Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Diffusione

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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 processo diffusivo può essere riassunto in due fasi fondamentali:

• 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 cm².
• 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.

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 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:

1. attraverso gli interstizi presenti nel reticolo cristallino del materiale da drogare
2. 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 cristallino 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.

Il processo di diffusione, in questo caso è descrivibile dalla II legge di Fick. Tale legge collega la variazione nel tempo del drogante al gradiente al quadrato della variazione spaziale:

è il coefficiente di diffusione che ha per dimensioni [m² s^-1].

Risolvendo 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 , pertanto risulta necessario un monitoraggio della diffusione di drogante all'interno dello strato isolante. Il comportamento è strettamente dipendente dal coefficiente di aggregazione Se K>1 non si verificano iniezioni di drogante nel , anzi gli atomi droganti si addensano nella superficie dell'isolante. Per valori di K<1 gli atomi droganti tendono ad inserirsi nell'ossido e di conseguenza diminuisce la concentrazione di drogante nel semiconduttore.