Методы осуществления диффузионных процессов

Температуру, при которой проводят диффузионные про­цессы, выбирают из следующих соображений: во-первых, она должна обеспечивать достаточно высокие значения коэффи­циентов диффузии примесей, во-вторых, при температуре диф­фузии не должно происходить нарушения поверхности кристал­лических пластин полупроводника.

Исходя из этого, диффузионные процессы для каждого полу­проводникового материала проводят в достаточно узком интервале температур. Так, диффузию примесей в кремний проводят в диапазоне температур от 1000 до 1300 °С, в гер­маний - от 700 до 900 °С и т. д. При изготовлении полупро­водниковых приборов и интегральных схем наиболее часто в технологии используют методы диффузии в замкнутом объеме, в открытой трубе в протоке газа-носителя; в состав­ном (полугерметичном) контейнере (бокс-метод) из планарных (параллельных) источников.

Диффузию примесей в замкнутом объеме проводят, как правило, в отпаянной кварцевой ампуле, кото­рую предварительно откачивают до давления 10 ^-2-10 ^-3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампула 3 с размещен­ными в разных ее концах пластинами полупроводника 1 и источником примесей 2 (рис. 5.9) вводится в двухзонную печь 4. В ампуле устанавливается парциальное давление паров примеси, определяемое минимальной температурой Т_тin (рис. 5.9, б).

Молекулы пара примеси адсорбируются всеми поверхностями замкнутой ампулы, в том числе и поверх­ностями полупроводниковых пластин. Атомы примеси, адсорбированные поверхностью пластины, диффундируют в глубь нее. Во время проведения процесса практически всегда выпол­няется условие, при котором количество атомов примеси в газовой фазе намного превышает количество атомов, диф­фундирующих в полупроводниковую пластину. Поверхностную концентрацию примесей в этом случае можно считать посто­янной величиной, равной пределу растворимости при T_max а распределение примесей в полупроводниковой пластине опи­сывается дополнением функции ошибок Гаусса (5.25).

При проведении диффузионных процессов в отпаянной ампуле следует учитывать давление пара примеси при темпера­турах диффузии (рис. 5.10). Для таких примесей, как фосфор, мышьяк, сурьма, давление пара, возникающее внутри ампулы, может привести к ее разрушению.

К недостаткам данного метода относятся сложность дозировки малых количеств вводимых примесей и непроизводительный расход дорогостоящего кварца. Кроме того, сложно обеспечить требуемую чистоту ампул, а также чистоту наполняющей их атмосферы.

Диффузию примесей в открытой трубе протоке газов-носителей проводят из газообразных, жидких и твердых источников (рис. 5.11). Кристаллические пластины 3 загружают в кварцевую трубу через ее открытый выходной конец 4, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы снабжен шлифом, через который в систем; подается газ-носитель 1. Диффузант 2 вводят вместе с газом носителем в диффузионную зону, если применяется газообразный или жидкий источник примесей (рис. 5.11, а). При проведении диффузии из твердого источника примесей используют двухзонные печи (рис. 5.11,6). В ряде случаев диффузионные процессы проводят в однозонных или двухзонных печах из источников, нанесенных на поверхность кристаллических плас­тин (рис. 5.11, в).

В качестве газа-носителя используют предварительно очи­щенные аргон или азот. При диффузии примесей в кремний в газ-носитель добавляют в небольших количествах кислород для предотвращения эрозии поверхности полупроводниковых пластин.

Процесс диффузии в потоке газа-носителя позволяет легко управлять такими технологическими параметрами, как состав парогазовой смеси, вводимой в рабочую зону, скорость потока газа и др. Это, в свою очередь, обеспечивает нужное распре­деление примеси в диффузионном слое.

