книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

пературная зависимость растворимости алюминия в кремнии, которая оказывается в области низких тем­

ности определения коэффициента диффузии, приводится обычно возможная ошибка порядка ±40—50%. т. е. определенные значения могут отличаться в 2—3 раза. Именно такую точность ввиду большой сложности опре­ деления величины D следует считать вполне удовлетво­ рительной.

4-5. МЕТОДЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Д И Ф Ф У З И И

ВПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Внастоящее время известно свыше десяти методов осуществления диффузии в планарной технологии.

Первым из использованных в планарной технологии методов диффузии был метод диффузии в герметичном объеме, под которым понималась отпаянная при давле­ нии не выше 10~4 мм рт. ст. кварцевая ампула. При соблюдении определенных условий можно было считать, что этот метод позволяет получить распределение по закону erfct/. Основные недостатки метода были связа­ ны с тем, что необходимость точной дозировки ничтож­ ных количеств примесей не позволяла воспроизводимым образом обеспечивать поверхностную концентрацию. Трудно было обеспечить достаточно высокую чистоту самой ампулы и наполняющей ее атмосферы, а также отсутствие следов кислорода и паров воды. Неоднород­ ность результатов становилась тем сильнее, чем мень­ шую поверхностную концентрацию требовалось полу­ чить. В общем можно считать, что в какой-то мере это замечание относится ко всем методам диффузии.

Длительное время основными в планарной техноло­ гии были метод диффузии в потоке газа-носителя в двухзонных печах и бокс-метод. Двухзонная установка для проведения диффузии в потоке газа представляет собой две расположенные рядом трубчатые печи, через кото­ рые проходит общая камера — кварцевая труба. Конст­ рукция установки должна обеспечивать плавный моно­ тонный переход температуры от первой зоны ко второй (рис. 4-19), иначе может произойти осаждение диффузанта между двумя зонами. При диффузии в потоке

газа-носителя в двухзонной трубе в низкотемпературную зону помещается контейнер с источником диффунди­ рующей примеси, а в высокотемпературную — пластины кремния. Через трубу пропускается поток газа, чаще все­

мое количество окисла. Пары окисла захватываются

и выделяются свободные атомы диффундирующего эле­

зуется тонкая пленка Si02 , реагируя с которой, окисел диффузанта образует слой жидкого, сравнительно вяз­ кого стекла. Чтобы попасть в кремний, атомы примеси вначале должны проникнуть через стекло. Поэтому рас­ пределение примесей, получающееся при этом способе диффузии, правильнее описывать не законом erfc, а решением уравнения типа (4-17) с граничными усло­ виями (4-16).

В случае диффузии бора источником диффузанта служит окись бора В 2 0 3 или борная кислота Н 3 В 0 3 , по­ мещаемая в специальный алундовый тигелек. Борная кислота разлагается при 180 °С с образованием В 2 0 3 и ларов Н 2 0 . Эффективное испарение В 2 0 3 начинается,

162

восстановитель Нг или СО). Основная трудность, встре­ чающаяся при диффузии в двухзониых печах, — полу­ чение малых концентраций, а основной недостаток мето­ да — большой разброс поверхностных концентраций, если их величина сильно отличается от предельных. Для

характера газового потока исследования велись в двух направлениях: в некоторых случаях стремились создать ламинарный поток, а в других случаях увеличивали турбулентность потока, ставя специальные отражатели и рассеиватели и стремясь как можно больше усилить перемешивание газа. Все эти работы не дали вполне удовлетворительных результатов. Наименьшие разбросы получались тогда, когда поверхностная концентрация примеси приближалась к предельной, т. е. когда можно было создать пересыщение потока примесью. Но далеко

применяться метод двухстадийиой диффузии. Во время первой стадии, проводимой в двухзониых печах, в обра­ зец вводилось определенное количество примеси Q, а во время второй стадии эта примесь являлась источником диффузанта и перераспределялась при повторной термо­ обработке.

