13.9. Методы проведения диффузии

Параметры диффузионного слоя определяются видом легирующей примеси и ее концентрацией. Технологически сложным является воспроизводимое получение поверхностных концентраций примесей ниже 10¹⁸см^-3при сохранении высокой степени однородности поверхности, особенно на пластинах большого диаметра. Для получения воспроизводимой и регулируемой поверхностной концентрации примеси в полупроводниковой подложке используют:

- нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник); при этом разрабатываются методы регулирования содержания соединения примеси в атмосфере, окружающей полупроводниковые пластины во время диффузии;

- нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии; здесь роль играет регулирование количества примеси, наносимой на пластины перед диффузией, и обеспечение однородности их поверхности.

Основным требованием диффузионной системы является доставка диффундирующей примеси к поверхности подложки и проведение диффузии при определенной температуре в течение определенного времени.

Необходимо, чтобы система удовлетворяла следующим требованиям: а) возможность регулирования поверхностной концентрации примеси; б) отсутствие нарушений поверхности подложки при диффузии; в) возможность проведения процесса одновременно на большом количестве пластин. Источники примеси подразделяются на внешние источники и примесные покрытия.

Внешние источники подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. Твердые источники имеют вид: порошков (помещаются в реактор в тигельках из кварца, алунда, платины); дисков (твердые планарные источники ТПИ), вырезанных из материала, содержащего примесь, как правило, в связанном виде (устанавливаются в лодочку параллельно размещенным вертикально кремниевым пластинам).

Примесными покрытиями, из которых осуществляется диффузия примеси, являются легированные окислы; предварительно легированные поликристаллический или аморфный кремний и силициды таких тугоплавких металлов, как молибден, титан, вольфрам; фоторезисты-диффузанты и высокомолекулярные полимеры, содержащие примеси; бориды редкоземельных металлов. По мере поиска подходящих материалов этот перечень может быть продолжен.

Диффузия в запаянной ампуле (закрытой трубе).Осуществляется в запаянной и откачанной кварцевой трубе. После проведения диффузии труба вскрывается. Такая закрытая система свободна от загрязнений. В запаянной ампуле происходит термическое испарение источника диффузанта, перенос в газовой фазе, адсорбция атомов примеси на поверхности полупроводника и стенках трубы и дуффузия примеси в подложку. Остаточное давление газа в ампуле должно быть примерно 1,33·10²Па. При давлении более 1,33·10³Па ограничивается перенос диффузанта прежде всего за счет покрытия поверхности чужеродными атомами, а при давлении менее 1,33 Па длина свободного пробега для диффундирующей примеси превышает размеры ампулы, что приводит к неглубокой диффузии.

Поверхностная концентрация примеси, полученная в системе запаянной ампулы, соответствует предельной растворимости примеси при температуре диффузии, так как источник бесконечен, для чего поверхность источника примеси выбирается намного большей поверхности системы в состоянии равновесия, например используется гранулированный источник примеси. Продолжительность диффузии также должна быть значительной, чтобы и поверхность подложки, и стенки ампулы находились в равновесии. Поэтому такая система больше подходит для глубоких слоев и для поверхностных концентраций не ниже предельной растворимости в кремнии.

В качестве источников примеси для диффузии в ампулах пригодны газы, жидкие и твердые тела. Для диффузии бора подходящими источниками являются трехфтористый бор ВF₃, трехокись бора В₂О₃. При диффузии фосфора в качестве внешнего источника можно использовать элементарный красный фосфор, пятиокись фосфора Р₂O₅, треххлористый фосфор РСl₃или фосфин РН₃. Можно также использовать измельченный в порошок кремний илиSiO₂, содержащий достаточное количество примеси, фосфид кремния.

Диффузия в вакууме.Метод аналогичен методу запаянной ампулы, однако ампула из кварцевого стекла не отпаивается от вакуумной системы.

В качестве внешнего источника в случае диффузии примеси р-типа по такому способу используется элементарный бор, смешанный с порошком SiO₂, или порошок борного ангидрида В₂О₃. Давление в реакторе составляет 1,33 - 1,33·10^-3Па.

Диффузию осуществляют также из непрерывных потоков газов с заданным давлением паров примеси, вводимых в вакуумную камеру.

Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод).В основу метода положено предположение, что между окислом на поверхности пластины кремния и находящимся рядом с ним окисломSiO₂, смешанным с примесями, устанавливается стехиометрическое равновесие при нагревании их в замкнутом объеме (боксе). При испарении смеси примеси попадают в атмосферу бокса и затем адсорбируются окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание примесей в этом окисле не станет равным их содержанию в смеси. Окисел на поверхности кремния становится легирующим источником примесей, диффундирующих в кремний. Бокс для проведения диффузии должен быть закрыт достаточно плотно, чтобы не было большой утечки паров примеси, однако при этом он должен быть негерметичным, чтобы обеспечить удаление влаги и поступление кислорода, так как образование окисла является существенным моментом при диффузии этого типа. Процесс сопровождается колебанием скорости утечки, которое изменяет параметры диффузионного слоя.

