5.1.5 Способы проведения диффузии

Диффузанты - материалы, используемые для проведения процессов диффузии, - обычно представляют собой химические соединения легирующих примесей с водородом, галогеном, кислородом или др. элементами. В зависимости от исходного фазового состояния диффузанты подразделяют на газообразные, жидкие и твердые.

На начальных этапах развития технологии ИС преимущественно использовали жидкие и газообразные диффузанты, подводившиеся к поверхности подложек в потоке газа-носителя (способ открытой трубы).

Газообразные источники – это обычно гидриды примесей, например фосфин РH₃, диборан В₂H₆, арсин АsН₃, стибин SbH₃. В качестве жидких диффузантов применяют галогениды примесей, в частности треххлористый фосфор РС1₃, хлорокись фосфора POCl₃ и трехбромистый бор ВВr₃.

Недостаток методов диффузии из жидких и газообразных источников состоит в том, что сами источники и продукты реакций являются токсичными веществами.

Наличие кислорода в составе газа-носителя приводит к образованию оксидов примеси и кремния. Так, для ВВг₃ в зоне диффузии проходят следующие химические реакции:

ВВг₃ + 3 О₂ = 2 В₂О₃ + 6 Вг₂;

Si + O₂ = SiO₂.

При взаимодействии тонкой пленки SiO₂ с В₂О₃ образуется боросиликатное стекло mВ₂О₃∙^.nSiO₂. В результате реакции

3 Si + 2 В₂О₃ = 3 SiO₂ + 4В

на поверхности кремния выделяется элементарный бор, который и диффундирует в подложку.

Аналогичные реакции происходят для соединений PС1₃ и POС1₃, используемых для диффузии фосфора в кремний:

4 РС1₃ + 5 O₂ = 2 Р₂O₅ + б С1₂;

4 РОС1₃ + 3 O₂ = 2 Р₂О₅ + 6 С1₂;

Si + O₂ = SiO₂;

2 Р₂О₅ + 5 Si = 5 SiO₂ + 4Р.

Рассмотренные химические реакции сопровождаются выделением галогенов, способных травить поверхность кремния. При достаточном содержании кислорода в газовом потоке (более 7 – 10 %) травление кремния предотвращается ростом пленки SiO₂.

Положительной особенностью диффузии из газообразных источников является возможность достаточно просто регулировать поверхностную концентрацию в широких пределах изменением содержания гидридов в инертном газе. При диффузии из фосфина может использоваться его смесь с аргоном и кислородом. В атмосфере реакционной камеры при температурах выше 440 ºС происходит разложение фосфина и образование оксида фосфора:

2 РH₃ → 3 Н₂ + 2Р;

4 Р + 5 О₂ = 2 Р₂О₅.

На поверхности кремния проходят реакции

Si + О₂ = SiО₂;

SiО₂ + Р₂О₅ → mP₂О₅^.nSiO₂;

Р₂О₅ + 5 Si = 5 SiО₂ + 4 Р.

Как показывают приведенные реакции, и при жидком и при газообразном источниках процесс термической диффузии идет фактически из пленок стекол на поверхности полупроводника, образованных оксидами кремния и соответствующей примеси. Естественным развитием технологии диффузии примесей в полупроводник стало разделение процессов нанесения пленки с диффузионным источником и собственно диффузии.

Нанесение легированных оксидных пленок на поверхность подложек может осуществляться на центрифуге из растворов определенного состава, химическим осаждением из газовой фазы и др. способами. Поскольку скорость химического осаждения силикатных стекол на несколько порядков больше скорости диффузионных процессов, то несложно организовать осаждение так, чтобы обеспечить высокую равномерность получаемых пленок по толщине и составу. Это позволяет увеличить производительность процесса и улучшить качество структур.

В последние годы в качестве твердого диффузанта применяется также высоколегированный поликристаллический кремний.

Дальнейшее совершенствование способов проведения термической диффузии направлено на повышение воспроизводимости основных параметров – поверхностной концентрации примеси и толщины диффузионных слоев, на расширение диапазона их регулирования, а также на общее снижение стоимости проводимых процессов [3].