Метод открытой трубы

Метод диффузии в открытой трубе лишен указанных выше недостатков метода диффузии в запаянной ампуле. В этом методе в высокотемпературную печь помещается кварцевая труба с пластинами кремния, выходной конец которой открыт в атмосферу. Через входной конец трубы подается газ (необязательно инертный), в который из первичного источника диффузии поступают соединения примеси. Источник примеси может быть твердым, жидким или газообразным. В первых двух случаях необходимое давление паров получают, подогревая первичный источник. Наиболее широко используются такие источники диффузии, как H₃BO₃, BBr₃, BCl₃, B₂H₆, P₂O₅, (NH₄)₃PO₄, POCl₃, PBr₃, PH₃ [3].

Рассмотрим схему установки для проведения диффузии методом открытой трубы. Схема современной установки представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схема рабочей камеры диффузионной печи.

Собственно камера представляет собой кварцевую (или керамическую) трубу 1, снабженную резистивными нагревателями 2 (3 секции с независимым регулированием температуры). Крайние секции поддерживают малый градиент температуры, обеспечивающий средней секции рабочую температуру до 1250°С с высокой точностью (до ± 0,25°С). Именно в этой части камеры на кварцевом (или керамическом) держателе 3 располагаются обрабатываемые пластины 4, имеющие на рабочей поверхности оксидную маску. При выполнении загонки примеси или одностадийного процесса диффузии в камеру из внешнего источника непрерывно подается диффузант, представляющий смесь легирующей примеси (акцептор бор или донор фосфор) с транспортирующим газом (аргон). Такая установка используется при диффузии из жидких и газообразных источников.

В случае применения жидкого источника если газ насыщен примесью, то его концентрация в кремнии зависит только от температуры жидкого источника и рабочей температуры диффузии, но не от потока. Если в качестве жидких источников применяются галогены, то это способствует уменьшению загрязнения реактора ионами металлов и формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Однако при этом возможно локальное растворение полупроводника и появление матовости на поверхности кремниевых пластин [3].

Однородность поверхностной концентрации примеси в кремнии при постоянной температуре диффузии определяется распределением давления паров образующегося окисла примеси в рабочей зоне диффузионной печи.

При работе с газообразным источником диффузанта используют баллон, содержащий смесь PH₃ (или B₂H₆) и инертного газа, например аргона. Газом-носителем может служить азот в смеси с кислородом.

При диффузии методом открытой трубы с использованием твердого источника тигель с источником в виде порошка находится в реакторе со стороны подачи газа-носителя перед лодочкой с пластинами кремния (или даже под ней). Однородность легирования в сильной степени зависит от давления паров источника, поэтому для его регулирования температура последнего устанавливается ниже температуры диффузии путем использования печи с двумя нагревательными камерами (см. рис. 1.3). Состав несущего газа должен быть таким, чтобы не происходило окисления пластин полупроводника. Пленка окиси, если она образуется, может препятствовать проникновению примеси внутрь образцов кремния.

Наблюдаются случаи, когда в трубчатой двухзонной печи при использовании в качестве газов-носителей аргона или азота происходит эрозия поверхности кремния. Это явление может быть устранено, если добавить в газ-носитель небольшое количество кислорода. Для этого на входе в кварцевую трубу имеются два подводящих газ патрубка. По одному из них может подаваться основной инертный газ-носитель, по другому – кислород (или пары воды). При входе в трубу эти газы перемешиваются и затем поступают в зоны печи, где находятся диффузант и кремниевые образцы.

Обычно расход газа-носителя регулируют в пределах 0,5 – 1,5 л/мин с помощью ротаметров, установленных на входе печи [16]. Изменение расхода в указанных пределах не оказывает заметного влияния на результаты диффузии. При очень больших расходах газа появляется эрозия кремния. Скорость потока газов-реагентов (газообразных источников диффузии) определяет концентрацию легирующих примесей в кремнии; скорость потока газов-носителей влияет на стабильность температуры в трубе и на однородность концентрации газов-реагентов в той части диффузионной трубы, где помещаются пластины кремния.

Из-за вредности многих элементов, применяемых для диффузии в кремний, следует обратить особое внимание на необходимость удаления в вытяжную систему выходящих из печи газов, содержащих пары диффузанта.

