surs la care temperatura este considerabil mai sczut, de ordinul a 200C pentru P2O5 .


n prima parte a procesului de impurificare se efectueaz o predifuzie. n acest

caz, temperatura crete monoton, de la elementele de nclzire ale sursei pn la plachetele de siliciu, astfel nct materialul evaporat de la surs s nu condenseze pe pereii cuptorului. Transferul impuritilor de la surs se realizeaz cu ajutorul unui gaz purttor (azot sau argon), care trebuie s fie saturat cu vaporii sursei de impurificat. Gazul traverseaz un filtru cu vat de cuar, pentru a reine particulele antrenate pe parcurs, dup care trece pe deasupra plachetelor de siliciu i apoi prin orificiul de evacuare. Cantitatea de fosfor ce se depune i impurific pastilele de siliciu depinde de temperatur (crete exponenial cu temperatura) i de timpul de depunere.

r Filtru cu vat de cua

Materiale surs

Tub de cuar

N2

Cuptor surs

Fig. 4.3 Instalaia de difuzie pentru P2O5

Cuptor de difuzie

Pentru materiale de impurificare n stare lichid instalaia este asemntoare cu cea din figura 4.3. n cuptor se introduce un gaz inert saturat cu vaporii lichidelor POCl3 sau PCl3 care sunt lichide cu temperatur de fierbere sczut. Cantitatea de impuriti se modific prin: ajustarea temperaturii sursei de impuriti i prin reglarea debitului de gaz de la surs.

Dup predifuzie, difuzia necesar pentru a obine adncimea dorit se efectueaz n atmosfer oxidant. Drept atmosfer oxidant se folosete: oxigenul uscat, oxigenul umed, azotul umed i vapori de ap. Cantitatea de oxid trebuie s fie corelat cu efectele secundare ce pot apare n mediu oxidant (deteriorarea suprafeei prin evaporare, procese de oxidare).

b) Difuzia borului Borul este materialul difuzant, frecvent utilizat datorit solubilitii ridicate pe

care o prezint, avnd posibilitatea de a fi mascat uor de oxizi. Sursele de impurificare sunt reprezentate de compui ai borului n stare gazoas: oxidul de bor (B2O3), triclorura de bor (BCl3) i triclorura de brom i bor (BBr3.BCl3). Aceti compui se livreaz n butelii speciale n care gazele sunt lichefiate i sub presiune. Halogenurile prezint tendina de a ataca suprafaa pastilelor de siliciu (fenomenul de ciupire). Fenomenul este pronunat n cazul BCl3. Efectul poate fi minimizat prin adugarea n gazul purttor inert a unei mici cantiti de oxigen i hidrogen (de ordinul 1%).

Instalaia care se utilizeaz pentru difuzia borului este asemntoare cu cea folosit la difuzia fosforului (fig. 4.3), cu deosebirea c n regiunea sursei este necesar


o temperatur mult mai ridicat, de ordinul 800-900C. La utilizarea oxidului de bor (B2O3) n stare solid se poate obine o gam larg de concentraii, dar rezultatele nu sunt ntotdeauna reproductibile.

c) Difuzia galiului Difuzia galiului este deosebit de variantele anterioare, deoarece se realizeaz

ntr-o singur etap. Aceasta, deoarece galiul, la temperatura de difuzie, penetreaz stratul de oxid de siliciu, astfel c acesta ofer o ecranare redus fa de siliciu aflat dedesubt.

Sursa de Ga este oxidul refractar de galiu Ga2O3. Instalaia conine un cuptor cu dou zone, n care sursa de Ga este meninut la o temperatur cuprins ntre 800C i temperatura de difuzie. Peste surs se trece un curent gazos ce conine o cantitate de hidrogen necesar pentru a reduce Ga2O3 cu formarea de elemente volatile. Reacia ce are loc are urmtoarea form:

OHOGasauGaOGaH 22322 )( ++ (4.9)

Presiunea elementelor volatile poate fi controlat prin raportul presiunii hidrogenului fa de vaporii de ap. Prin aceast variant se realizeaz difuzii uniforme i bine controlate.

