Диффузия при производстве ИМС

МЕХАНИЗМ  ДИФФУЗИИ

      Для легирования поверхности полупроводниковых  пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное легирование. Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования. 

      Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой температурой. 

      Атомы электрически активных примесей, проходя  через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n-типа электропроводности. Методом диффузии формируют активные, пассивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локальную диффузию с применением защитных масок из диэлектрических пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.

      Возможны  четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный.

      Вакансионный  механизм обусловлен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакансий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом полупроводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным, то происходит самодиффузия, а если примесным - примесная диффузия.

      При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наиболее вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоузлиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах.

      Если  движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то  такой механизм перемещения собственных или примесных атомов называют механизмом непрямого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом.

      Если  межузельный атом вытесняет атом, находящийся находящийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называется краудионным.

      Диффузия  в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный радиус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в кремнии), их диффузия происходит по механизму прямого перемещения атомов по междоузлиям. 

ВИДЫ  И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ 

      В качестве легирующих примесей используют элементы Ш и V групп периодической системы. Для кремния — это бор (В) — акцепторная примесь, создающая области р-типа электропроводности, фосфор (Р), мышьяк (As) и сурьма (Sb) — донорные примеси, создающие области n-типа.

      Акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные из-за меньшего ионного радиуса. Количество примеси, которое можно ввести в пластину, не превышает ее предельной растворимости при данной температуре в кремнии (см. табл.). 

      Важное  значение имеет диффузия неконтролируемых примесей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых пластин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств активных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного реактора неконтролируемых примесей. 

      Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные.  

      Так, источниками бора служат: твердые — В₂0₃ и Н₃В0₃, жидкий ВВг₃, газообразные — галогениды бора ВС1₃, BF₃, ВI₃ и диборан В₂Н_б. 

      Источниками фосфора являются: твердые – P₂O₅, фосфаты аммония NH₄H₂PO₄ и (NH4)₂HP0₄, изредка элементарный красный фосфор, жидкие - РОС1₃, РВr₃ и РС1₃, газообразный — фосфин РН₃.

      В качестве источников мышьяка применяют: твердые - порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, оксид мышьяка As₂O₃ и газообразный AsH₃.

      Для диффузии сурьмы используют твердые источники -триоксид сурьмы Sb₂0₃, газообразный SbH₃ (стибин).

      Измельченные  частицы твердых источников помещают в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора. Для подачи жидких источников в зону диффузии используют специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реактор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом-носителем в заданных пропорциях. Основным недостатком при использовании газообразных диффузантов является их токсичность, в связи с чем необходимы специальные конструкции герметичных реакторов. Однако при использовании газообразных диффузантов легче дозировать количество вводимой примеси и получать более высокую равномерность легирования.

      Находят применение также поверхностные источники примеси — слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверхность полупроводниковых пластин из жидких растворов -эмульситонов.

      В последнее время в качестве источников примеси используют пластины из материалов, содержащих легирующую примесь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры, что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота с кислородом. С течением времени поверхность источников покрывается слоем оксида, препятствующего испарению примеси. Поэтому их периодически подвергают регенерации. Использование пластин-источников позволяет получать высокую равномерность легирования поверхности рабочих пластин.

      При взаимодействии с поверхностью пластин  источник примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверхности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным, токсичным, взрывоопасным. 
 

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ

ИЗ  БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО  ИСТОЧНИКОВ 

      При формировании ИМС встречаются два  случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников.  

      Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине р-n-перехода (см. рис.). 

        

      При использовании ограниченного  источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается. 

      Показанное  на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей. 

      При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (см.рис.), которое увеличивает размеры диффузионной области на Dl и влияет на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерами окон ширина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения Dl могут достигать 0,8 x_j. 

 

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 ⁰С. 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 открытой 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 = 2P₂O₅ 

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

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