Методы осуществления диффузии
Источником примеси в процессе диффузии является соединение, содержащее легирующие элементы и называемое диффузиантом.
В зависимости от состояния при сопротивлении температуре, различают твердые, жидкие и газообразные диффузианты.
Диффузия проводится в два этапа: загонка и разгонка примеси.
Параметрами процесса загонки являются – концентрация диффузианта и кислорода в газе наслоителе, расход газовой смеси, температура в зоне диффузии, время процесса.
Разработано несколько методов загонки примеси:
- диффузия в открытой трубе в потоке газоносителя
- диффузия в герметичном объеме или ампуле
- бокс-метод
Диффузия в открытой трубе
Для транспортировки паров диффузианта в зоне диффузии используют аргон и другие газы, не взаимодействующие с кремнием и практически не диффузируемые в него. Для насыщения парами диффузианта транспортируемый газ пропускает либо над над поверхностью диффузианта, либо через диффузиант в зависимости от требуемой концентрации. При постоянном расходе газа концентрация диффузианта в нем регулируется температурой источника. В установке предосмотрена подача кислорода в смеси с транспортируемым газом, который создает окислительную среду.
Растущее в процессе диффузии примеси силикатное стекло является поверхностным источником для диффузии примеси, полупроводник предохраняет поверхность кремния от эрозии из-за искажения и нежелательных химических реакций на поверхности кремния. Это повышает проводимость диффузии.
При газообразных диффузантах источник с жидким газом – фосфин и Деборин. Проводимость процесса высокая.
Для повышения проводимости используют например в качестве источника примеси пластину кварца, покрытую тонким слоем B2O3. Источник помещается над пластинами кремния параллельно подача с пластиной газа-носителя, который протекает между ними, пары примеси диффузируя попадают на кремний.
Недостатки и ограничения процесса термической диффузии:
высокая температура процесса – приводит к перераспределению примеси в ранее сформированных слоях и областях, а так же к смещению p-n перехода, что затрудняет проводимость активной базы толщиной не менее 0,6 микрон
наличие боковой диффузии увеличивает площадь отдельных диффузионных областей и элементов в целом
зависимость коэффициентов диффузии и растворимости примеси от температуры исключают возможность использования многих элементов для микроэмитропии.
Диффузия примеси на этапе разгонки
Для получения заданных значений параметров диффузии после этапа загонки проводится разгонка примеси. Это операция выполняется в обычной печи, после снятия с поверхности пластины примесью силикатного стекла. Процесс проводят в кислородосодержащей среде в присутствие аргона.
На втором этапе диффузии идут одновременно 2 процесса – диффузия примеси в глубь кристалла и окисление поверхности кремния, обогащенным примесью. От соотношения скоростей этих процессов будет зависеть результирующая поверхность, концентрация примесей, глубина залегания p-n перехода и вид распределения по глубине диффузионного слоя.