Методы осуществления диффузии

Источником примеси в процессе диффузии является соединение, содержащее легирующий элемент и называемое диффузантом. В зависимости от состояния при нормальной температуре различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты. В таблице приведены характеристики наиболее распространенных диффузантов. В зону диффузии, где располагаются кремниевые пластины, диффузант вводят в газообразном или парообразном состоянии. Поэтому источники твердых и жидких диффузантов (см. таблицу) должны содержать регулируемый нагреватель для создания нужного давления пара.

Существуют различные методы и способы проведения диффузионных процессов: в закрытой трубе, в открытой трубе и др.

По методу закрытой трубы полупроводниковые пластины и твердый источник примеси помещают в кварцевую ампулу, которую либо откачивают до давления 1,33∙10^-2 Па, либо заполняют инертным газом и после этого запаивают. Затем ампулу помещают в печь, нагретую до температуры, при которой проводится диффузия. Диапазон рабочих температур составляет 700 - 1250 °С.

По методу открытой трубы при диффузии из твердого диффузанта используются двухзонные печи, представляющие собой две термические камеры с независимым нагревом, через которые проходит рабочая кварцевая труба. Источник примеси, помещенный в низкотемпературную зону, испаряясь, захватывается газом-носителем (аргон, азот), и пары примеси переносятся в высокотемпературную зону диффузии, где находятся пластины.

Характеристики некоторых диффузантов

Диффузант	Состояние при комнатной температуре	Температура источника, °С	Общая характеристика
Борный ангидрид B203	Твердое	600-1200	Загрязняет трубу, управление затруднено
Трибромид бора ВВr3	Жидкое	10-30	Не загрязняет трубу, легкое управление, но сильная зависимость от геометрии системы
Диборан B2H6	Газообразное	Комнатная	То же, что у трибромида бора, но высокая токсичность
Фосфорный ангидридРго5	Твердое	200-300	Чувствительность к присутствию паров вода, трудность получения низкой концентрации
Хлорокись фосфора Росеъ	Жидкое	2-40	Не загрязняет трубу, удовлетворительное управление, но сильная зависимость от геометрии системы
Фосфин РН3	Газообразное	Комнатная	То же, что у хлорокиси фосфора, точное регулирование, но токсичен

Общим недостатком твердых диффузантов является трудность регулирования давления ларов и, как следствие, пониженная воспроизводимость результатов. Кроме того, они требуют высокой температуры источника, что усложняет и удорожает оборудование (двухзонные диффузионные печи).

Широкое распространение получили жидкие диффузанты, обладающие высокой упругостью пара при низких температурах. Это позволило вынести источник за пределы диффузионной печи и применить более простые однозонные печи. На рис. 7 представлена схема установки для проведения диффузии из жидкого источника диффузанта. Для транспортировки паров диффузанта в зону диффузии используют аргон, азот и другие газы, не взаимодействующие с кремнием и практически не диффундирующие в него.

Рис.7. Схема установки для проведения диффузии из жидкого источника диффузанта.

Для насыщения парами диффузанта транспортирующий газ пропускают либо над поверхностью диффузанта, либо через диффузант, в зависимости от требуемой концентрации. При постоянном расходе газа концентрация диффузанта в нем регулируется температурой источника. В установке предусмотрена подача кислорода в смеси с транспортирующим газом. Окисляющая среда в диффузионном процессе играет весьма важную роль. Растущее в процессе диффузии примесно-силикатное стекло является поверхностным источником для диффузии примесей в полупроводник, предохраняет поверхность кремния от эрозии (из-за испарения) и нежелательных химический реакций на поверхности кремния и поэтому, как показывает практика, заметно понижает воспроизводимость процесса диффузии.

В последнее время наметился переход к газообразным диффузантам, регулирование концентрации которых достигается более простыми средствами. Источником диффузанта в этом случае служит баллон со сжатым газом (диборан, фосфин); результаты диффузии характеризуются высокой воспроизводимостью.

Параметрами процесса загонки являются концентрации диффузанта и кислорода в газе-носителе, расход газовой смеси, температура в зоне диффузии, время процесса.

