Легирование полупроводников осуществляется с целью изменить их электрические или физические свойства. Легирование осуществляется добавлением в полупроводник примесей другого вещества. Мы уже рассматривали свойства полупроводников. В настоящее время полупроводники электронного качества с собственной проводимостью по своим электрическим параметрам практически не отличаются от диэлектриков. Для изготовления электронных приборов используются полупроводники с электронной проводимостью и с дырочной проводимостью. Легирование обычно осуществляется двумя способами — диффузией и эпитаксией.
Легирование полупроводникового кристалла методом диффузии
Из-за малых коэффициентов диффузии, легирование полупроводниковых пластин обычно проводят при высоких температурах
(для кремния при
Для легирования полупроводникового материала применяются как твердые, так и газообразные вещества. Упрощённая схема установки, предназначенной для введения в полупроводник газообразных примесей приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Упрощённая схема установки, в которой осуществляется диффузия примеси в полупроводниковую пластину
На этом рисунке
Подобным же образом выглядит установка для диффузии атомов примеси из твёрдого тела. Её упрощённая схема приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Упрощённая схема установки, в которой осуществляется диффузия примеси из твёрдого источника материала
Для изготовления полупроводниковых приборов область пластины, где будет изготавливаться электронный прибор оставляется открытой. Остальная часть полупроводникового монокристалла защищается маской, которая не позволяет легирующему материалу проникать вглубь. Процесс изготовления области полупроводника с p-легированием показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Процесс изготовления области полупроводника с p-легированием
В кремниевых монокристаллических пластинах в качестве маски обычно используется оксид кремния. Упрощённый рисунок, иллюстрирующий процесс диффузии донорных ионов через окно в оксиде кремния и распределения их концентрации по глубине полупроводника приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Диффузия донорных ионов через окно в оксиде кремния
При диффузии примесь поступает на поверхность полупроводникового кристалла, постепенно проникая в глубину материала. В результате концентрация атомов примеси в полупроводнике будет неравномерной. Она будет уменьшаться при удалении от поверхности кристалла по экспоненциальному закону. На рисунке 5 приведены графики концентраций исходной примеси в полупроводниковом кристалле и введенной в него при помощи диффузии.
Рисунок 5. Распределение концентрации донорных ионов по глубине проникновения в полупроводник
Профиль распределения концентрации примеси Ng(x) при диффузии имеет вид плавной кривой, характер которой определяется:
- температурой и временем проведения процесса,
- толщиной слоя x0, для которого осуществляется диффузия,
- концентрацией и формой нахождения примеси в источнике,
- электрическим зарядом примеси и возможностью взаимодействия с сопутствующими примесями и дефектами
Обратите внимание, что диффузия происходит не только в глубину монокристалла кремния, но и под защитную маску. В результате размеры полученной области легирования будут больше отверстия в защитной маске.
