3. Технология диффузии

С тех пор, как метод диффузионного введения примесей в полупроводник был впервые использован для создания р—n-переходов, и до настоящего времени идет постоянное его совершенствование. Оно направлено на повышение воспроизводимости основных параметров диффузионных слоев — поверхностной концентрации примеси и толщины, на расширение диапазона их регулирования, а также на общее снижение стоимости проводимых процессов.

В технологии интегральных микросхем для получения легированных слоев различного типа проводимости преимущественно используется высокотемпературная диффузия примесей в полупроводниковую пластину. Несмотря на то, что появились новые эффективные методы создания легированных полупроводниковых слоев (эпитаксия, имплантация), термическая диффузия остается наиболее распространенным способом в производстве интегральных микросхем.

Теоретический анализ процесса, как правило, сводится к расчету распределения легирующей примеси в объеме твердого тела при заданных значениях температуры, времени или других граничных условиях.

Е сли на поверхности пластины кремния имеется пленка двуокиси, то образующийся, при диффузии р-n-переход обладает в несколько раз меньшей глубиной, чем это следует из теоретических расчетов, а иногда и совсем не образуется. Поверхностная концентрация может уменьшаться на несколько порядков. Исследование данного явления показало, что коэффициент диффузии примесных атомов в пленке двуокиси кремния имеет величину в 10—10³ раз меньшую, чем в объеме кремния при той же температуре (это лежит в основе использования пленки в планарной технологии). Оценочные значения коэффициента диффузии при присутствии двуокиси и без нее приведены в приложении, таблице 4. наглядно эти процессы продемонстрированы на рис. 8.

При диффузии в кремний, поверхность которого покрыта пленкой двуокиси кремния, атомы примеси вначале проходят через слой окисла, а затем диффундируют в объем полупроводника. Объемный поток характеризуется поверхностной концентрацией, определяемой степенью проницаемости окисной пленки.

При наличии на поверхности полупроводника пленки окисла диффузия примесных атомов описывается двумя уравнениями:

п ри

при

где f и v относятся к пленке и объему полупроводника, а w – толщина окисла.

Для правильного расчета характера распределения диффундирующей примеси в области полупроводника, расположенной под краем «окна» в пленке двуокиси кремния, при получении р-n-перехода локальной диффузией необходимо решить неодномерное уравнение Фика. Для источника с постоянной поверхностной концентрацией примеси используют двумерное решение, справедливое для диффузии в круглые и квадратные «окна». Для источника с фиксированным количеством примесей может быть получено трехмерное решение. Так как конечные аналитические выражения очень громоздки, то для иллюстрации диффузии из источника с постоянной поверхностной концентрацией в случае двумерной задачи и из источника с фиксированным количеством примеси в случае трехмерной задачи приведены графики рис. 9, где показаны распределения концентраций примесных атомов в относительных единицах и соответственно. Эти кривые определяют положения р-n-переходов для различных уровней легирования полупроводника. Для обоих видов распределений диффузия примесных атомов идет более глубоко в направлении, перпендикулярном поверхности пластины, чем вдоль границы окисел — полупроводник.

При расчетах предполагалось, что диффузия через пленку несущественна и что поверхностный коэффициент диффузии (вдоль границы раздела ) совпадает с объемным.

Диффузия из источника с постоянной поверхностной концентрацией приводит к увеличению градиента концентрации примеси на поверхности полупроводника непосредственно под окисной маской. Однако это обусловит уменьшение напряжения лавинного пробоя только при соотношении объемной и поверхностной концентраций , что практически не встречается.

Диффузия из источника с фиксированным количеством примеси приводит к распределению с максимальным градиентом концентрации в глубине полупроводника на достаточно большом удалении от края окисной маски. Этот максимальный градиент равен градиенту концентрации, определяемому одномерным решением уравнения Фика.

Процесс переноса примесей через границу раздела стеклообразный окисный источник — полупроводник сложен и до конца не изучен. Он включает в себя следующие стадии:

1) взаимодействие полупроводникового материала с окислом примесесодержащего вещества;

2) окисление полупроводникового материала диффундирующим через пленку источника кислородом газовой фазы;

3) формирование стекла, состоящего из окислов полупроводника и примеси;

4) образование (в связи с протеканием стадии 1) на границе раздела атомов примеси, их растворение и диффузия вглубь полупроводника;

5) перемещение границы раздела источник — полупроводник вглубь полупроводникового материала (за счет протекания процессов 1 и 2);

6) образование в окисной фазе вблизи границы раздела промежуточных окислов в связи с дефицитом кислорода в этой области;

7) увеличение толщины окисной фазы в связи с продолжающимися осаждением примесесодержащего окисла и окислением полупроводникового материала.

Все эти стадии состоят из ряда достаточно сложных этапов, протекают одновременно и комплексно определяют результат процесса диффузии. Для случая локальной диффузии бора в Si схема диффузионного очага изображена на рис. 10.