3. Техника проведения процессов диффузии

Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300° С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300° С. Ниже 1000° С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300° С качество диффузионных слоев неудовлетворительно.

Поскольку диффузионные процессы легирования полупровод­никовых пластин применяются в производстве уже около 40 лет, то эти процессы достаточно хорошо изучены и построены их модели для различных условий. Предложено большое число методов диффузионного легирования, отличающихся физическим состоя­нием (газообразное, жидкое, твердое) источника легирующей примеси — диффузанта, способом подвода примеси к подложке, конструкцией аппарата, расположением подложек и т. п. Сравнительная оценка этих методов приведена в приложении табл. 2.

0. Диффузия из газовой фазы. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров.

В достаточно узком диапазоне температур зависимость между давлением паров р и абсолютной температурой Т выражается уравнением

где — теплота испарения; R — газовая постоянная; — константа, характеризующая данную систему.

Молекулы пара будут адсорбированы всеми поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, а при достаточно большой температуре будут диффундировать вглубь. Если скорость притока новых молекул взамен ушедших в полупроводник равна или больше скорости диффузии, то в поверхностном слое устанавливается равновесная концентрация атомов, равная предельной растворимо­сти при данной температуре. Если скорость притока новых молекул меньше или равна скорости диффузии, но концентрация атомов в паре мала, то поверхностная концентрация определяется только парциальным давлением примесного пара. В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией осуществляют путем контроля давления пара.

Для разбавленных растворов, какими можно считать твердые растворы примесей в полупроводниках, поверхностная концентрация С₀ связана с давлением примесных паров следующим соотношением:

где — собственная концентрация атомов полупроводника; p - давление пара над чистым примесным веществом при температуре Т; п — число атомов в молекуле паров примеси; — постоянная, характеризующая систему.

Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее чем длительность диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной.

0. Диффузия из жидкой фазы. При больших парциальных давлениях концентрация примеси в поверхностном слое может быть такой, что будет образовываться жидкая фаза, если позволяет диаграмма состояния. Практически различают два типа взаимодействий на поверхности: образование сплава и химическое взаимодействие.

Примесные элементы, например Аl, In и Ga , могут быть нанесены на пластину полупроводника испарением в вакууме. При последующей диффузии на поверхности пластин в соответствии с фазовой диаграммой образуется жидкий сплав. Поверхностная концентрация определяется только термодинамическими свойства­ми системы примесь — полупроводник и равна предельной растворимости примеси при данной температуре диффузии.

Второй тип взаимодействий на поверхности заключается в быстрой химической реакции донорной или акцепторной примеси с полупроводником. Обычно имеет место взаимодействие между полупроводником и жидкой поверхностной фазой, состоящей из окисла, например , первоначально присутствующего на полупроводнике, и донорным либо акцепторным окислом, используемым при диффузии. При температуре выдержки в реагирующей фазе устанавливается равновесная концентрация доноров или акцепторов. Скорость перехода примеси из этой фазы в полупроводник очень велика, и распределение примеси соответствует случаю источника с постоянной поверхностной концентрацией, как и при наличии сплава.

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 диффундирующей примеси. Структуры со ступенчатым начальным распределени­ем примеси получают при выращивании эпитаксиальных пленок, путем создания рекристаллизованного слоя при сплавлении и путем предварительного диффузионного или ионно-лучевого легирования тонкого поверхностного слоя полупроводника. Эти виды структур различаются по толщине легированного слоя, из которого идет диффузия.

3. Способы проведения диффузии. Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе.

Наибольшее распространение имеет диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников. В этом случае (рис. 11, а) пластины полупроводника 1 и источник 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую эвакуируют, герметизируют и помещают в печь 4.

Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 11,б-д).

Через него в зону диффузии загружают полупроводниковые пластины. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диф­фузионной трубы вставляют шлиф для введения газа-носителя 3 — азота или кислорода.

Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 11,б) либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 11,в).

На рис. 11,г показана схема двухзонной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников методом открытой трубы, на рис. 11.д — схема бокс-метода. В последнем случае пластины и источник находятся в полугерметичном контейнере 5 однозонной печи.

При изготовлении планарных приборов и интегральных схем процесс диффузии, как уже отмечалось, обычно проводят в две стадии.

Первая стадия процесса легирования начинается с пропускания инертного газа через всю систему — промывка системы. Затем некоторое время пропускается смесь азота с кислородом, но без диффузанта, чтобы получить тонкую пленку Si0₂, предохраняющую поверхность кремния от различных повреждений и от травления ее соединениями диффузанта. На поверхности кремния создается тонкий диффузионный слой. Загонку осуществляют в печах с двумя температурными зонами при невысоких по сравнению с собственно диффузией температурах.

После загонки пластины вынимают из печи и с их поверхности удаляют слой окисла, содержащего диффузант.

На второй стадии (разгонке) пластины полупроводника нагревают в однозонной печи в атмосфере, не содержащей атомов диффузанта, так что единственным процессом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответствует диффузии из источника ограничен­ной мощности.

Двухстадийная диффузия имеет два основных преимущества по сравнению с одностадийной:

1)разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспроизводимость и упрощает его контроль;

2) облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная и относительно низкотемпературная, а на второй стадии нет паров диффузанта. Все это повышает стойкость и защитное свойство окисла.

Качество диффузионных слоев во многом определяется поддержанием чистоты при хранении и транспортировке пластин и особенностями нагрева и охлаждения. После химической очистки пластины хранят в метиловом спирте. Для загрузки в печь их вынимают пинцетом с тефлоновыми наконечниками и мокрыми помещают на кварцевую лодочку. В зависимости от конструкции лодочки (рис. 12) пластины располагают горизонтально или вертикально.

Для того чтобы избежать неравномерного распределения диффузанта в потоке газа-носителя, перед лодочкой ставят экран из кварцевой ваты. Загруженную лодочку постепенно вводят в трубу, нагретую до нужной температуры. Поток примеси следует подводить после того, как пластины достигнут температуры диффузии. В большинстве случаев это происходит в течение нескольких минут. При диффузии из твердого источника до загрузки пластин нужно предусмотреть возможность изменять направление газового потока на противоположное на период ввода пластин. Это предотвращает кон­денсацию примеси на поверхности холодных пластин, пока они еще не достигли зоны нагрева.

Другой способ, который применяют, когда холодные пластины нужно загрузить в диффузионную печь в протоке примеси, состоит в предварительном нагреве пластин в нейтральной атмосфере. Сложность заключается в том, чтобы при перемещении пластин в печь не подвергнуть их воздействию атмосферы.

По истечении расчетного времени диффузии введение паров примеси прекращается и пластины вынимают. При быстром выдви­жении лодочки с пластинами из печи может произойти термозакалка, поэтому лодочку вынимают медленно, чтобы скорость охлажде­ния не превышала 10—20 град/мин. Иногда для этого пластины охлаждают вместе с печью, плавно уменьшая мощность нагрева, что позволяет получить скорость охлаждения 1—5 град/мин. После извлечения пластин из печи и охлаждения до комнатной темпера­туры необходимо защитить их от повреждений и загрязнений. С этой целью на поверхность пластин наносят фоторезист или коллодиевое покрытие, помещают пластины в обезвоженный органический растворитель или хранят их в скафандре с контролируемой средой.