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

в газовой смеси иа поверхности могут образовываться трудно устранимые пленки.

Достоинства методов диффузии из газообразных диффузантов те же. что и в случае диффузии из жидких источников, и недостаток тот же — токсичность исход­ ных диффузантов.

В последнее время исследователи модифицировали метод диффузии в отпаянной и откачанной кварцевой ампуле так, чтобы обеспечить возможность устойчивого получения широкого диапазона поверхностных концен­ траций [Л. 4-34]. В кварцевую ампулу, представляющую отрезок трубы диаметром 5—6 см и длиной несколько десятков сантиметров, помещаются предварительно под­ готовленные пластины кремния (так, чтобы остаточный

о

слой окисла был существенно тоньше 150 А) и источник. Сама ампула перед откачкой и отпайкой также тща­ тельно очищается и прокаливается 2 ч при 1 200 °С при вакууме не хуже 10~3 мм рт. ст. После загрузки труба откачивается, прогревается 30 мин при 500 °С для уда­ ления паров воды и затем отпаивается при давлении не выше 5> Ю - 5 мм рт. ст., после чего помещается в печь для диффузии.

Основа модифицированного метода — источник диффузанта, в качестве которого берется порошок кремния, легированного требуемой примесью до необходимой кон­ центрации. Очевидно, что поверхностная концентрация в тех пластинах, куда ведется диффузия, не может пре­ взойти концентрацию примеси в порошке. Чем мельче будет исходный порошок, тем более развита его-поверх­ ность и тем быстрее в ходе диффузии на поверхности пластин будет достигаться концентрация примеси, близ­ кая к ее концентрации в порошке (следует только иметь в виду, что слишком мелкий порошок при очень высокой температуре может начать спекаться). Порошок поме­

ются табл. 4-1 [Л. 4-34].

Для выяснения возможного механизма переноса при­ меси из порошка кремния к поверхности пластин в каче­ стве источника диффузанта был взят элементарный бор. Полученные результаты были сравнимы с тем, что дава-

172

ла диффузия из порошка кремния, легированного бором. (Надо отметить, что в [Л. 4-35] диффузия из порошка бора была предложена в качестве практического мето­ да.) Указанный эксперимент говорит о том, что в рас­ сматриваемом методе, возможно, любые примеси пере­ носятся от источника к пластинкам в виде атомов.

Метод диффузии в отпаянных ампулах из легирован­ ного порошка кремния надо рассматривать как весьма перспективный. Единственным его ограничением явля­ ются значительные технические трудности при практи­ ческом осуществлении. Применение его следует считать особенно целесообразным тогда, когда диффузия прово­ дится сразу в большое число пластин.

Еще одна группа методов диффузии в планарной тех­ нологии, позволяющая в широких пределах варьировать поверхностную концентрацию,'—это диффузия из леги­ рованных окислов. Помимо возможности варьирования поверхностной концентрации, метод позволяет осущест­ влять локальную диффузию (не только в том смысле, что диффузия будет идти в участки поверхности крем­ ния, не защищенные маскирующим слоем, но и в том смысле, что она будет происходить только там, куда нанесен легированный окисел). Сущность метода заклю­ чается в том, что на всю поверхность кремниевой пла­ стины или на какие-либо ее участки перед диффузией наносится слой двуокиси кремния, легированный в необ­ ходимой степени заданной примесью. Этот слой окисла является источником диффундирующих атомов. Для создания такого легированного окисла может, например, использоваться метод пиролитического разложения [Л. 4-36]. При этом пластины кремния помещают в печь

173

при не очень высокой температуре (750°С) и над ними пропускают пары алкоксисилана, легированного, напри­ мер, триметилборатом или трипропилборатом (в случае диффузии бора) или трнметилфосфатом (в случае диф­ фузии фосфора). Попадая на поверхность кремниевых пластин, пары силаиа разлагаются и образуют слой

В работе [Л. 4-37] предложено для получения на по­ верхности кремния слоя окисла, легированного бором и фосфором, пропускать пары HF над кварцем и В 2 0 3 и л и

174

Таким .методом на поверхности кремния, кроме сло­ ев, легированных бором и фосфором, были получены слои, легированные также галлием, мышьяком и сурь­ мой. Процесс нанесения на поверхность кремния пленок легированного окисла с помощью паров HF осущест­ вляется при температурах 400—600°С. При этом имеют

дого источника, расположенного в низкотемпературной зоне, на пластины кремния, находящиеся в более высо­ котемпературной зоне. Экспериментально подобный перенос осуществляется в отпаянных кварцевых ампу­ лах. При этом выращивались слои толщиной до десят­ ков микрон. Плавиковая кислота вводилась в небольших количествах (~0,5 мл 49%-ного ITF), а отпайка ампулы осуществлялась при охлаждении в жидком азоте при откачке до давления Ю - 5 мм рт. ст. или ниже. При использовании для диффузии метод позволил получить

диффузии в кремний из окисла, легированного мышь­

но легировался треххлористым мышьяком. Поверхност­

Таким образом, в настоящее время существует доста­ точно большое число методов, позволяющих воспроиз­ водимо осуществлять диффузию различных примесей в кремний в широком диапазоне концентраций как на всю поверхность пластин, так и селективно.

