Диффузия при производстве ИМС

      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 1 диффузионной 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  ямки образуются 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 травления из-за роста одних кристаллографических поверхностей за счет других.

      Образование второй фазы происходит 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 скольжения при 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  дислокации и дефекты упаковки.

 

      Основной  причиной возникновения дислокаций является 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.

 

      Заполнение  линиями скольжения поверхности  кремниевых пластин оценивают по значению коэффициента заполнения, равного отношению площади заполненной линиями скольжения, ко всей площади пластин.

      Площадь, заполненную линиями скольжения, определяют под пучком осветителя с помощью шаблона-сетки по суммарному числу ячеек этой сетки, в которые попадают линии скольжения. Площадь одной ячейки 25 мм². Макродефекты анализируют под микроскопом без травления.

      Поверхность после диффузии считается качественной, если плотность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах 10¹ -10² см^-2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более 0,05; эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах 5 - 10 % от средней толщины слоя.

 

      Контроль  диффузионных слоев  проводят по следующим  параметрам:

 
      

• глубина залегания  p-n-перехода,
• удельное поверхностное сопротивление,
• поверхностная концентрация примеси и
• профиль распределения примеси.

 

      Наиболее  распространенным методом контроля глубины залегания р-п-перехода является   метод  окрашивания (химического декорирования)     сферического шлифа.

 

      Сферический шлиф изготовляют с помощью вращающегося стального шара диаметром 35 — 100 мм, смазанного алмазной пастой зернистостью < 1 мкм, к которому прижимают рабочую сторону контролируемой пластины 3 (см. рис. ниже).

 

 
 

   Глубина   сферической  лунки  1   должна  превышать  глубину p-n-перехода x_j. Границу р-n-перехода выявляют химическим окрашиванием p-области 5 в концентрированной фтористоводородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окрашивания n-области используют водный раствор медного купороса CuS0₄  • 5Н₂0 с добавкой 0,1 % концентрированной HF. Легированные диффузией области кремния р-типа после окрашивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а области n-типа - покрыты осажденной медью.

      На  окрашенных шлифах под микроскопом  измеряют длину l хорды 4, по которой определяют глубину залегания р-п-перехода (толщину диффузионного слоя 2): X_j = l² / (4D) , где D - диаметр шара.

      Погрешность метода ~ 10 % в диапазоне глубин от 2 до 10 мкм.

 

      Метод окрашивания сферического шлифа  непригоден для контроля глубины мелких (< 1 мкм) р-n-переходов из-за большой погрешности. В этом случае используют фотоэлектрический метод сканировании поверхности цилиндрического шлифа сфокусированным лазерным пучком (зондом) с регистрацией кривых фототока (фотоответа) и интерференции.

 

      Используют  установку ЛПМ-11 с длиной волны излучения X = 0,44 мкм, оптико-механическим узлом, предметным столом и регистрирующим прибором (самописцем).

        Этим методом можно также контролировать ионно-легированные и эпитаксиальные p-n-переходы глубиной 0,2-10 мкм с погрешностью ~ 3 %.

 

      Поверхностное сопротивление  диффузионного слоя R_s измеряют четырехзондовым методом (см. рис. ниже).

 

      

  Ток I пропускают между внешними 1 зондами и измеряют падение напряжения U между внутренними 2 зондами.  Затем рассчитывают R_s = (U/I) ^. K , где

К - коэффициент коррекции, зависящий от размеров а образца и расстояния S между зондами. При большом отношении (a/S) этот коэффициент равен 4,53, т. е.

R_s = 4,53 U/I.

 

      Воспроизводимость метода составляет ± 2 % при стабильных значениях давления на зонды и уровня тока.

      Для определения поверхностной концентрации N_s легирующей примеси необходимо знать характер распределения примеси в диффузионной области. Существуют графики (кривые Ирвина), связывающие поверхностную концентрацию и среднее удельное сопротивление r, рассчитанные для диффузионных профилей.

      Среднее значение удельного сопротивления  находят по формуле:

      r = R_s х_j

а затем  по кривым Ирвина или таблицам определяют N_s.