Диффузия при производстве ИМС (стр. 2 из 3)

Необходимость проведения двухстадийной диффузии при легировании бором связана с тем, что требуется получать распределение со сравнительно невысокой поверхностной концентрацией, а с помощью одностадийной диффузии это не всегда удается.

Для остальных примесей двухстадийная диффузия обеспечивает заданные параметры р-n-переходов и возможность получения маскирующего оксида и предотвращение эрозии поверхности пластин при диффузии. Двухстадийную диффузию проводят различными способами .

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытойтрубе:

Он является основным для первой стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт.) загружают в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой 1 подачи газа-носителя.

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровождается реакциями:

в трубе: 2PH₃ = 3H₂ + 2P

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

на поверхности Si: 2P₂O₅ + 5Si = 5SiO₂ + 4P.

Пары жидких даффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элементов, например:

4РОС1₃+30₂ -> 2Р₂0₅+4С1₂

Диффузия из газообразных и жидких источников проводится в однозонной диффузионной печи с резистивными нагревателями 5 (см.рис.).

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (рис. б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с пластинами 4.

Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает атомы примеси и переносит их в зону расположения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффундируют в глубь кремниевых пластин.

В качестве поверхностного источника используют легированные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллического кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде.

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управлять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к пластине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположения относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10^-2 — 10^-1 Па или заполняют инертным газом и запаивают (см. рис). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200°С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1диффузионной печи с нагревателем 3.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирования до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.

После проведения процесса ампулу разрушают (вскрывают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ применяют преимущественно при диффузии мышьяка.

Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс.

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси. Преимуществом перед ампульным способом является возможность многократного применения кварцевой ампулы.

ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ

При диффузии на поверхности пластин образуются макро- и микродефекты.

К макродефектам относятся эрозионные ямки, сильно легированные "трубки", участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, неравномерность диффузионного фронта по глубине, линии скольжения.

Эрозионные ямкиобразуются при проведении диффузии в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений поверхности, связанных с испаренеием некоторых химических соединений, которые синтезируются на ней при некоторых условиях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют кислород.

Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности может привести к появлению сильно легированных "трубок", имеющих аномально высокую проводимость. «Трубки» образуются также из-за ускоренной диффузии в областях структурных дефектов кремния, например, по дислокациям.

При длительном нагреве с высокими температурами возникают термические ямки травленияиз-за роста одних кристаллографических поверхностей за счет других.

Образование второй фазыпроисходит из-за выпадения скоплений атомов металлов, таких, как медь, золото, железо или их твердых растворов в полупроводниковом материале и на дефектах типа дислокаций.

Скопление дислокаций в приповерхностном слое может вызвать и неравномерность диффузионного фронта по глубине: в местах нарушений кристаллической решетки уменьшается энергия активации и возрастает коэффициент диффузии примесей, вследствие чего глубина диффузии оказывается больше, чем в ненарушенных областях:

D = D₀ exp (-E_a/ kT).

Линии скольженияпри диффузии образуются по тем же причинам, что и при окислении, и для уменьшения их генерации необходимо использовать "мягкие" режимы нагрева и охлаждения пластин.

К микродефектам относят дислокациии дефекты упаковки.

Основной причиной возникновения дислокацийявляется внедрение в решетку полупроводникового материала примесей, размеры атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (см. табл.).

Это приводит к появлению механических напряжений растяжения или сжатия (см. рис.).

Если уровень напряжений превышает предел текучести материала, то при высоких температурах произойдет релаксация (сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической деформацией (искажением кристаллической решетки) и образованием краевых и винтовых дислокаций (см. рис.).

Дефекты упаковки образуются из-за нарушения чередования плоскостей кристаллической решетки при высокотемпературном нагреве и взаимодействии полупроводникового материала с кислородом. Дислокации и дефекты упаковки могут привести к ухудшению параметров ИМС.

Микродефекты и линии скольжения выявляют селективным травлением в соответствующих травителях в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности пластин (см..табл.).

После травления и химической обработки пластины просматривают под микроскопом при увеличении 200^х и подсчитывают число микродефектов в нескольких полях зрения. В поле зрения микроскопа дислокации и дефекты упаковки имеют вид, показанный на рисунке ниже.

Затем рассчитывают среднюю плотность дислокаций и дефектов упаковки:

N_Д = (SN_i) / nS ; i= от 1 до n

где N_д — плотность дислокаций или дефектов упаковки соответственно на 1 см²; N_i— число дефектов в поле зрения микроскопа; n — число просмотренных полей зрения; S — площадь поля зрения, см².