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Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Diffusione: differenze tra le versioni

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{{Micro e nanotecnologia}}
 
La '''diffusione termica''' rappresenta da sempre la più comune tecnica di drogaggio selettivo del silicio, prima dell’avvento dell’impiantazione ionica, tuttora tale tecnica è utilizzata in alcuni processi. Il metodo di diffusione consiste nel disporre gli atomi di drogante sulla superficie o vicino alla superficie della fetta per mezzo di deposizione da fase gassosa del drogante, oppure utilizzando sorgenti di ossido drogato. La regione da drogare viene selezionata utilizzando una maschera di photoresist. La diffusione vera e propria del drogante, viene attivata portando i wafer di silicio a temperature superiori a 1000°C. Una volta raggiunta la concentrazione desiderata, è sufficiente abbassare la temperatura dei wafer, estraendoli dalla forno, per bloccare rapidamente il processo.
Il '''drogaggio per diffusione''' è basato sulla deposizione di atomi droganti sulla superficie del materiale da drogare. In seguito è applicato un processo di ''annealing'' del wafer in modo tale da agevolare la diffusione delle particelle all'interno del materiale da drogare.
 
Il processo diffusivo può essere riassunto in due fasi fondamentali:
A seconda della temperature di esercizio dell'annealing e del materiale da drogare, la diffusione dellle particelle può essere di due tipi: attraverso le vacanze o interstiziale.Nella prima l'atomo drogante deve andare a sostituire un atomo del materiale da drogare, quindi occore che quest'ultimo lasci la propria posizione per creare una vacanza. Per procedere con una diffusione di questo tipo sono necessarie mediamente elevate temperature di annealing. La diffusione interstiziale prevede l'inserimento di ioni droganti nelle zone interstiziale fra gli atomi del materiale interessato.
[[File:Predeposizione.jpg|thumb|left|300px|predeposizione]]
* '''''predeposizione''''' (usualmente abbreviata in predep), cioè introduzione della dose desiderata di drogante, dove la dose, che dipende dalla concentrazione di drogante, è il numero di atomi di drogante per cm<sup>2</sup>.
* '''''drive-in''''', o diffusione vera e propria, in cui gli atomi di drogante, introdotti durante la predeposizione, vengono diffusi all'interno del semiconduttore in modo da ottenere i profili di concentrazione previsti nel progetto.
[[File:Drive-in.jpg|thumb|left|300px|Diffusione]]
 
Nel processo di diffusione il drogante si espande sia in direzione verticale che orizzontale (si avranno atomi di drogante anche al di sotto della zona inizialmente coperta dalla maschera di resist). La concentrazione del drogante diminuisce gradualmente mano a mano che ci si allontana dalla superficie su cui è stata fatta la predeposizione, in generale, l'estensione laterale della zona diffusa è circa l'80% rispetto alla profondità di diffusione in verticale. Il grado di
Il processo di diffusione è descrivile secondo le due '''leggi di Fick'''.Nella prima si descrive il profilo di concentrazione degli ioni droganti in fuzione della distanza dal zona in cui è avvenuta l'iniezione; il flusso degli ioni si muove in direzione delle zone meno drogate:
diffusione del drogante aumenta all'aumentare della temperatura della fase di drive-in. L'energia necessaria alla diffusione, infatti, è proprio fornita dalla temperatura. Gli atomi di drogante possono diffondere all'interno del materiale in due modi diversi:
:<math>F=-D \frac{dC}{dx}</math>
C è la concentrazione [cm<sup>-3</sup>], F è il flusso [atomi/cm<sup>2</sup>s], D è il coefficiente di diffusione [cm<sup>'</sup>/s] che normalmente si ritiene costante nello spazio, ed è fortemente dipendente dalla temperatura. Tramite curve sperimentali è stato possibile ricavare la seguente equazione che lega il coefficiente con la temperatura:
:<math>\frac{dC}{dt} = D (d-2) \frac{C}{dx-2}</math>▼
La seconda è una legge di continuità che lega la concentrazione spaziale con il tempo.
 
#attraverso gli interstizi presenti nel reticolo cristallino del materiale da drogare
Imponendo le seguenti condizioni al contorno e risolvendo la legge di Fick, si ricava l'andamento della concentrazione degli atomi droganti in funzione dello spazio e del tempo:▼
#attraverso delle vacanze presenti nel reticolo stesso
 
Il secondo tipo di spostamento si ha quando le temperature utilizzate sono molto alte. In questo caso gli atomi del reticolo cristalllino entrano in vibrazione ed alcuni possono essere strappati dalla loro posizione, si viene così a creare una vacanza che può essere occupata dal drogante durante la diffusione.
l'equazione definisce una distribuzione gaussiana in cui la concentrazione è minore per tempi di ''annealing'' maggiori.
Il drogaggio per diffusione presenta grosso svantaggio rispetto a quello per impiantazione ionica. Infatti, in prossimità dei bordi della maschera la diffusione si muove sia in direzione verticale che orizzontale comportando un drogaggio anche nelle aree indesiderate con una concentrazione pari al 80% rispetto al profilo verticale.
 
Il processo di diffusione, in questo caso è descrivibile dalla II legge di [[w:Legge_di_Fick_-_Equazione_di_diffusione|Fick]]. Tale legge collega la variazione nel tempo del drogante al gradiente al quadrato della variazione spaziale:
La concentrazione di drogante è maggiore in superficie
▲:<math>\frac{dC\partial n}{dt\partial t} = D (d-D\nabla^2) n\frac{C}{dx-2} </math>
<math>\, D</math> è il coefficiente di diffusione che ha per dimensioni [m<sup>2</sup> s<sup>-1</sup>].
 
▲Imponendo le seguenti condizioni al contorno e risolvendoRisolvendo la legge di Fick, si ricava l'andamento della concentrazione degli atomi droganti in funzione dello spazio e del tempo:.
 
Se gli atomi droganti si diffondono anche nelle aere non volute è chiaro che si trovano in contatto superficiale con le superfici di SiO2<math>SiO_2\ </math>, pertanto risulta necessario un monitoraggio della diffusione di drogante all'interno dello strato isolante. Il comportamento è strettamente dipendente dal coefficiente di aggregazione <math>K\ </math> FORMULA
Se K>1 non si verificano iniezioni di drogante nel SiO2<math>SiO_2\ </math>, anzi gli ioniatomi droganti si addensano nella superficie dell'isolante. Per valori di K<1 gli ioniatomi droganti tendono ad insiedarsiinserirsi nell'ossido comportandoe unadi diminuizioneconseguenza diminuisce la di concentrazione neldi materialedrogante danel drogaresemiconduttore.
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|diffusioneDiffusione]]▼
Gli ioni droganti possono avere origine da elementi di natura solida, liquida o gassosa. Ad esempio viene riscaldato, all'interno del forno a diffusione, il composto 4POCl3. Questo reagendo con l'ossigeno secondo la reazione forma l'anidride solfirica e cloro. Il cloro (gas) viene aspirato mentre l'anidride viene fatta depositate sulla superficie del wafer formando atomi di fosforo secondo la reazione:
 
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▲[[Categoria:Micro e nanotecnologia|diffusione]]
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