Изготовление самосовмещенного

Технология проведения процессов диффузии

Технологическое оформление процессов диффузии для получения легированных областей весьма разнообразно. При диффузии можно использовать различные источники примесных материалов и различные способы нанесения их на поверхность полупроводника.
Существует несколько способов проведения диффузии:

• 
  в замкнутом объеме;
  
• 
  в незамкнутом объеме (в открытой трубе, в потоке газа–носителя);
  
• 
  в частично–замкнутом объеме;
  
• 
  из твердых источников.
  

Рис. 9.1. Схема процесса диффузии в замкнутом объеме (а) и распреде- ление температуры в двухзонной печи (б)

Рис. 9.2. Схемы проведения диффузионных процессов в открытой трубе Способ диффузии в замкнутом объеме (рис. 9.1) заключается в

следующем. Пластины кремния помещают совместно с некоторым количеством примеси в кварцевую ампулу, которая откачивается до давления
10^–2– 10^–3 Па и запаивается. В некоторых случаях ампула заполняется перед запайкой чистым инертным газом. Ампулу выдерживают при температуре 1173–1573 К определенное время, в течение которого идет процесс диффузии газообразной примеси в кремний на рассчитанную глубину.
Поверхностную концентрацию примеси при данном методе диффузии можно менять в широких пределах, меняя концентрацию примеси в газовой фазе, т. е. давление паров. Возможность такого управления процессом диффузии является достоинством метода. Для изменения давления паров можно использовать замкнутую систему, представляющую собой эвакуированную кварцевую ампулу с отростком, в котором находится источник примеси. При этом температура источника может регулироваться независимо от температуры пластин кремния.
Недостаток метода диффузии в замкнутом объеме – низкая производительность и высокая стоимость процесса, так как при вскрытии ампула разрушается. Кроме того, посторонние вещества при загрузке примесей могут захватываться системой и диффундировать вместе с основными примесями.
Диффузия в незамкнутом объеме (способ открытой трубы или способ диффузии в газе–носителе) широко применяется в производстве ИМС (рис 9.2). Метод позволяет решать многие технологические задачи, так как, изменяя состав газа–носителя, содержание влаги в нем, температуру пластин кремния и температуру источника, можно эффективно управлять распределением концентрации примеси в диффузионном слое. При этом способе возможно использование твердых, жидких и газообразных источников диффузанта, причем предпочтение отдается жидким источникам. Наиболее широко применяются трихлорид фосфора (РС1₃) и трибромид бора (ВВг₃). Эти диффузанты характеризуются высокой растворимостью в кремнии и высокой (и почти одинаковой) скоростью диффузии. Диффузант к пластине переносится инертным газом–носителем.
Сущность способа диффузии в незамкнутом объеме заключается в следующем. В трубе создается сильный поток инертного газа (например, азота). В ходе осаждения примеси через источник или над ним пропускается слабый поток азота. Для защиты поверхности кремния и облегчения превращения РС1₃ в Р₂О₅ (ВВг₃ в В₂О₃) в поток вводится небольшое количество кислорода. Диффузия проходит так же, как и при использовании внешнего источника P₂O₅ (BaO₃). Метод в открытой трубе с использованием газа–носителя дает возможность получать р – n–переходы с высокой воспроизводимостью электрических характеристик.
Для обеспечения лучшего управления процессом диффузии и предохранения поверхности кремниевых пластин от разрушения процесс диффузии обычно ведут в два этапа: на первом этапе примеси осаждаются на поверхность кремниевой пластины и диффундируют в нее на небольшую глубину, а на втором этапе производится окончательная диффузия на нужную глубину. Во время второго этапа нагрев осуществляется в окислительной среде, благодаря которой на поверхности образуется защитный слой SiO₂, предохраняющий поверхность кремния от дальнейшего проникновения примесей. Кроме этого, наличие окислительной среды
позволяет проводить длительную диффузию при высокой температуре (1473 К) без существенного ухудшения состояния поверхности кремниевых пластин. Выращенный во время второго этапа оксидный слой используется также и для маскирования во время дальнейшей обработки.
Способ диффузии в частично–замкнутом объеме является промежуточным между методом диффузии в замкнутом объеме и методом открытой трубы. Вместо герметичных ампул используются контейнеры с определенной величиной испарения примесей, в которые помещают пластины кремния и источник диффузанта. В качестве источника применяют оксиды примеси, растворенные в SiO₂. Испарение примесей приводит к постепенному обеднению источника и уменьшению давления паров примеси. Используя этот способ, можно в широких пределах регулировать величину поверхностной концентрации примеси, изменяя ее количество в источнике.
В последнее время широкое распространение получил новый метод диффузии из твердых источников, Сущность метода заключается в нанесении легированных одним или двумя компонентами пленок на поверхность полупроводника при низких температурах с последующей диффузией примесей при высоких температурах. Нанесение пленок можно осуществлять одним из низкотемпературных методов, например пиролизом с добавлением легирующих веществ, методом контролируемого окисления, анодированием, термическим напылением легированного поликристаллического кремния и др.
Для примера рассмотрим одновременную диффузию мышьяка и фосфора, имеющих разные ковалентные радиусы, из пленки SiO₂, легированной этими примесями. Слой SiO₂ осаждают методом окисления моносилана кислородом. Изменение AsH₃ и РН₃ в газовой фазе вызывает изменение концентрации мышьяка и фосфора в диффузионном слое. В диффузионном слое происходит изменение плотности дислокаций. Минимальную плотность дислокаций достигают при отношении концентрации в газовой фазе РН₃:AsH₃ = 4:1, что соответствует соотношению поверхностных концентраций фосфора и мышьяка в кремнии N_S(P) : N_S(As) = 15 : 1. Число возникших дефектов при одновременной диффузии мышьяка и фосфора в кремнии, ориентированном в плоскости (111), меньше, чем при диффузии одного фосфора, примерно на два порядка. Предполагается, что главным является механизм диффузии, в результате которого атомы мышьяка, находящиеся в междоузлиях, вызывают расширение решетки кремния, которое компенсирует сжатие решетки, возникающее за счет атомов фосфора в узлах. Возможно также, что перемещение атомов кремния затруднено атомами мышьяка, находящимися в междоузлиях, а следовательно, затруднены генерация и движение дислокаций. Такой механизм диффузии позволяет совершенствовать частотные, шумовые и другие параметры полупроводниковых ИМС.
Метод одновременной диффузии из твердых источников обладает следующими достоинствами: уменьшение общего времени высокотемпературной обработки полупроводниковых структур, возможность контролируемого изменения поверхностной концентрации примеси в широких пределах, снижение нарушений структуры, вводимых при
диффузии, возможность одновременного создания двух р–n–переходов,
простота технологического процесса и оборудования.

4.