Методы открытой трубы.Подложка помещается в открытую трубу из кварца. Для каждой примеси используют свою трубу и лодочку во избежание загрязнений различными примесями. Пластины вводятся в трубу с одного конца, а с другого - подаются газы и примесь. Выходной конец трубы сообщается с атмосферой. Труба располагается по оси одного или двух нагревателей. Кремниевые пластины обычно помещаются в высокотемпературной части трубы; если используется внешний источник, то он располагается ближе к входу газа.

Твердый источник.При использовании внешних источников в лодочку из платины, алунда или кварца загружается источник примеси, и она размещается со стороны поступления газа-носителя перед лодочкой с пластинами кремния.

В процессе диффузии газ-носитель переносит пары от источника к поверхности пластины. Чтобы отключить источник, его нужно передвинуть в более холодную зону печи. Однородность легирования сильно зависит от давления паров в источнике. Чтобы регулировать давление паров, источник устанавливают при более низкой температуре, чем температура диффузии. Для этого используют двухзонную печь. Тем не менее часто источники и пластины размещают при одинаковой температуре.

При использовании примесных покрытий исключается транспортирование паров диффузанта к подложке. Этот метод используется для изготовления пластин большого диаметра, где требуется точное управление диффузией. Осажденные твердые источники позволяют получать очень низкие поверхностные концентрации за счет подбора соответствующего соотношения примесь — связующее вещество. Поверхностная концентрация регулируется уже не пределом растворимости, а концентрацией примеси в покрытии. Этот метод позволяет получать низкие концентрации в одностадийном процессе, отпадает необходимость стадий загонки и разгонки примеси. Альтернативным методом является метод ионного легирования.

Жидкий источник.Газ-носитель продувается через жидкость — источник примеси, и переносит пары от источника к поверхности. Если насытить этот газ парами примеси, то концентрация примеси в кремнии не будет зависеть от потока газа. Поверхностная концентрация, прежде всего, зависит от температуры жидкого источника и диффузионной системы. Содержание паров примеси в реакторе устанавливают регулированием потока газов через смеситель. В качестве жидких источников используют галогены, которые уменьшают загрязнение системы тяжелыми металлами и способствуют формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Однако при этом возможно локальное растворение полупроводника, при котором его поверхность становится матовой.

Газообразный источник.Диффузионная система сходна с системой для жидкого источника с той разницей, что источником диффузанта служит не поток газа-носителя, проходящего сквозь жидкий источник, а баллон, содержащий смесь РН₃(или В₂Н₆) и инертного газа, например аргона. В качестве газа-носителя может использоваться азот в смеси с кислородом. В этом методе наблюдается увеличение поверхностного сопротивления по ходу течения газа, однако он позволяет получить малый разброс поверхностного сопротивления в широком интервале поверхностных концентраций. При слишком малом содержании кислорода в газовой смеси могут образовываться трудноустранимые пленки.

Импульсные методы проведения диффузии.Импульсная термическая или быстрая термическая обработка дает возможность получать приборы микронных размеров, заменяя процессы, проводящиеся в печи: отжиг ионно-имплантированных слоев, диффузия примеси из примесных покрытий, окисление, формирование силицидов, пассивация, сплавление омических контактов.

Импульсная термическая обработка базируется на использовании интенсивного когерентного (лазерного) или некогерентного светового излучения, электронных и ионных пучков.

В зависимости от длительности воздействия излучения различают три режима отжига: адиабатический (t<10^-7с), теплового потока (t=10^-6-10^-2с), изотермический (t>10^-2с). В качестве источников потоков некогерентного света при длительности процессов более 10^-2с применяются импульсные лампы в миллисекундном диапазоне длительностей, а также галогенонаполненные лампы накаливания, ксеноновые дуговые лампы и графитовые нагреватели для секундных экспозиций.

В зависимости от условий импульсного нагрева и в первую очередь от экспозиционной мощности излучения, возможно проведение термообработки как в твердой фазе, так и с плавлением, рекристаллизацией. Для современной технологии изготовления ИС наибольший интерес представляет твердофазный режим, поскольку он хорошо согласуется с другими традиционными технологическими операциями. При использовании многократного сканирования электронного луча отсутствуют резкие температурные градиенты, приводящие к возникновению термоустойчивых комплексов точечных и протяженных дефектов, улучшаются воспроизводимость и качество процесса отжига, появляется возможность контроля и регулирования диффузионного перераспределения примеси.

Ускоренную диффузию в тлеющем разряде проводят при температуре газа не выше 573 К, а диффузию при низких температурах - бомбардирующими ионами из плазмы, включая ионы легирующей примеси, подложки, успешно применяют для изготовления тонких диффузионных слоев x_jlмкм.

Радиационно-стимулированная диффузия.Диффузия примеси может усиливаться и под влиянием облучения быстрыми частицами, поскольку диффузия в твердых телах осуществляется в основном по дефектам кристаллической решетки, а облучение быстрыми частицами приводит к образованию таких дефектов. Общее действие переноса примесей с помощью радиационно-стимулированной диффузии при температурах от 77 до 400 К эквивалентно термической диффузии от 773 до 1573 К.