Метод диффузии примесей в составном (по­лугерметическом) контейнере (бокс-метод) является промежуточным между рассмотренными методами. Для проведения диффузии кварцевую кассету с полупроводниковыми пластинами размещают вместе с диффузиантом в кварцевой ампуле с пришлифованной крышкой (составном контейнере), которую вводят в открытую кварцевую трубу, находящуюся в однозонной печи. Так же как и в методе открытой трубы, через кварцевую трубу продувают инертный газ и диффузия идет при атмосферном давлении. В данном методе предпочти­тельней выбрать источник примеси, который при температуре диффузии находится в жидком состоянии. При диффузии в кремний для этой цели чаще применяют смесь порошка легирующей примеси с диоксидом кремния. При этом на поверхности кремниевых пластин образуются легированные оксидные пленки, из которых диффузиант проникает в кремний. Метод диффузии примесей в составном контейнере обладает рядом преимуществ по сравнению с методами диффузии в замкнутом объеме и в открытой трубе. Так, по сравнению с диффузией в замкнутом объеме упрощается технология, так как отпадает необходимость в откачке и отпайке ампул, уменьшается расход дорогостоящего кварца, поскольку составной кварцевый контейнер можно использовать многократно.

По сравнению с диффузией в открытой трубе отпадает необходимость применять двухзонные печи. Кроме того, про­цесс оказывается практически не чувствительным к скорости потока газа-носителя; в целях экономии продувать газ можно с малой скоростью.

Диффузия примесей из планарных (парал­лельных) источников позволяет обеспечить хорошую воспроизводимость параметров диффузионных структур. В данном методе источник примеси, изготовленный в форме плас­тины, и пластины полупроводника размещают параллельно друг другу на расстоянии, не меньшем , где D - коэф­фициент диффузии в газовой фазе. Для того чтобы поток диффузианта по всей площади был равномерным, размеры пластин источника должны превышать размеры полупровод­никовых пластин.

В качестве источников примеси можно использовать либо сильно легированные пластины того же полупроводника, либо пластины, изготовленные из веществ, содержащих легирующую примесь. Так, при диффузии бора используют стеклообразные композиции, содержащие В₂О₃ или BN. Срок службы источ­ников, содержащих В₂О₃ (10-50%), SiO₂ (2-50%), А1₂О₃ (15-35%), MgO (15-36%), составляет 700-800 ч.

В качестве планарного источника для диффузии фосфора используют композицию SiP₂O₇, разлагающуюся при темпера­туре диффузии с выделением Р₂О₅, и инертной тугоплавкой связки. Диффузия примесей из планарных источников пред­ставляет наибольший интерес при получении однородных структур в пластинах кремния большого диаметра (75 мм и более).

При создании кремниевых планарных приборов и ИМС диффузионные процессы обычно проводят в две стадии. Сна­чала одним из рассмотренных ранее способов на поверхности кремниевых пластин создают диффузионный слой с распределением примеси, подчиняющимся дополнению функции оши­бок Гаусса (5.25). Эту первую стадию процесса часто прово­дят при пониженной температуре (~1000⁰С). Затем с поверх­ности пластин удаляют образовавшийся в процессе диффузии слой бор- или фосфорсодержащего оксида. Во время второй стадии кристаллические пластины полупроводника нагревают в атмосфере, не содержащей легирующей примеси. Поэтому единственным источником примеси является тонкий диффузи­онный слой, сформированный на первой стадии процесса. Температура и длительность второй стадии процесса определяются заданной глубиной форми­рования p-n -перехода. Распределе­ние концентрации примесей после окончания процесса подчиняется функции (5.26) или (5.27).

Двухстадийность делает про­цесс более управляемым и воспроизводимым по сравнению с методом одностадийной диффу­зии.

При двухстадийной диффузии облегчаются условия маскирова­ния поверхности за счет повыше­ния защитных свойств оксида, так как на первой стадии процесс про­водится при пониженной температуре, а на второй (более высокотемпературной) в атмосфере отсутствуют пары диффузианта.

Кроме того, при двухстадийных процессах легче обеспечить требования техники безопасности, если в качестве лигатуры используют токсичные вещества. Так, при легировании кремния мышьяком на первой стадии процесс проводят в замкнутом объеме (в отпаянных кварцевых ампу­лах), а на второй стадии при формировании достаточно глу­боких легированных слоев термообработку осуществляют в атмосфере инертного газа или окислителя.

Выбор легирующей примеси и источника примеси производят с учетом ряда факторов. Примесь должна обеспечить требуемые электрофизические свойства полученного слоя полупроводника.