4.1.4 Analiza straturilor difuzate

Dup obinerea straturilor difuzate, acestea trebuiesc analizate din punct de

vedere al parametrilor fizico-chimici. n studiul straturilor difuzate prezint interes urmtoarele caracteristici:

- concentraia impuritilor la suprafa; - distribuia spaial a difuzantului pe direcia de difuzie; - adncimea de ptrundere a jonciunilor p-n; - valoarea gradientului concentraiei impuritilor n jonciunea p-n.

Conform ecuaiei (4.6) coeficientul de difuzie depinde exponenial de temperatur. Prin logaritmarea acestei relaii se obine:

kTW

DD 00lnln = (4.10) Prin determinarea experimental a coeficientului de difuzie la diferite temperaturi se poate construi graficul ( )TfD /1ln = (fig. 4.4). Cunoscnd ecuaia dreptei (4.10) energia de activare a difuziei W0 se determin n funcie de panta acesteia, respectiv:

tgkT

DD

kW ==

)1(1

0 (4.11)


T1

Fig. 4.4 Determinarea grafic a parametrilor

difuziei

ln D

D0

Valoarea factorului D0 se gsete extrapolnd dreapta difuziei pn la intersecia ordonatei. 4.1.4.1. Determinarea caracteristicilor straturilor difuzate

a) Determinarea adncimii stratului difuzat Metoda colorrii selective const n rodarea lateral a plachetei cu zona difuzat la un unghi de 15 (fig. 4.5), dup care se introducere n soluie de acid florhidric sau de acid azotic cu un colorant (CuSO4 - sulfat de cupru). Dup meninere n soluie zona rodat se coloreaz. Zona de tip p este mai ntunecat dect materialul semiconductor de tip n (zona n nu i modific culoarea). Lungimea l a zonei colorate se poate msura optic (microscop) sau prin franje de interferen. Cunoscnd valoarea unghiului , rezult valoarea grosimii stratului difuzat xj: tglx j = (4.13)

Fig. 4.5 lefuirea sub unghi n metoda colorrii selective

x

p

n

l Metoda tensiunii fotovoltaice este o metod modern, care d rezultate mai precise dect metoda anterioar. Prin metoda tensiunii fotovoltaice se pot determina adncimile de impurificare (adncimea jonciunilor) cuprinse ntre 0,510 m cu o precizie mai bun de 2% [3]. n acest scop, jonciunea p-n cu strat difuzat se lefuiete sub un unghi =1, iar regiunile p i n ale jonciunii se conecteaz prin intermediul unui preamplificator la intrarea unui voltmetru selectiv (nanovoli). Jonciunea se deplaseaz cu ajutorul unui urub micrometric n faa fascicolului de lumin cu dimensiuni de ordinul 2-10 m. Prin baleierea suprafeei lefuite de ctre fascicolul de lumin modulat (fig. 4.6.a) de la zona n spre zona p semnalul de la voltmetru, sincronizat cu sursa de lumin L,, va avea o cretere apoi un palier (fig. 4.6.b). La atingerea zonei n semnalul obinut va avea o scdere. Adncimea de ptrundere xj a


jonciunii corespunde poziiei stabilit pe micrometru la poziia n care semnalul ncepe s scad. (fig. 4.6.b).

b)a)

L

p

n

xj

Fig. 4.6 a) Principiul de baleere cu flux luminos

b) Determinarea xj

U

x

b) Rezistivitatea de suprafa sau rezistena de ptrat Parametrul electric cel mai utilizat pentru caracterizarea straturilor difuzate este rezistena de ptrat. Pentru a defini aceast mrime se va porni la calculul rezistenei unei probe paralelipipedice cu dimensiunile wgL (fig. 4.7) de siliciu uniform dopate. Dac se consider pentru materialul dopat o rezistivitate , rezistena echivalent a probei paralelipipedice este:

===

wL

ggwLR R w

L (4.14)