Сложной задачей является обеспечение равномерного легирования пластин в партии. На воспроизводимость свойств диффузионных слоев влияет положение пластины в зоне диффузии, расстояние между пластинами, насыщенность кварцевой трубы диффузантом и др. Обычно в каждой диффузионной печи выполняют только одну операцию диффузии (например, только загонку фосфора).

Для получения заданных значений поверхностной концентрации Ns, глубины залегания р-п перехода х_j, а также для создания необходимого диффузионного профиля N(x, t) после проведения загонки примеси одним из перечисленных выше методов необходимо провести вторую стадию процесса диффузии (разгонку примеси). Эту операцию осуществляют в обычной печи после снятия с поверхности пластины примесно-силикатного стекла.

Контроль параметров диффузионных слоев. К параметрам диффузионного слоя относят глубину залегания р-п перехода х_j , поверхностное сопротивление слоя Rs (поверхностную концентрацию примеси N_s) и зависимость концентрации примеси от глубины N(x).

Обычно х_j измеряют с помощью сферического шлифа. Для этого с помощью вращающегося металлического шара диаметром 20 - 150 мм, на поверхность которого нанесена алмазная паста, вышлифовывают лунки на поверхности пластины. Образовавшаяся лунка должна быть глубже уровня залегания р-п перехода (рис. 8,а).

Для четкого выявления р-п. перехода (границ областей) применяют химическое окрашивание. Например, при обработке шлифа в растворе, состоящем из HF (20 вес. ч) и CuSO₄ (100 вес. ч.), покрывается медью n-область. При обработке в плавиковой кислоте с добавкой 0,1%-ной HN0₃ темнеют р-области.

После окрашивания в поле инструментального микроскопа должны быть четко видны две концентрические окружности. Измерив с помощью микроскопа длину хорды внешней окружности, касательную к внутренней окружности (рис. 8,6), можно рассчитать глубину залегания р-п. перехода:

(15)

где l - длина хорды; d_ш - диаметр металлического шара. Погрешность определения х_j в этом случае составляет около 2 %.

Рис.8. Схема измерения глубины залегания р-n перехода (R - радиус металлического шара).

Для определения удельной электрической проводимости тонких диффузионных слоев измеряется х_j и поверхностное сопротивление слоя R_s четырехзондовым методом. Для измерения R_s на поверхности кремния по прямой линии располагают четыре зонда на равных расстояниях друг от друга (обычно I мм). Через внешние зонды пропускают ток I , внутренние зонды служат для измерения падения напряжения U компенсационным методом. Схема измерения представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема измерения поверхностного сопротивления слоя четырехзондовым методом.

Удельное сопротивление слоя, или поверхностное сопротивление (Ом/квадрат) определяется по формуле (16)

где k - геометрический коэффициент.

В случае образцов, диаметр которых много больше расстояния между зондами S , коэффициент k ≈ π/ln2≈4,54.

Удельное объемное сопротивление (Ом ^.см) слоя связано с R_s :

(17)

где σ - удельная проводимость слоя.

С помощью четырехзондового метода можно построить график зависимости распределения концентрации примеси по глубине слоя. С этой целью измерения R_s чередуют со снятием тонких поверхностных слоев кремния (анодное окисление кремния с последующим стравливанием SiO₂).

Между средней проводимостью слоя и поверхностной концентрацией примеси в слое существует связь, для определения которой необходимо знать закон распределения примеси и исходную концентрацию ее в подложке N_п. Для двух функций распределения (ехр и erfс) этот расчет приводится в специальной литературе. Такие зависимости часто называют кривыми Ирвина, некоторые из них представлены на рис.10 и 11.

Рис.10. Зависимости поверхностных концентраций примесей от средней проводимости слоев п-типа (а) и р-типа (б) в кремнии, имеющих диффузионное распределение в виде exp-функции (графики Ирвина).

Рис.11. Зависимости поверхностных концентраций примесей от средней проводимости слоев n-типа(а)и р-типа(б)в кремнии, имеющих распределение в виде erfc-функции(графики Ирвина).