2.2. Технология диффузионного легирования

2.2.1. Способы проведения

Процессы диффузионного легирования занимают сравни­тельно ограниченный диапазон температур. Для кремния, напри­мер, этот диапазон 1100÷1300°С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000÷1300°С. Ниже 1000°С значения коэф­фициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначитель­на. Выше 1300°С качество диффу­зионных слоев неудовлетвори­тельно вследствие нарушения по­верхности пластин под действием температуры. Если в изолирован­ный объем поместить пластину полупроводника и легирующий эле­мент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие суб­лимации или испарения легирующего элемента в объеме вскоре ус­тановится определенное парци­альное давление его паров. Моле­кулы пара адсорбируются всеми поверхностями, в том числе и по­верхностью пластины, и при достаточно большой температуре диф­фундируют вглубь. В общем случае равновесная концентрация про­порциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией примеси осуществляют путем контроля давления пара. Если равновесие на поверхности достигается за время, мень­шее, чем длительность диффузии, то поверхностная концентрация остается постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределе­ние примеси при диффузии из газовой фазы описывается функци­ей дополнения к интегралу ошибок.

Диффузионные процессы проводят в проточной или замкнутой системе. В проточной диффузионной системе выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 5, а ,б, в, д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины . Чтобы свести к минимуму воздействия атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Входной конец диффузионной трубы 3 служит для введения газа-носителя (азота, аргона или кислорода). Иллюстрацией замкнутой системы является диффузия в герметизированной ампуле (рис.5., г). Пластины полупроводника 1 и источник

Рис. 5 Схемы методов диффузионного легирования:

а,б,в,д, - проточная система;

зг г – замкнутая система

диффузанта 4 загружают в кварцевую ампулу 6, которую вакуумируют, герметизируют и по­мещают в диффузионную печь 5. Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 5., д), либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 5., а). На рис. 5., б показана схема двухзонной печи, приме­няемой в основном для диффузии из твердых источников диффу­занта методом открытой трубы, а на рис. 5., в — схема бокс-метода. В последнем методе пластины и источник примеси находятся в полугерметичном контейнере 5 однозонной печи.

Наиболее широкое распространение получила диффузия в проточной, от­крытой системе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников.

Основными диффузантами при диффузии в кремний являются фосфор и бор.

При изготовлении планарных приборов процесс диффузии обычно проводят в две стадии. На первой стадии (загонке) на поверхности кремния создают тонкий диффузионный слой с erfc-распределением примеси. За­гонку осуществляют в печах с одной или двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией тем­пературах. На второй стадии (разгонке) пластины полупровод­ника нагревают в однозониой печи в атмосфере, не содержащей .атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответ­ствует диффузии из источника с ограниченным содержанием примеси. Двухстадийная диффузия имеет два основных преиму­щества перед одностадийной:

1) разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспроиз­водимость и упрощает его контроль;

2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотем­пературная, а на второй стадии нет паров диффузанта.

Все это вместе повышает стойкость и защитные свойства диоксида кремния.