Реферат: Диффузия при производстве ИМС

l₁ – размер окна в оксиде;

l₂ – размер полученной диффузионной области;

Dl – уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии;

x_j – глубина p-n-перехода

СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФФУЗИИ

При создании активных и изолирующих областей ИМС часто используют двухстадийную диффузию (рис. ниже).

Для этого вначале в поверхность полупроводникового материала 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводят определенное количество легирующей примеси из бесконечного источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию при небольшой глубине диффузионной области ("загонка" примеси) (рис а, б).

Первую стадию проводят при сравнительно невысоких температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла 4 (поверхностный источник), под которым формируется высо­колегированный объемный источник 3 (рис. б).

Вторую стадию - диффузионный отжиг, называемую "раз­гонкой" (рис.в), проводят предварительно удалив примесно - силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050-1230 ⁰ С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспреде­ляются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глуби­на проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной x_j . Создается требуемая диффузионная область 5. Температура и длительность второй стадии диффузии
определяются заданными параметрами p-n-перехода. Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирую­щую пленку 6 для последующей фотоли­тографии.

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 откры­ той трубе:

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 = 2P₂ O₅

на поверхности Si: 2P₂ O₅ + 5Si = 5SiO₂ + 4P.

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

4РОС1₃ +30₂ -> 2Р₂ 0₅ +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 легиро­ ванные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллическо­ го 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 (ам пульный 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 мак­ ро- и микродефекты.