Fig. 4.7 Proba paralelipipedic pentru calculul rezistenei de ptrat

w

L

g

Mrimea R [] reprezint rezistena de ptrat a stratului. Deoarece rezistena de ptrat este rezistena oricrui strat de form ptrat cu grosimea g, unitatea de msur frecvent folosit este ohm/ptrat [/]. Rezistivitatea stratului difuzat depinde de concentraia de purttori de sarcin i deci ea variaz cu adncimea. Rezistena de ptrat a stratului difuzat R cu rezistivitatea medie i adncimea xj se determin cu relaia:

jxR = (4.15)

4.1.4.2. Localizarea zonelor dopate Pentru selecia zonelor ce urmeaz a se impurifica prin difuzie se utilizeaz mtile de difuzie. Acestea sunt obinute prin procedee litografice (fotolitografice, electronolitografice, ionolitografice sau roentgenlitografice). Tehnica litografic aplicat pentru realizarea "ferestrei de difuzie" cuprinde urmtoarele etape:


- curarea i degresarea suprafeei plachetei; - depunerea neselectiv a stratului de protecie (ngreuneaz difuzia la Si -

SiO2, Si3N4); - depunerea stratului de rezist (fotorezist, electrorezist, etc.); - expunerea selectiv la lumin ultraviolet (fotolitografie); - developarea; - corodarea stratului de protecie; - ndeprtarea rezistului (cu un solvent organic).

Dup crearea ferestrei de difuzie i introducerea n reactorul de difuzie se obine o difuzie localizat (fig. 4.8) de ctre stratul din SiO2 sau Si3N4. 4.1.4.3. Caracteristicile zonelor difuzate Metoda difuziei este deosebit de flexibil n ceea ce privete geometria zonelor difuzate, care se pot caracteriza prin urmtoarele:

- se pot obine jonciuni plane cu excepia zonelor de la marginile ferestrelor deschise n oxid, unde forma este aproximativ cilindric, pe suprafee mari i cu geometrii diferite;

- pot s apar erori de localizare datorit efectelor laterale (fig.4.7); erorile de localizare se pot evita printr-o dimensionare contractat;

- n aceeai zon se pot realiza succesiv mai multe jonciuni;

Fig. 4.8 Obinerea unei jonciuni. Efectul difuziei laterale

SiO2

4.2. Implantarea ionic

Implantarea ionic reprezint procesul de introducere a atomilor de impuritate ntr-un material semiconductor de baz prin bombardarea acestuia cu un fascicol nefocalizat de ioni cu energie ridicat (de ordin keVsute keV). Implantarea ionic nu este un proces termic care de multe ori duce la efecte secundare i din aceasta rezult o serie de avantaje. De asemenea, la implantarea ionic concentraia de impuriti nu depinde de materialul n care se face implantul, ci numai de caracteristicile ionilor, de natura acestora i de energia aplicat. n tehnologia planar, implantarea ionic poate fi folosit pentru introducerea unei anumite cantiti de impuritate n semiconductor, fie pentru a realiza un anumit profil al concentraiei. Operaia este folosit pentru doparea plachetelor semiconductoare n timpul fabricrii dispozitivelor electronice (crearea zonelor de surs i dren la tranzistoarele MOS, a bazei i emitorului tranzistoarelor bipolare, etc...).

Atomii dopani sunt de obicei: B, P, As, In, etc... Pentru accelerarea atomilor ionizai se folosesc energii cuprinse n gama 3 keV pn la 500 keV. Adncimea medie de patrundere poate fi cuprins ntre 100 i 1 m, aceasta depinznd de:


- natura materialului n care se face implantarea; - de natura ionilor dopani; - de energia de accelerare.

Pentru a penetra un singur strat atomic (aproximativ 2,5 ) [3], este necesara o energie de ordinul a 100 eV.

4.2.1. Tehnologia implantrii ionice

Instalaia de implantare ionic (fig. 4.9.a) conine o surs de ioni care sunt accelerai electrostatic spre un separator magnetic dup care, printr-un sistem de corecie i deflexie sunt dirijai spre suprafaa intei.