Основной причиной неоднородности и невоспроизводимости результатов диффузии служит то обстоятельство, что поток в диффузионной трубу весьма неравномерен, он образует спиральные завихрения, которые при низких скоростях потока более ярко выражены [9]. Тем не менее диффузия в потоке газа-носителя широко используется в производстве полупроводниковых приборов. За последнее время диаметр пластин кремния увеличился до 10 см и более, в связи с чем было уделено особое внимание усовершенствованию аппаратуры для диффузии в потоке газа, увеличению точности поддержания таких параметров, как температура процесса, скорости потоков газов-реагентов и газов-носителей. В целях контроля и регулирования всего процесса используется ЭВМ.

Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод)

Метод диффузии в замкнутом объеме является промежуточным между методом диффузии в запаянной ампуле и методом открытой трубы. Подобно последнему методу полузакрытую ампулу помещают в печь, через которую продувается инертный газ, и давление паров диффузанта в полуоткрытой ампуле равняется атмосферному.

С другой стороны, подобно методу диффузии в запаянной ампуле, при проведении диффузии источник и кремниевые пластины находятся при одной и той же температуре, что создает известные трудности для получения диффузионных слоев с наперед заданными параметрами.

Бокс-метод обладает следующими преимуществами по сравнению с методом запаянных ампул:

1) значительно уменьшается расход кварца, так как пропадает необходимость каждый раз использовать новую ампулу;

2) уменьшается рабочий цикл, упрощается технология (ликвидируется откачка и отпайка ампул);

3) отсутствует опасность взрыва из-за расширения наполняющего ампулу газа при проведении диффузии.

Метод основан на том, что при нагревании в замкнутом объеме кремниевых пластин с окислом на поверхности и находящейся в тигле смеси SiO₂ с окислом примеси, в боксе быстро устанавливается равновесие. Окисел примеси из смеси испаряется в атмосферу бокса и абсорбируется окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание окиси примеси в окисле на поверхности кремния не станет равным его содержанию в смеси. В дальнейшем окисел примеси реагирует с кремнием по схеме:

2ЭO + Si ⇄ 2Э + SiO₂,

где ЭО – окисел примеси. Диффузия в кремний происходит не непосредственно из газовой фазы, а из слоя, являющегося поверхностным источником. Пленка окиси кремния также обеспечивает защиту кремния от эрозии.

Конструкции устройств для диффузии по бокс-методу приведены на рис. 1.7 [16]. На рис. 1.7,а устройство представляет собой вставленные одна в другую кварцевые ампулы. Внутрь ампулы с малым диаметром помещают платиновый контейнер с диффузантом и кварцевую кассету с пластинами кремния. Затем первая ампула вставляется в ампулу с большим диаметром, и вся система (полугерметичный контейнер) помещается в печь.

а) б)

Рис. 1.7. Схема устройства для диффузии примесей по методу замкнутого объема: а – ампула в ампуле; б – ампула с окном, закрываемым платиновой фольгой. 1 – силитовая печь; 2 – кварцевая ампула; 3 – лодочка с диффузантом; 4 – пластины кремния; 5 – платиновая проволока; 6 – платиновая фольга.

Другой тип полугерметичного контейнера приведен на рис. 1.7,б. Он состоит из кварцевой ампулы, у которой верхняя часть срезана по образующей цилиндра. Внутрь ампулы помещают источник примеси и кварцевые пластины. Затем края среза закрываются кварцевой крышкой. Для уплотнения между краями среза и крышкой прокладывают тонкую платиновую фольгу. Крышку закрепляют платиновой проволокой. Контейнер этого типа имеет меньшую утечку паров диффузанта, чем контейнер, состоящий из двух ампул.

При проведении диффузии важное значение имеет правильный выбор источника примеси. Во-первых, источник примеси должен обладать высокой степенью чистоты, чтобы исключить возможность загрязнения полупроводника атомами других элементов и особенно тех, атомы которых легко диффундируют в кремний. К таким элементам относятся золото, железо и цинк, являющиеся в кремнии акцепторами, и литий, обладающий донорными свойствами. Во-вторых, диффузант не должен давать нежелательных соединений с полупроводником, осложняющих процесс диффузии, и, в-третьих, диффузант по возможности не должен быть токсичным, а также дефицитным или дорогостоящим.

Источником бора в этом методе служит окись бора или борная кислота, помещаемые в специальный алундовый тигелек. Для диффузии фосфора используют P₂O₅ и его смесь с CaO. Точка плавления смеси (93% P2O5, 7% CaO) – 500°C [3].