175

4-6. ВЫБОР ПРИМЕСЕЙ И МЕТОДОВ Д И Ф Ф У З И И ДЛЯ РЕШЕНИЯ КОНКРЕТНЫХ З А Д А Ч ПЛАИАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

зии, вкратце -коснемся вопроса о том, в каких случаях в плаиарной технологии целесообразно выбирать опре­ деленные примеси и методы осуществления диффузии.

Классическими донорной и акцепторной примесями в планарных приборах являются фосфор и бор. Именно этим примесям посвящена основная часть литературы по диффузии в плаиарной технологии. То, что эти эле­ менты — основные легирующие примеси в плаиарной технологии, связано с рядом обстоятельств. Доноры, как правило, диффундируют медленнее акцепторов и лучше растворяются в кремнии. В связи с этим для кремния наиболее естественной является п-р-п транзисторная структура. Количество выпускаемых кремниевых пла­

растворимость, и это позволяет в более широких пре­ делах менять их поверхностную концентрацию, а фос­ фор из этих трех элементов имеет наиболее высокий коэффициент диффузии. Летучие соединения фосфора не так токсичны, как соединения мышьяка, и это, возмож­ но, определило, что работы вначале развивались интен­ сивнее в области фосфора. Первые пленарные приборы были не особо высокочастотными, эмиттерный переход располагался в них на глубине нескольких микрон, и для диффузии мышьяка при этом требовались слишком большие времена и слишком высокие температуры. Все это в сочетании с эффективной способностью слоя SiCb маскировать кремний при диффузии фосфора и с тем, что слой фосфорно-силикатного стекла позволяет стаби­ лизировать свойства планарных кремниевых структур, явилось причиной выбора фосфора в качестве наиболее часто используемой примеси при создании эмиттеров планарных р-п-р кремниевых структур.

176

Выбор акцепторной примеси диктовался более жест­ кими условиями. Хотя в кремниевых мезаструктурах используют и алюминий, и галлий, и бор, в планарных структурах, маскируемых слоем .Si02 , из этих элементов мог быть выбран только бор, так как от него кремний эффективно маскируется Si02 . Для галлия, алюминия и индия SiCh не обладает достаточным маскирующим дей-. ствием. В связи с этим в качестве примеси для создания базовой области планарных п-р-п структур был выбран бор.

Если бы коэффициент диффузии акцепторного эле­ мента во много раз превосходил коэффициент диффузии донорной примеси, то в некоторых случаях это могло бы позволить создавать планарные структуры путем одновременной диффузии доноров и акцепторов. Для определенных целей (скажем, в СВЧ структурах) это могло бы представить значительный интерес.

Возможно, что в настоящее время в связи с появле­ нием новых маскирующих слоев (нитрида кремния, оксинитрида кремния, некоторых тугоплавких металлов) появится возможность использовать в качестве акцеп­ торных примесей в планарных структурах галлий или алюминий.

Если рассмотреть выбор примесей для создания обычных р-п-р планарных транзисторных структур, то однозначное заключение может быть сделано по поводу эмиттерной примеси — ею может быть только бор, так как все другие акцепторы имеют недостаточно высокую растворимость в кремнии. Что же касается донорной примеси, то имеются данные о том, что в р-п-р планар­ ных структурах можно использовать и фосфор, и сурьму. Использование сурьмы, по-видимому, предпочтительнее, так как для нее легче решается задача получения сравнительно невысоких поверхностных концентраций. Можно считать, что использование мышьяка в качестве донорной примеси в планарных р-п-р структурах исклю­ чено из-за слишком малого значения коэффициента диф­ фузии.

других целей: во-первых, для использования при созда­ нии эмиттеров в СВЧ транзисторах, где необходимы осо­ бо тонкие сильнолегированные слои, и, во-вторых, для создания скрытого слоя в коллекторных областях тран-

зисторов— элементов ИС, предназначенного для сниже­ ния последовательного коллекторного сопротивления. Здесь использование мышьяка представляет интерес, так как при последующих технологических операциях можно не опасаться его проникновения в расположенные над ним слаболегированные слои. Надо, правда, отметить, что есть сведения об использовании для создания скры­ тых сильнолегированных слоев и сурьмы, и фосфора.