В бокс-методе диффузии и источник диффузанта и пластины кремния помещают в одну кварцевую ампулу, которая не отпаивается герметично, а имеет сверху срез,

к которому пришлифовывается кварцевая крышка. Меж­ ду срезом и крышкой прокладывается платиновая фоль­

диффузии осуществляется так. В бокс помещают пред­ варительно подготовленные пластины кремния и источ­

той печи, через которую идет поток аргона или другого инертного газа. После того как этот газ удалит из бокса следы кислорода, крышка закрывается и бокс вдвигает­ ся в высокотемпературную зону печи, где производится диффузионная выдержка. При изучении бокс-метода исследовалось влияние на однородность результатов та­ ких факторов, как качество промывки бокса инертным газом, степень предварительной очистки газа, количест­ во и расположение источников. Оказалось, что все эти факторы играют роль и что результаты тем однороднее, чем ближе поверхностная концентрация бора к его пре­

взять Р2О5, то бокс-метод использовать нельзя, так как температура диффузии должна быть не меньше 900—

сравнению с диффузией в потоке газа-носителя в двух-

теля: она может быть очень малой, лишь бы в бокс не просочился кислород. Если же говорить о достоинствах метода диффузии в двухзонных печах, то к ним в пер­ вую очередь следует отнести возможность в более широ­

чении невысоких поверхностныых концентраций в одну стадию указанные методы дают довольно неудовлетво­ рительные результаты. Даже при получении предельно

164

высокой концентрации методы диффузии в двухзонных

Существенным шагом вперед в направлении повыше­ ния однородности результатов диффузии явился метод диффузии из параллельного источника [Л. 4-29]. Этот метод позволяет добиться в случае диффузии бора раз­ броса не выше ± 2 — 3 % иа уровне ps до 500—600 ом/О.

22 IN

Принцип диффузии из параллельного источника за­ ключается в том, что .источник диффундирующей приме­ си и пластины кремния располагаются параллельно друг другу так, что источник находится над пластинами. Между ними пропускается поток газа-носителя. Пары примеси диффундируют через газ, попадают на поверх­ ность кремния и образуют там пленку жидкого стекла (например, B2 03-Si02 ), из которого происходит диффу­ зия в полупроводник. Если расстояние между источни­ ком и поверхностью полупроводника выдерживается строго постоянным, то разброс поверхностного сопро-

165

тивлення может быть очень малым. Недостаток метода связан с необходимостью частой подготовки источника.

Рассмотрим еще несколько методов осуществления диффузии в плаиарной технологии. Все они направлены на то, чтобы добиться малого разброса поверхностной концентрации при любом, особенно высоком уровне по­ верхностного сопротивления (т. е. при небольшом коли­ честве введенных в полупроводник примесей). Суть метода диффузии из жидких источников заключается

Пластина Si

N2 0Z

Рис. 4-21. Схема установки для диффузии из РОСЬ.

в следующем. Пластины кремния помещают в кварце­ вую трубу, находящуюся внутри нагретой однозонной печи. Через трубу пропускается поток газа-носителя, чаще,всего азота или аргона, к которому добавляется примесь источника диффузаита, находящегося при обыч­ ных условиях в жидком состоянии. Кроме того, в газо­ вую смесь на все время или па часть времени процесса добавляется некоторое количество кислорода.' Метод в основном используется для диффузии фосфора и бора, причем в качестве источников диффузантов применяют такие вещества, как РС13 , РОС13 , РВг3 , ВВг3 и борнометиловый эфир.

Принципиальная схема установки диффузии фосфора

род, или их смесь. Двухступенчатое разбавление обес­

166

ного газа, то в результате происходящих на поверхности кремния реакций будут, по-видимому, получаться Р4О10, РС13 и свободный С12 , который будет травить поверх­ ность кремния. Это обычно и наблюдается в отсутствие кислорода. При достаточном содержании кислорода в газовой смеси травление будет приостанавливаться растущей пленкой окисла:

Дополнительное окисление кремния будет вызывать­ ся кислородом, находящимся в газовой смеси. Двуокись кремния, реагируя с Р4О10, будет образовывать фосфор- но-силикатное стекло, из которого и будет идти диффу­ зия в кремний. Как и при диффузии в двухзонных печах, наилучшая однородность будет достигаться при насыще­ нии стекла фосфором и при достаточно высокой поверх­ ностной концентрации фосфора в кремнии. На рис. 4-22

результаты наиболее воспроизводимы и меньше всего зависят от содержания кислорода. При малых концен­ трациях РОС13 (порядка 0,'02%) и при низких темпера­

кремния в процессе диффузии РОС13 целесообразно про­ пускать не сразу, а через небольшое время после начала пропускания азота с кислородом.

