5. Диффузия

5.1. Диффузия в технологии имс

Диффузия наряду с имплантацией является основным методом легирования полупроводников в производстве полупроводниковых приборов и ИМС. Не обладая прецезионностью ионной имплантации, диффузионное легирование обеспечивает приемлемую точность до 10…20 % по слоевому сопротивлению и концентрации, является технологически более простой и экономичной операцией, не вводит собственные дефекты в полупроводник и поэтому продолжает использоваться в технологии полупроводниковых приборов и ИМС.

Наиболее целесообразно использовать диффузию для создания сильно легированных n⁺- и p⁺-областей с концентрацией легирующей примеси на поверхности равной предельной растворимости. Такие области используются при формировании эмиттеров, скрытых слоёв, областей подлегирования коллектора и базы, областей раздели-тельной диффузии – в биполярной технологии, а также при создании сильно легированных областей стока и истока, стоп-слоёв и областей под-легирования омических контактов – в МОП– и КМОП–технологии (рис. 5.1).

Путем проведения диффузии в две стадии (первую стадию – из неогра-ниченного источника, а вторую – из ограниченного источника) можно получать диффузионные слои с концентрацией легирующей примеси на поверхности меньшей чем предельная растворимость. Такие слои используются для формирования областей базы и резисторов в биполярной технологии, а также при создании слабо легированных областей стока и истока, противоинверсионных слоёв в МОП– и КМОП–технологии.

5.2. Технологические методы проведения диффузии

Среди различных методов проведения диффузии в технологии кремниевых ИМС наибольшее распространение получили метод диффузии в потоке газа-носителя и метод диффузии из твёрдых планарных источников.

Метод диффузии в потоке газа-носителя заключается в получении пара диффузанта, смешивании его с газом-носителем и подаче в кварцевую трубу (реактор) с загруженными кремниевыми пластинами. В качестве диффузантов используются, как правило, жидкие источники: PCl₃, POCl₃, BBr₃. Пары диффузантов получаются при пропускании газа-носителя (Ar, N₂) через барботер, в который залит жидкий диффузант. Перед подачей в кварцевую трубу-реактор газ-носитель с парами диффузанта смешивается с сухим кислородом. В горячей реакционной зоне происходят следующие химические реакции:

– окисление паров диффузанта

4BBr₃ + 3O₂ ↔ 2B₂O₃ + 6Br₂;

– окисление поверхности кремния

Si + O₂ ↔ SiO₂;

– образование примесно-силикатного стекла на поверхности пластин кремния

mSiO₂ + nB₂O₃ ↔ mSiO₂ ∙ n B₂O₃;

– восстановление легирующей примеси из своего оксида на границе с кремнием

2B₂O₃ + 3Si ↔ 3SiO₂ + 4B.

Во втором методе диффузии из твёрдых планарных источников последними являются пластины, содержащие твердое соединение легирующей примеси, например, BN, SiP₂O₇. Пластины-источники устанавливаются на ту же кварцевую лодочку, что и рабочие пластины кремния. При подаче кислорода в горячей зоне идут следующие реакции:

– окисление соединения, содержащего легирующую примесь,

4BN + 7O₂ ↔ 2B₂O₃ + 4NO₂;

– окисление поверхности кремниевых пластин

Si + O₂ ↔ SiO₂;

– испарение оксида легирующей примеси с поверхности пластин-источников, перенос его на соседние пластины кремния и образование на них примесно-силикатного стекла

mSiO₂ + nB₂O₃ ↔ mSiO₂ ∙ n B₂O₃.

В обоих методах непосредственным источником легирующей примеси является слой примесно-силикатного стекла, образующеегося на поверхности кремниевых пластин. При достаточно высокой концентрации легирующей примеси примесно-силикатное стекло при температуре диффузии становится жидким, коэффициент диффузии в нём резко возрастает. Поэтому такие слои примесно-силикатного стекла служат неограниченным источником примеси во время всего процесса диффузии, обеспечивая постоянную поверхностную концентрацию примеси в полупроводнике на уровне предельной растворимости.

При проведении второй стадии диффузии слой примесно-силикатного стекла, служащий источником примеси, удаляется. Диффузия идёт из созданного на первой стадии легированного слоя кремния, т. е. из ограни-ченного источника.