b)a) x0

Flux deioni

Masc

Substrat semiconductor

int Sursa de ioni

Separator magnetic

nse ajusttrebuie n vid. succesiu

4

Disunt greFig. 4.9 Implantarea ionic a) Principiul instalaiei de implantare b) Obinerea geometriei stratului implantat cu ajutorul mtii zona intei se afl materialul semiconductor a crui geometrie de impurificat eaz prin intermediul mtii de metal (fig. 4.9.b) sau de stratul de oxid care s fie suficient de gros pentru a opri ionii. Procesul de implantare se realizeaz n momentul ptrunderii ionilor n reeaua cristalin a materialului aflat n int nea proceselor care au loc este urmtoarea:

- ciocnirea ionilor cu nodurile reelei cristaline a materialului prin care se produc defecte structurale i perturbarea simetriei din vecintatea traiectoriei;

- interaciunea cu electronii aflai pe traseu (cedare de energie) fr a-i modifica traiectoria;

- modificarea traiectoriei ionilor la ciocnirea cu nucleele din nodurile reelei cristaline.

.2.2. Modelul implantrii ionice

stribuia spaial a ionilor implantai depinde de muli parametri care uneori u de controlat:

- starea suprafeei intei; - temperatura intei; - doza de iradiere; - orientarea fascicolului de ioni n raport cu cristalul.


Distana pe care o parcurge ionul n interiorul materialului semiconductor (int) pn la oprire poart denumirea de parcurs. Parcursul total este format din mai multe poriuni aproximativ liniare. Vectorul care unete punctul de inciden cu punctul n care se oprete ionul poart numele de vector de parcurs R . Matematic valoarea vectorului de parcurs R rezult prin nsumarea traiectoriilor pariale:

nrrrrR ++++= ...321 (4.16)

Proiecia vectorului R pe direcia fascicolului incident poart denumirea de vectorul parcursului nominal i se noteaz cu pR (fig. 4.9). Distribuia spaial a atomilor de impuriti poart numele de profil de frnare sau profil de implantare.

Fig. 4.9 Traiectoriile ionilor n int Substrat

Rp

R

r3 rn Fascicol de ioni

E

Teoria parcursurilor i distribuia spaial a ionilor a fost abordat n cazul

corpurilor amorfe, fiind cunoscut n literatur sub denumirea de teoria LSS (Lindhart-Scharff-Schiott). Scopul acestei teorii este de a gsi o expresie matematic care s descrie dependena spaial a ionilor n funcie de energia imprimat acestora. Parcursul calculat n cadrul teoriei LSS reprezint distana total parcurs de ion pn n momentul opririi. Calculul teoretic a profilului de frnare a ionilor n monocristale este o problem complicat care nici pn n prezent nu a fost rezolvat n totalitate.

Profilul de implantare poate fi mprit n trei regiuni: - regiunea din apropierea suprafeei intei (regiunea I), zon care

cuprinde particule care nu simt structura reelei cristaline i au o distribuie asemntoare cu cea din materialele amorfe;

- regiunea ce urmeaz (regiunea a-II-a) conine particule care au suferit abateri de la traiectoria de baz (particule decanalizate);

- regiunea a-III-a cuprinde particule decanalizate pn la momentul opriri lor n structur.

Problema important la implantarea ionic const n calcularea sau determinarea experimental a parametrului vector de parcurs pR n funcie de energia de accelerare a ionilor. Pentru calculul adncimii maxim de ptrundere a particulelor canalizate Rmax [m] se folosete relaia [3], relaie utilizat la calculul jonciunilor realizate prin implantare ionic:


ER R=max (4.17)

unde: R - constant care depinde de natura ionilor implantai i de starea fizico-chimic a sursei;

E [keV] energia ionilor. Cu ajutorul relaiei (4.17), se determin adncimea de ptrundere xj a jonciunilor formate prin implantare ionic. La implantarea ionic prezint interes nu numai parcursul ionilor, ci i distribuia parcursurilor, adic abaterea parcursurilor de la valoarea medie. Dac nu exist fore care s dirijeze ionii n direcii prefereniale, atunci se poate presupune o distribuie dup curba de probabilitate dat de Gauss.

