91

полупроводника только за счет изменения температуры в зоне диффузии, используя зависимость предельной растворимости примеси от температуры. Этого диапазона в большинстве случаев недостаточно, поэтому реально процесс ведут в два этапа.

Таким образом, этот способ диффузии имеет ряд существенных достоинств: высокая производительность за счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможности использования всей рабочей зоны диффузионной печи; хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на них технологических факторов и простоте управления процессом; однородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенно в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра; простота используемого технологического оборудования; дешевизна. Потребление твердых планарных источников (ТПИ) в производстве микросхем за последние годы возросло в 4 .. 5 раз, увеличиваясь ежегодно примерно на 20

... 25 %.

6.13.4 Метод параллельного источника

Этот метод во многом сходен с рассмотренным выше. Принципиально отличаются лишь источники диффузанта: они представляют собой пластины, располагаемые между пластинами легируемого материала (рис. 6.16). Например, для легирования бором используют пластины нитрида бора.

Рис. 6.16. Установка твердых планарных источников и пластин кремния – в

кварцевой кассете:

1 – кварцевая кассета; 2 – твердые планарные источники; 3 – пластины

6.14. Источники диффузанта

Рассмотрим основные свойства некоторых легирующих элементов и их соединений, используемых для легирования Si.

6.14.1 Бор (В)

В элементарном состоянии не используется потому, что температура, при которой он имеет приемлемое давление паров, слишком велика, и поэтому затруднительно получить его пленки или создать необходимое давление пара в атмосфере, окружающей полупроводник. Обычно используются разнообразные соединения бора с водородом, кислородом или галогенами.

92

Газообразные соединение бора с водородом В2Н6 (диборан) при обычных условиях является веществом газообразным, в чистом виде склонным к саморазложению, взрывоопасным и токсичным. Реально используется смесь диборана (порядка 5%) с Ar. Эта смесь после соответствующего разбавления азотом или аргоном используется при легировании из газовой фазы.

БСС (nB2O3∙mSiO2) широко используются в качестве источников диффузанта, наносимых на поверхность полупроводника. Одним из наиболее распространенных способов формирования таких пленок является пиролиз смеси тетраэтоортосиликоата с борной кислотой.

Окисел бора В2О3 является одним из наиболее часто используемых диффузантов. Это соединение начинает заметно испаряться при температурах порядка 700 оС, что позволяет использовать его при легировании из газовой фазы. Для этих же целей могут использоваться БСС с относительно большим содержанием бора (≥10%).

Молекулы источника примеси проникают к поверхности пластин через слой жидкого стекла. На поверхности идут химические реакции с освобождением элементарной легирующей примеси, которая и диффундирует в полупроводниковую пластину:

2 B2O3 + 3Si → 3Si02 + 4В.

Слой стекла защищает поверхность пластин от испарения, попадания посторонних частиц, эрозии и поглощает примеси с поверхности Si.

Поверхностные источники бора на основе БСС широко используются для создания легированных слоев значительной толщины, которые нужны при изготовлении силовых полупроводниковых приборов.

Основным материалом для изготовления твердых источников бора является нитрид бора – BN. Они отличаются стабильностью и длительным сроком службы. BN устойчивое и трудно испаряющееся соединение. Его окисляют с целью образования поверхностного тонкого слов В2О3, который при температурах диффузии находится в жидком состоянии и переходит в газовую фазу в результате испарения. Содержание кислорода должно быть 1– 2%, чтобы на поверхности Si образовывалась пленка оксида, проницаемая для бора.

Из галогенидов бора используются BCl3 и BBr3:

4BBr3 + 3 O2 → 2B2O3 + 6 Br2.

Вобычных условиях это жидкости с Ткип порядка 200 оС, обладающие

приемлемыми давлениями паров, и поэтому они используются при легировании Si из газовой фазы.

Существенно, что бор диффундирует в оксиде кремния гораздо медленнее, чем в кремнии.

Для случая локальной диффузии бора в Si схема диффузионного очага изображена на рис. 6.17.

93

Рис. 6.17. . Схематическое представление диффузионного очага при

локальной диффузии бора в кремний

6.14.2 Алюминий (Al), галлий (Ga) и индий (In)

Столь же технологичных соединений как у бора, Al, Ga и In не имеют. Al в элементарном виде испаряется при достаточно высокой

температуре и активно окисляется кислородом с образованием еще более труднолетучего оксида, поэтому при легировании из газовой фазы следует использовать газы-носители, весьма чистые по кислороду. Чаще используются наносимые на поверхность Si пленки алюмосиликатных стекол, или пленки чистого Al. Такие пленки используются при изготовлении силовых приборов. В технологии ИС Al как легирующая примесь практически не используется.

Применение Ga в технологии кремниевых структур сильно осложнено о, сравнительно низким давлением паров и окислением с образованием труднолетучего оксида. В обедненной кислородом атмосфере возможно образование GaO2, который испаряется несколько легче, чем Ga2O3 или металлический Ga. Используются также поверхностные источники Ga,

содержащие оксиды Si и некоторых других элементов.

In по сочетанию своих физических свойств более удобен для реализации диффузионного легирования, чем Ga, но его применение в качестве примеси, легирующей Si, ограничено достаточно большой глубиной залегания акцепторного уровня (0.16 эВ).

Al, Ga и In диффундируют в SiO2гораздо быстрее, чем в Si, что существенно ограничивает возможности их использования в планарной технологии.

6.14.3 Фосфор (P) мышьяк (As) и сурьма (Sb)

P имеет относительно высокое давление паров уже при Т≈200 оС, в элементарном виде не используется. Широкое применение находит оксид фосфора P2O5, заметно испаряющийся уже при 200 оС, а также хлорид фосфора PCl3, оксихлорид фосфора POCl3. Оба соединения при обычных

94

условиях – жидкости с достаточно высоким давлением паров при невысоких температурах. Они используются при легировании Si в потоке газа-носителя. Используется и газообразный фосфин (PH3):

2 РH3 → 3H2 + 2P.

Твердые планарные источники P при нагревании выделяют пятиокись фосфора Р2О5 в газовую фазу, молекулы которой переносится на поверхность кремниевых пластин и образуют слой ФСС

(nP2O5∙mSiO2), из которого происходит диффузия фосфора в объем кремния: 4P + 5 O2→ 2Р2O5,

2Р2О5 + 5Si → 5SiО2 + 4P.

Вкачестве ТПИ P используется нитрид фосфора, фосфид кремния или

материалы, содержащие Р2О5 в связанном виде, которая выделяется при термическом разложении (ФСС, метафосфат алюминия, пирофосфат кремния или другие соединения).

Вкачестве поверхностных источников обычно используются

ортофосфаты кремния, (NH4)H2PO3, ФСС, нередко с примесями других оксидов, в том числе оксидов редкоземельных элементов.

Вобласти малых значений L профили легирования имеют специфический вид, показанный на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Профиль Р в Si

Главная особенность – наличие участка с почти постоянной концентрацией примеси, за которым следует более или менее резкий спад концентрации, описывающееся erfc-функцией. Такой эффект наблюдается только при концентрациях P, близких к 1021см–3.

6.14.4 Эффект вытеснения коллекторного перехода

Этот эффект наблюдается при попытках изготовления транзисторов с тонкими базами (менее 0.2 мкм) в условиях, когда для создания базовой области использовался B, а для эмиттерного перехода – P, причем