Схема установки для диффузии бора из ВВг3 такая же, как на рис. 4-21. Скорость потока N 2 над ВВг3 равна нескольким кубическим сантиметрам в минуту, а общая скорость газового потока около 1 л/мин. Добавляемое количество 0 2 невелико, несколько десятков кубических сантиметров в минуту, но, -как и при диффузии фосфора

•поверхности кремния нерастворимых налетов черного цвета.

К преимуществам метода диффузии из жидких' диффузантов следует отнести то, что его-осуществление про-

167

сто и что не требуется второй высокотемпературной зо­ ны. Кроме того, метод позволяет осуществлять непре­ рывным образом процесс, несколько напоминающий двухстадинную диффузию (когда поток РОС13 или ВВг3 пропускается над кремнием только в течение части про­ цесса) . Этот процесс нельзя считать обычной двухстадийной диффузией, так как перед второй стадией с по­ верхности не удаляется фосфорно-силикатное или боросиликатное стекло. Метод позволяет осуществить процесс в замкнутой системе и не требует частой смены источника.

Диффузия может осуществляться не только из жид­ ких, но и из газообразных источников — гидридов фос­ фора, бора и мышьяка — фосфина РН3 , дибораиа ВгЫб и арсина AsH3 , а также из ВС13 .

Схема установки для диффузии фосфора с использо­ ванием фосфина напоминает схему на рис. 4-21 с топ разницей, что источником диффузанта служит не поток газа-носителя, пробулькивающий или проходящий над жидким источником, а баллон, содержащий смесь Р Н 3 и .инертного газа, например аргона. В качестве газа-но­ сителя может использоваться азот в смеси с кислородом. Систематическое изучение результатов диффузии при различных температурах в зависимости от концентрации фосфина и кислорода показало слабую зависимость результатов от этих величин в довольно широких преде­

кислоту. Так как и она достаточно летуча и хорошо реа­ гирует с кремнием, это, по всей видимости, не сказы­ вается на результатах диффузии. Диффузия из фосфина

170

Диффузия бора из дибораиа осуществляется анало­ гично диффузии фосфора из фосфина. Диборан подает­ ся в смеси с аргоном и дальше перед поступлением в рабочую трубу смешивается с азотом и сухим кисло­ родом. При проведении процесса диффузии имеют место, по-видимому, следующие реакции:

несколько ускоряющая рост пленки окисла, но делаю­ щая его не столь прочным, так что после диффузии облегчается снятие боросиликатного стекла [Л. 4-33]. Среди факторов, определяющих в этом -методе поверх­ ностную концентрацию бора, следует отметить условия, связанные с потоком газа: его состав, скорость течения, характер течения (ламинарный или турбулентный) и температуру процесса1 . При изменении объемной кон­

может меняться от 1017 до предельной. При изменении

но резко зависит поверхностная концентрация и от ско­ рости общего потока газа. Если говорить об однородно­ сти результатов, то имеется разброс (увеличение поверх­ ностного сопротивления) по ходу течения газа. Однако все же этот метод позволяет получить малый разброс поверхностного сопротивления в широком интервале поверхностных концентраций. По поводу методов диффу­ зии из газообразных источников можно сделать одно общее замечание: при слишком малом содержании 0 2

1 Непосредственно на поверхностную концентрацию влияют тол­ щина и состав боросиликатного стекла, скорость диффузии через него В 2 0 3 и т. п. Но все эти параметры определяются названными факторами. Все то же самое, конечно, относится и к диффузии фосфора.

171