3.13. Методы диффузионного легирования

При изготовлении полупроводниковых структур на основе Si используются в основном элементы III и V групп, которые выполняют роль, соответственно, акцепторов или доноров. Источниками этих примесей могут быть как чистые элементы, так и их разнообразные соединения с другими элементами, практически не растворяющимися в полупроводнике или не оказывающими существенного влияния на его наиболее важные электрофизические свойства, в частности, на электропроводность.

Источники примеси или наносятся на поверхность полупроводника, или подводятся к ней из газовой фазы.

Для нанесения локальных, расположенных на поверхности полупроводника источников диффузии применяют газообразные, жидкие и твердые внешние источники примеси.

Газообразными источниками служат, в основном, гидриды примесей (РН₃, В₂Н₆ и др.). Они поставляются в баллонах малой емкости в виде сильно разбавленных инертным газом смесей, в диффузионную печь вводятся через вентиль и смеситель вместе с газом-носителем и окислителем (кислородом). Несмотря на очень высокую токсичность газообразных источников они перспективны в связи с их высокой технологичностью.

Жидкие внешние источники (находящиеся при нормальных условиях в жидком состоянии) диффузии применяют в настоящее время наиболее широко. Имея высокую упругость паров и находясь в дозаторе при фиксированной температуре, они позволяют точно регулировать содержание примеси в газовой фазе, поступающей в диффузионную печь. Локальный источник формируется в виде тонкой (около 0,1 мкм) пленки окисла примеси.

При оценке того или иного метода проведения диффузии, источника диффузанта необходимо учитывать в первую очередь воспроизводимость процесса легирования и его технологичность: удобство работы с данным материалом, сложность реализации процесса, его экологические особенности и, конечно, экономичность.

Сущность получения из растворов окисных пленок, содержащих диффундирующую примесь, заключается в том, что гндролизующееся пленкообразующее вещество (например, тетраэтоксисилан, Si(OС₂H₅)₄), растворенное в органических полярных жидкостях, под действием незначительных количеств влаги превращается в результате гидролиза в нерастворимое, формирующее пленку вещество (например, SiО₂) и вещество, остающееся в исходном растворе. Раствор, содержащий вещества с легирующими пленку добавками (тоже в виде гидролизующихся соединений), может быть нанесен на покрываемую пленкой поверхность кремниевой пластины методом центрифугирования (как фоторезист) или пульверизацией.

Этот растворный способ получения пленок ФСС и БСС, содержащих диффузант, имеет целый ряд преимуществ: высокая точность дозировкн примеси в окисле и возможность плавной регулировки поверхностной концентрации примеси в кремнии за счет изменения ее в источнике; высокая однородность толщины пленки от пластины к пластине в партии пластин; малая длительность процесса нанесения источника, простота и недефицитность используемого оборудования. Преимущества данного способа заключаются еще и в том, что процесс нанесения источника диффузии проходит при низких температурах (нанесение пленки осуществляется при комнатной температуре, ее сушка при температурах порядка 60 ^оС), и в том, что изменение количества и содержания легирующих примесей в источнике может быть легко осуществлено изменением состава исходной растворной композиции с сохранением всех остальных операций нанесения источника неизменными.

Недостатки: к ним относятся: старение, желатинизация растворов; нестабильность свойств растворов во времени; высокие требования по чистоте к исходным компонентам композиции.