2. 2. 3. Диффузия из твердой фазы

Это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в примыкающую к ней другую область этого же полупроводника, свободную от примеси данного типа.

Таким образом, для диффузии из твердой фазы характерно наличие начального резкого перепада концентраций диф-фундирующей примеси. Структуры со ступенчатым начальным распределением примеси получают при выращивании эпитак-сиальных пленок, путем создания рекристаллизированного слоя при сплавлении или путем предваретельного диффузионного или ионно-лучевого легирования тонкого поверхностного слоя полупроводника. Эти виды структур различаются по толщине легированного слоя, из которого идет диффузия.

2.3. Способы осуществления процессов диффузии

В настоящее время насчитывается значительное количество технологических способов проведения диффузионных процесс-сов. Рассмотрим только основные способы создания диффузии-онных слоев в кремнии.

2. 3. 1. Диффузия в замкнутом объеме

Пластины кремния помещаются совместно с некоторым количеством примеси в кварцевую ампулу, которая откачи-вается до давления 10^-4 – 10^-5 мм рт. ст. и запаивается. Иногда ампула заполняется чистым инертным газом. Далее ампулу выдерживают при высокой температуре определенное время, в течение которого идет процесс диффузии газообразной примеси в кремний.

Давление паров примеси, устанавливающееся над поверх-ностью кремния, определяет величину поверхностной концент-рации, поэтому, изменяя концентрацию примеси в газовой фазе,

Рис. 2.1

можно менять в широких пределах поверхностную концент-рацию примеси. Возможность такого упраления процессами диффузии является существенным достоинством данного способа. Для изменения давления паров можно использовать замкнутую систему, представляющую собой эвакуированную замкнутую систему с отростком. На рис. 2.1 представлена схема установки для диффузии в замкнутом объеме, где 1, 2 – трубчатые печи; 3 – кварцевая труба; 4 – кварцевая кассета с пластинами; 5 – диффузант; 6 – кварцевая ампула.

Изменением температуры примеси, находящейся в отростке, можно регулировать давление паров диффузанта.

2.3. 2. Диффузия в потоке газа-носителя (диффузия по способу открытой трубы)

По этому способу пластины кремния подвергаются высокотемпературной обработке в потоке инертного газа, несу-щего пар примеси. При этом в качестве источников диффу-зантов могут использоваться твердые, жидкие и газообразные вещества. Схемы установок для диффузии в потоке газа-носи-теля для твердых, жидких и газообразных источников примеси представлены на рис. 2.2, где 1,2 – трубчатые печи; 3 – кварцевая труба; 4 – кварцевая лодочка с пластинами кремния; 5 – твердый источник примеси; 6 – газовые потоки; 7 – сосуд с жидким источником примеси (испаритель).

Рис.2.2

При использовании твердых источников примеси установка состоит из открытой кварцевой трубы, проходящей через две трубчатые печи с независимой регулировкой температуры, обеспечивающие две зоны постоянной температуры и плавное монотонное изменение температуры от первой зоны ко второй. В одну зону помещаются пластины кремния, в другую – ис-точник примеси. Диапазон рабочих температур составляет в зоне источника примеси 400 – 1000⁰С, в зоне диффузии 1000 – 1250⁰С. Через трубу пропускается поток газа, основной функ-цией которого является перенос испаряющихся молекул источ-ника примеси в зону диффузии. Обычно используют азот, аргон, иногда газы с примесями кислорода или водорода. В зоне диффузии происходят химические реакции, приводящие к образо-ванию элементарной примеси и двуокиси кремния. Продукты реакции, а также сплав SiO₂ с окислом примеси создают стек-лообразные слои на поверхности кремния, которые становятся источником примеси.

Поверхностная концентрация примеси при диффузии в двухзонных печах зависит от температуры источника, его насы-щенности водяными парами, состава газа-носителя, скорости и характера его потока. Присутствие воды в источнике увели-чивает разброс поверхностной концентрации примеси, что является основным недостатком диффузии из твердых источ-ников диффузантов.

В качестве газообразных источников используют обычно гидриды примесей, например, фосфин РН_з, диборан В₂Н₆, арсин AsH₃. При диффузии из фосфина в качестве газа-носителя может использоваться смесь PH₃, Ar и О₂ (рис. 2.2,б ). В атмосфере реакционной камеры происходит разложение фос-фина при температурах выше 440⁰С и образование фосфорного ангидрида. Преимуществом диффузии из газообразных источ-ников является возможность достаточно просто регулировать поверхностную концентрацию примеси в широких пределах изменением содержания гидридов в инертном газе. Недостаток метода – в токсичности газообразных источников.

Диффузия из жидких источников (рис. 2.2,в ) имеет преи-мущества перед диффузией из твердых источников, так как установка имеет одну высокотемпературную зону. Для испа-рения жидкого источника примеси достаточно поддерживать его температуру в интервале 20 – 40⁰С. Наиболее широкое применение нашли галогениды бора и фосфора, в частности, трехлористый фосфор PCl₃ , хлорокись фосфора POCl₃ и трехбромистый бор BBr_3. В кварцевую трубу направляются три потока газа: основной поток азота ( или аргона ), слабый поток такого же газа, предварительно прошедший через жидкий ис-точник, и слабый поток кислорода. Кислород необходим для образования окислов примеси. Недостатком диффузии из жид-ких источников является то, что и сами источники и продукты реакций являются отравляющими веществами.

В связи с переходом технологии изготовления интег-ральных микросхем на подложки диаметром более 100 мм из-за нарушения газодинамики между пластинами усилился разброс электрофизических параметров легированных слоев по диа-метру пластин, что привело к снижению процента выхода год-ных ИМС. Для устранения этого эффекта в настоящее время разработаны процессы диффузии бора и фосфора с исполь-зованием твердых планарных источников. Схема установки показана на рис. 2.3, где 1 – трубчатая печь; 2 – кварцевая труба; 3 – кварцевая лодочка; 4 – пористая кварцевая пластина, насыщенная бором или фосфором; 5 – полупроводниковая пластина.

Благодаря тому, что полупроводниковые пластины поме-щаются между источниками диффузанта, удалось значительно снизить разброс поверхностного сопротивления и глубину зале-гания р – n –переходов.

Рис.2.3