По поводу выбора тех или иных методов диффузии можно отметить следующее. В настоящее время наибо­ лее распространенными являются методы диффузии в двухзонных печах и диффузии из жидких диффузан-

Как весьма перспективный следует рассматривать метод диффузии в отпаянных ампулах из легированного порошка кремния, позволяющий вести диффузию самых различных примесей. Его ограничения связаны со зна­ чительными технологическими трудностями. Применение этого метода следует считать особенно целесообразным тогда, когда диффузия проводится сразу в большое чис­ ло пластин.

Что касается диффузии из легированных окислов, то в отношении однородности и воспроизводимости резуль­ татов она пока что уступает другим методам. Однако имеется определенный случай, когда использование это­ го метода является необходимым. Речь идет об интег­ ральных схемах, в которых должны одновременно созда­ ваться п-р-п и р-п-р транзисторные структуры. Благо­ даря тому, что вначале в нужном месте будет нанесен окисел, легированный бором, а затем в другом месте схемы будет нанесен окисел, легированный фосфором, только этот метод позволяет в одно и то же время создавать базовые и эмиттерные области п-р-п и р-п-р структур. Перспективным может также оказаться исполь­ зование метода диффузии из легированных окислов для создания планарных СВЧ транзисторных структур.

Характеризуя различные методы диффузии по вос­ производимости и точности результатов, мы все время имели в виду, что обеспечиваются достаточно высокие качество подготовки пластин, чистота газов и исполь­ зуемых реактивов и точность термического оборудова-

178

ния. В большинстве работ, посвященных изучению раз­ личных методов диффузии и цитированных в этом и пре­ дыдущем параграфах, наихудший допустимый разброс температуры в зоне равномерного нагрева указывается равным ± 19 С. Надо сказать, что для многих примесей в практически используемом диапазоне температур этот разброс соответствует разбросу коэффициента диффу­ зии ± 3 % .

Не следует понимать требования, необходимые для обеспечения малого разброса результатов диффузии, так, что если жестко заданы все перечисленные факторы (температура, достаточно высокая чистота предвари­ тельной обработки пластин, концентрация источника диффузанта и кислорода в газовой смеси, скорость пото­ ка и т. д.), то удастся заранее предсказать, какая вели­ чина ps будет получена. Значение ps заранее может •быть известно лишь довольно приближенно. Однако, подби­ рая и фиксируя условия диффузии, можно подобрать величину ps достаточно точно и, сохраняя потом эти условия, обеспечить хорошую повторяемость необходи­ мого значения ps .

4-7. ОСОБЕННОСТИ Д И Ф Ф У З И И , СВЯЗАННЫЕ

СЕЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫМ ХАРАКТЕРОМ

ВПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

То, что в планарной технологии диффузия осущест­ вляется не по всей поверхности кремниевых пластин, а в их отдельные участки, не защищенные маскирую­ щей пленкой, сказывается на двух обстоятельствах. Первое, обусловленное локализованным характером диффузии, связано с тем, что, строго говоря, перестают быть • применимыми решения одномерного уравнения диффузии. Второе касается специфических физических •процессов, сопровождающих локализованную диффузию, и прежде всего связано с возникновением при этом дополнительных дефектов.

Вопросам, связанным с нахождением распределения примесей в случаях, когда уравнение диффузии нельзя считать одномерным, посвящен ряд работ. Во всех этих работах сделано довольно много жестких ограничений. Маскирующий слой считается всюду полностью непро­ ницаемым (т. е. предполагается постоянство его толщи­ ны всюду, кроме обнаженных участков, даже у самого

где

CO

M («.M-S-5|f:

ft=0

лись решения подобных задач диффузии через полосообразные отверстия в маскирующем слое в равномерно

фузии в незащищенную пластину. Если же ширина поло­ сы становится меньше чем 4 Y~Dt, то глубина р-п пере­ хода может 'быть существенно меньше, чем в случае одномерной диффузии в незащищенную пластину.

В работе [Л. 4-41] рассчитывалась и эксперименталь­ но изучалась форма р-п переходов у краев прямоуголь­ ных отверстий в маскирующем слое. Исследовались те же случаи диффузии при постоянной концентрации на поверхности и из бесконечно тонкого ограниченного источника. Важно отметить, что при диффузии в крем­ ний, равномерно легированный исходной примесью, и расчеты и экспериментальная проверка подтверждают предположения о том, что форма перехода у края от­ верстия в маскирующем слое близка к цилиндрической в самом широком интервале отношений поверхностной концентрации диффундирующей примеси к концентра-

181