Предельная растворимость примеси в полупроводниковом материале должна превышать максимальную концентрацию заданного диффузионного про­филя. Наибольшей растворимостью в кремнии обладают донорные примеси - мышьяк и фосфор и акцепторная примесь - бор (рис. 5.12).

Следует учитывать также коэффициент диффу­зии примеси в твердой фазе полупроводника. В большинстве случаев для обеспечения технологичности процесса желательно, чтобы коэффициент диффузии имел достаточно высокие значе­ния. Иногда, например при формировании скрытых диффузи­онных слоев, требуются примеси с малым значением коэффи­циента диффузии. Важно учитывать также отношение атомных радиусов полупроводника и легирующей примеси, которое определяет механизм диффузии в кристаллической решетке и возникающие в ней напряжения.

Источник примеси не должен при взаимодействии с поверх­ностью полупроводника образовывать трудноудаляемых соеди­нений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он дол жен обладать высокой степенью чистоты, исключающей воз­можность загрязнения полупроводника в процессе диффузии. Важно также, чтобы источник не был дефицитным, токсичным и взрывоопасным. Для проведения процессов диффузии при­меняются твердые, жидкие и газообразные источники.

Наилучшие результаты при формировании диффузионных структур в кремнии достигаются в том случае, если процесс диффузии проводить из образующегося на поверхности плас­тин слоя силикатного стекла, содержаще1 о легирующую при­месь, для чего процесс осуществляют в окисли 1ельной среде. Образующаяся в этих условиях тонкая пленка оксида, кроме того, предохраняет поверхность от эрозии.

Донорными примесями, наиболее широко используемыми при легировании полупроводниковых материалов, являются элементы V группы периодической системы — фосфор, мышьяк и сурьма. При легировании кремния для формирования слоев с электронной электропроводностью чаще других используют фосфор. Эго обусловлено тем, что фосфор хорошо растворя­ется в кремнии, имеет наибольший коэффициент диффузии, а ею летучие соединения наименее токсичны. Сурьму и мышьяк применяют при формировании в кремнии сильно легированных скрытых областей, на поверхности которых впоследствии выращивают эпитаксиальные слои. Малые значения коэффициентов диффузии сурьмы и мышьяка предотвра­щают интенсивное размытие примесного профиля в процессе эпитаксиального наращивания.

В качестве источников фосфора можно использовать в твер­дом состоянии фосфорный ангидрид Р₂О₅ и фосфаты аммония NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄, в жидком - хлороксид фосфора РОС1₃, треххлористый фосфор РС1, и трехбромистый фосфор РВr₃, в газообразном - фосфин РН₃. Чистый фосфор прак­тически не используют вследствие непостоянства его состава и давления паров, а также из-за легкой воспламеняемости.

Для разработки технологического процесса необходимо знать физико-химические свойства источника примеси, например гигроскопичность (содержание влаги) при разных температурах. Так, при использовании Р₂О₅, обладающею высокой гигроскопичностью, в процессе диффузии необходим контроль содер­жания влаги в реакционной системе, поскольку поверхностные слои фосфорного ангидрида, насыщенные влагой, препятствуют испарению источника.

На поверхности полупроводниковых пластин происходит взаимодействие между P₂O_S и кремнием с образованием стекло­образного фосфоросиликатного слоя:

2P₂O₅ + 5Si → 4P + 5SiO₂

Образующийся слой защищает поверхность от эрозии, и из него фосфор диффундирует в кремний.

Фосфаты аммония NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄ гораздо менее чувствительны к влаге, чем Р₂О₅, но при их использовании для получения необходимых поверхностных концентраций фос­фора требуются более высокие температуры источника (750 - 1200 К). При температурах диффузии фосфаты аммония раз­лагаются с образованием Р₂О₅. Процессы, происходящие на поверхности кремния, аналогичны процессам в случае исполь­зования в качестве источника Р₂О₅.

Улучшение контроля за процессом диффузии фосфора достигается при использовании жидкого диффузианта РОС1₃. Пары хлороксида фосфора поступают в диффузионную зону в потоке газа-носителя из источника, температура которого поддержи­вается на уровне комнатной.

Аналогично осуществляют процесс диффузии из жидких источников РС1₃ и РВг₃. Во всех случаях диффузионный про­цесс на поверхности кремния протекает так же, как диффузия из источника Р₂О₅.