Однородность легирования этим методом тем выше, чем ближе поверхностная концентрация примеси к предельной растворимости при температуре диффузии.

Для проведения диффузии бокс-методом кварцевую кассету с полупроводниковыми пластинами размещают вместе с диффузиантом в кварцевой ампуле с пришлифованной крышкой (составном контейнере), которую вводят в открытую кварцевую трубу, находящуюся в однозонной печи. Так же как и в методе открытой трубы, через кварцевую трубу продувают инертный газ и диффузия идет при атмосферном давлении. В данном методе предпочти­тельней выбрать источник примеси, который при температуре диффузии находится в жидком состоянии. При диффузии в кремний для этой цели чаще применяют смесь порошка легирующей примеси с диоксидом кремния. При этом на поверхности кремниевых пластин образуются легированные оксидные пленки, из которых диффузиант проникает в кремний. Метод диффузии примесей в составном контейнере обладает рядом преимуществ по сравнению с методами диффузии в замкнутом объеме и в открытой трубе. Так, по сравнению с диффузией в замкнутом объеме упрощается технология, так как отпадает необходимость в откачке и отпайке ампул, уменьшается расход дорогостоящего кварца, поскольку составной кварцевый контейнер можно использовать многократно.

По сравнению с диффузией в открытой трубе отпадает необходимость применять двухзонные печи. Кроме того, про­цесс оказывается практически не чувствительным к скорости потока газа-носителя; в целях экономии продувать газ можно с малой скоростью.

Диффузия примесей из планарных (парал­лельных) источников позволяет обеспечить хорошую воспроизводимость параметров диффузионных структур. В данном методе источник примеси, изготовленный в форме плас­тины, и пластины полупроводника размещают параллельно друг другу на расстоянии, не меньшем , где D - коэф­фициент диффузии в газовой фазе. Для того чтобы поток диффузианта по всей площади был равномерным, размеры пластин источника должны превышать размеры полупровод­никовых пластин.

При методе диффузии с использованием твердых планарных источников пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете параллельно друг другу (рис. 3), вводят в реакционную зону диффузионной печи и выдерживают в ней заданное время. Газообразный окисел легирующего элемента, выделяющийся твердым источником, диффундирует к поверхности кремния и взаимодействует с ним с образованием слоя стекла, из которого происходит диффузия примесей вглубь пластины.

В качестве источников примеси можно использовать либо сильно легированные пластины того же полупроводника, либо пластины, изготовленные из веществ, содержащих легирующую примесь. Так, при диффузии бора используют стеклообразные композиции, содержащие В₂О₃ или BN. Срок службы источ­ников, содержащих В₂О₃ (10-50%), SiO₂ (2-50%), А1₂О₃ (15-35%), MgO (15-36%), составляет 700-800 ч.

В качестве планарного источника для диффузии фосфора используют композицию SiP₂O₇, разлагающуюся при темпера­туре диффузии с выделением Р₂О₅, и инертной тугоплавкой связки. Диффузия примесей из планарных источников пред­ставляет наибольший интерес при получении однородных структур в пластинах кремния большого диаметра (75 мм и более).

Рис. 3. Установка ТПИ и пластин кремния в кварцевой кассете:

1- кварцевая кассета; 2 - ТПИ; 3 - пластины кремния; 4 - пары P₂O₅.

При создании кремниевых планарных приборов и ИМС диффузионные процессы обычно проводят в две стадии. Сна­чала одним из рассмотренных ранее способов на поверхности кремниевых пластин создают диффузионный слой с распределением примеси, подчиняющимся дополнению функции оши­бок Гаусса. Эту первую стадию процесса часто прово­дят при пониженной температуре (~1000⁰С). Затем с поверх­ности пластин удаляют образовавшийся в процессе диффузии слой бор- или фосфорсодержащего оксида. Во время второй стадии кристаллические пластины полупроводника нагревают в атмосфере, не содержащей легирующей примеси. Поэтому единственным источником примеси является тонкий диффузи­онный слой, сформированный на первой стадии процесса. Температура и длительность второй стадии процесса определяются заданной глубиной форми­рования p-n -перехода.

Рис. 4. Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника:

1 – однозонная печь; 2 – жидкий источник.

Рис. 5. Диффузия в потоке газа-носителя из твердого источника

Дата добавления: 2015-06-04