4.2.2.1. Particulariti ale implantrii ionice

Proprietile electrice ale straturilor dopate prin implantare sunt determinate de poziia impuritilor n reeaua cristalin. Spre deosebire de celelalte metode de impurificare, n care poziia impuritilor este determinat de echilibrul termodinamic, la implantarea ionic are loc un proces de neechilibru ntre atomii aflai n nodurile reelei i cei aflai n interstiii. Dac dup implantare se realizeaz un tratament termic la temperaturi din ce n ce mai ridicate, atunci crete gradul de ocupare de ctre impuriti a nodurilor reelei cristaline. Defectele de structur care se obin pentru aceeai energie a ionilor incideni crete odat cu masa ionilor. Un parametru important care afecteaz distribuia i concentraia defectelor este temperatura intei. Numrul defectelor scade n anumite limite prin creterea temperaturii sursei.

Dintre caracteristicile straturilor implantate ionic se pot meniona: - localizarea cu o bun rezoluie a zonelor dopate, lucru ce permite

obinerea unei densiti mari de integrare; - adncimea de ptrundere a impuritilor implantate este mai mic

dect n cazul difuziei; - se reduc efectele secundare ce pot aprea la procesele termice care

nsoesc alte metode de impurificare (difuzia, epitaxia, alierera); - profilul implantrilor realizate prezint un maxim pronunat n zona

central i fronturi rapid cztoare. - implantarea ionic poate contribui la activarea difuziei. - implantarea permite realizarea unui maxim al concentraiei de

impuriti la o anumit adncime sub stratul de siliciu, ceea ce permite obinerea de tranzistoare bipolare i cu efect de cmp cu proprieti mai bune dect prin difuzie.

Implantarea ionic se poate utiliza la: - realizarea unor dopri foarte reduse pentru obinerea de rezistene cu

valori nominale mari din structura circuitelor integrate; - doparea unor straturi subiri (de ordinul 0,1m) pentru tranzistoarele

de nalt frecven.


Doparea semiconductorilor prin implantare ionic este o tehnologie scump i complex, motiv pentru care se utilizeaz numai n aplicaii mai speciale.

Proprietile electrice ale straturilor implantate sunt caracterizate cu ajutorul urmtorilor parametri:

- rezistivitatea de suprafa S (conductivitatea de suprafa S); - concentraia purttorilor de sarcin de la suprafa NS; - mobilitatea efectiv ef a purttorilor de sarcin, - distribuia concentraiei purttorilor de sarcin i a mobilitii de

adncime (N(x) i (x)).

4.2.2.2. Obinerea jonciunilor Adncimea de ptrundere xj a jonciunilor realizate prin implantare ionic este

determinat de o multitudine de factori mai mult sau mai puin controlabili. n practic pe baza experimentelor se deduc relaii semiempirice, aa cum este i relaia (4.17), pe baza crora se pot aprecia suficient de precis adncimile de ptrundere n condiii date. Aceast tehnic permite controlul precis al cantitii totale de atomi implantai (a dozei de implantare) i a profilului concentraiei de dopant ce se realizeaz n substrat. Acest grad ridicat de precizie permite, spre exemplu, ajustarea fin a ctigului unui tranzistor bipolar sau ajustarea exact a tensiunii de prag a unui tranzistor MOS (sau stabilirea tipului de tranzistor MOS cu mbogire sau cu srcire). Localizarea doprilor obinute prin implantare ionic se poate face la fel ca n cazul difuziei, dar grosimea mtii de oxid trebuie s fie suficient de mare, pentru ca la energiile uzuale ale ionilor incideni, aceasta s nu poat fi traversat. Alt procedeu de localizare const n utilizarea mtilor metalice care se interpun pe traiectoria dintre fascicolul incident i int.

4.3. ntrebri recapitulative 1. Ce este difuzia i care sunt mecanismele ce intervin n acest proces? 2. Care sunt legile difuziei? 3. Cum se realizeaz difuzia n stare gazoas? 4. Cum se determin energia de activare a difuziei W0? 5. Cum se determin adncimea unui strat difuzat? 6. Ce este implantarea ionic i prin ce se caracterizeaz? 7. Care sunt particularitile straturilor implantate ionic? 8. Cum se modeleaz procesul de implantare?

4. TEHNICI DE IMPURIFICARE CONTROLATA4.1. Difuzia

4.2. Implantarea ionica

Supraconductibilitate

Documents

Transcript of Supraconductibilitate