Газообразный РН₃ поставляют в баллонах в смеси с инерт­ным газом или водородом в концентрациях от 5-10 ^-4 до 1 %. Дальнейшее уменьшение концентрации фосфина в диффузион­ной камере достигается разбавлением газовой смеси инертным газом и кислородом. Большим недостатком РН₃ является его высокая токсичность.

В качестве источника мышьяка применяют порошок крем­ния, легированный мышьяком до предела растворимости, триоксид мышьяка As₂O₃ и арсин AsH₃.

Легированный мышьяком порошок кремния используют в качестве источника при формировании сильно легированных мышьяком поверхностных слоев методом диффузии в замкну­том объеме. Процесс проводят в отпаянных кварцевых ампулах при температуре 1420 К втечение 2-3 ч. Для получения более глубоких и высокоомных диффузионных слоев осуществля­ют двухстадийную диффузию, причем вторая стадия процесса идет в атмосфере сухого кислорода при температурах 1470-1520 К в течение 5-15 ч.

При использовании в качестве твердого источника As₂O₃ и газообразного AsH₃ применяют методы, аналогичные рас­смотренным ранее с применением источников P₂O₅ и РН₃ соответственно.

Источником сурьмы в твердой фазе являются чистая сурьма; кремний, легированный сурьмой; триоксид и тетраоксид сурьмы Sb₂O₃,Sb₂O₄, сурьмяно-силикатное стекло Sb₂O₃ • SiO₂, в г азообразной - гидрид сурьмы SbH₃ (стибин).

Диффузию сурьмы в кремний в замкнутом объеме проводят с использованием в качестве источника кремния, легирован­ного сурьмой, или ее триоксида при температурах от 1370 до 1570 К.

Тетраоксид, триоксид сурьмы и сурьмяно-силикатное стекло применяются при диффузии в кремний методом открытой трубы с использованием азота как транспортирующего газа.

Акцепторными примесями, широко применяемыми в техноло­гии изготовления диффузионных структур в кремнии и других полупроводниковых материалах, являются бор и галлий. В ряде случаев используют алюминий.

Источниками бора являются: в твердом состоянии - борный ангидрид В₂О₃ и борная кислота Н₃ВО₃; в жидком - трехбромистый бор ВВг₃; в газообразном - треххлористый бор ВС1₃ и диборан В₂Н₆.

Борный ангидрид используют при диффузионных процес­сах в замкнутом объеме и в открытой трубе. При проведении диффузии в кремний за счет изменения температуры источника от 1000 до 1600 К удается менять поверхностную концентра­цию бора в пределах от 10²⁴ до 10²⁷ м ^-3. Аппаратура при проведении процесса диффузии из В₂О₃ аналогична применяе­мой в случае диффузии из Р₂О₅. В проточных системах в качестве газа-носителя используют сухой азот.

Борная кислота при нагревании дегидрируется, переходя в борный ангидрид.

Процесс диффузии из жидкого источника трехбромистого бора проводят в аппаратуре, аналогичной применяемой при диффузии фосфора из РОС1₃. Для того чтобы на поверхности полупроводника был образован В₂О₃, в транспортирующий инертный газ добавляют кислород или пары воды.

При проведении процесса диффузии из газообразных источ­ников бора треххлористый бор или диборан вводят в зону диффузии в смеси с транспортирующим газом - водородом, в который добавляют небольшое количество кислорода с целью формирования на поверхности пластин боросиликатного стекла:

В качестве источника галлия применяют твердый Ga₂O₃. Процесс диффузии проводят в протоке транспортирующего газа-восстановителя, в качестве которого используют либо во­дород, либо оксид углерода. При нагревании до 1220 К Ga₂O₃ восстанавливается до легколетучего соединения Ga₂O, пары которого легко переносятся в зону диффузии.

Источником алюминия при проведении диффузии в кремний является чистая алюминиевая пленка, нанесенная на поверхность пластины. Предварительно поверхность кремния окисляют для предохранения от образования эвтектики Al - Si. Процесс диф­фузии проводят в замкнутом объеме или в полугерметичном контейнере в протоке инертного газа или азота.

Поиск по сайту: