Материалы для проведения диффузиционных процессов в полупроводниках

    После «загонки» проводится этап «разгонки», при котором легирующие примеси разгоняются на заданную глубину залегания р-n-перехода. При этом используют такую комбинацию температуры и времени, при которой обеспечивается заданный профиль легирующих примесей. Процесс осуществляется в диффузионной печи в окислительной атмосфере кислорода без добавки дополнительного количества легирующих примесей.

    После проведения операции диффузии измеряются глубина залегания р-n-переходов и поверхностное сопротивление пластин. Поскольку при изготовлении интегральных микросхем диффузия применяется многократно, а глубина залегания примесей увеличивается с каждой стадией диффузии, то требуется тщательный анализ влияния этих многократных стадий. Одним из методов уменьшения глубины залегания при каждой новой стадии «разгонки» является проведение в первую очередь наиболее высокотемпературной диффузии. При этом сначала используются примеси с самым высоким показателем растворимости и малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк), а затем менее растворимые примеси с большим значением коэффициента диффузии (например, фосфор).

    Диффузионные  установки снабжаются микропроцессорами  для автоматического управления их работой, достижения большей точности легирования и создания очень тонких слоев.

 

3. Технология диффузии

    С тех пор, как метод диффузионного введения примесей в полупроводник был впервые использован для создания р—n-переходов, и до настоящего времени идет постоянное его совершенствование. Оно направлено на повышение воспроизводимости основных параметров диффузионных слоев — поверхностной концентрации примеси и толщины, на расширение диапазона их регулирования, а также на общее снижение стоимости проводимых процессов.

    В технологии интегральных микросхем для получения легированных слоев различного типа проводимости преимущественно используется высокотемпературная диффузия примесей в полупроводниковую пластину. Несмотря на то, что появились новые эффективные методы создания легированных полупроводниковых слоев (эпитаксия, имплантация), термическая диффузия остается наиболее распространенным способом в производстве интегральных микросхем.

    Теоретический анализ процесса, как правило, сводится к расчету распределения легирующей примеси в объеме твердого тела при заданных значениях температуры, времени или других граничных условиях.

     Если на поверхности  пластины кремния имеется пленка двуокиси, то образующийся, при диффузии р-n-переход обладает в несколько раз меньшей глубиной, чем это следует из теоретических расчетов, а иногда и совсем не образуется. Поверхностная концентрация может уменьшаться на несколько порядков. Исследование данного явления показало, что коэффициент диффузии примесных атомов в пленке двуокиси кремния имеет величину в 10—10³ раз меньшую, чем в объеме кремния при той же температуре (это лежит в основе использования пленки в планарной технологии). Оценочные значения коэффициента диффузии при присутствии двуокиси и без нее приведены в приложении, таблице 4. наглядно эти процессы продемонстрированы на рис. 8.

    При диффузии в кремний, поверхность  которого покрыта пленкой двуокиси кремния, атомы примеси вначале проходят через слой окисла, а затем диффундируют в объем полупроводника. Объемный поток характеризуется поверхностной концентрацией, определяемой степенью проницаемости окисной пленки.

    При наличии на поверхности полупроводника пленки окисла диффузия примесных атомов описывается двумя уравнениями:

при

при

где f и v относятся к пленке и объему полупроводника, а w – толщина окисла.

    Для правильного расчета характера  распределения диффундирующей примеси в области полупроводника, расположенной под краем «окна» в пленке двуокиси кремния, при получении р-n-перехода локальной диффузией необходимо решить неодномерное уравнение Фика. Для источника с постоянной поверхностной концентрацией примеси используют двумерное решение, справедливое для диффузии в круглые и квадратные «окна». Для источника с фиксированным количеством примесей может быть получено трехмерное решение. Так как конечные аналитические выражения очень громоздки, то для иллюстрации диффузии из источника с постоянной поверхностной концентрацией в случае двумерной задачи и из источника с фиксированным количеством примеси в случае трехмерной задачи приведены графики рис. 9, где показаны распределения концентраций примесных атомов в относительных единицах и соответственно. Эти кривые определяют положения р-n-переходов для различных уровней легирования полупроводника. Для обоих видов распределений диффузия примесных атомов идет более глубоко в направлении, перпендикулярном поверхности пластины, чем вдоль границы окисел — полупроводник.

    При расчетах предполагалось, что диффузия через пленку несущественна и что поверхностный коэффициент диффузии (вдоль границы раздела ) совпадает с объемным.

    Диффузия  из источника с постоянной поверхностной концентрацией приводит к увеличению градиента концентрации примеси на поверхности полупроводника непосредственно под окисной маской. Однако это обусловит уменьшение напряжения лавинного пробоя только при соотношении объемной и поверхностной концентраций , что практически не встречается.

    Диффузия  из источника с фиксированным количеством примеси приводит к распределению с максимальным градиентом концентрации в глубине полупроводника на достаточно большом удалении от края окисной маски. Этот максимальный градиент равен градиенту концентрации, определяемому одномерным решением уравнения Фика.

    Процесс переноса примесей через границу  раздела стеклообразный окисный источник — полупроводник сложен и до конца не изучен. Он включает в себя следующие стадии:

    1) взаимодействие полупроводникового  материала с окислом примесесодержащего вещества;

    2) окисление полупроводникового материала  диффундирующим через пленку источника кислородом газовой фазы;

    3) формирование стекла, состоящего  из окислов полупроводника и  примеси;

    4) образование (в связи с протеканием  стадии 1) на границе раздела атомов  примеси, их растворение и диффузия вглубь полупроводника;

    5) перемещение границы раздела источник — полупроводник вглубь полупроводникового материала (за счет протекания процессов 1 и 2);

    6) образование в окисной фазе  вблизи границы раздела промежуточных  окислов в связи с дефицитом  кислорода в этой области;

    7) увеличение толщины окисной фазы в связи с продолжающимися осаждением примесесодержащего окисла и окислением полупроводникового материала.

    

    Все эти стадии состоят из ряда достаточно сложных этапов, протекают одновременно и комплексно определяют результат процесса диффузии. Для случая локальной диффузии бора в Si схема диффузионного очага изображена на рис. 10.

 

4. Техника проведения процессов  диффузии

    Диффузию  проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300° С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300° С. Ниже 1000° С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300° С качество диффузионных слоев неудовлетворительно.

    Поскольку диффузионные процессы легирования полупроводниковых пластин применяются в производстве уже около 40 лет, то эти процессы достаточно хорошо изучены и построены их модели для различных условий. Предложено большое число методов диффузионного легирования, отличающихся физическим состоянием (газообразное, жидкое, твердое) источника легирующей примеси — диффузанта, способом подвода примеси к подложке, конструкцией аппарата, расположением подложек и т. п. Сравнительная оценка этих методов приведена в приложении табл. 2.

Диффузия из газовой фазы. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров.

    В достаточно узком диапазоне температур зависимость между давлением  паров р и абсолютной температурой Т выражается уравнением

где — теплота испарения; R — газовая постоянная; — константа, характеризующая данную систему.

    Молекулы  пара будут адсорбированы всеми  поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, а при достаточно большой температуре будут диффундировать вглубь. Если скорость притока новых молекул взамен ушедших в полупроводник равна или больше скорости диффузии, то в поверхностном слое устанавливается равновесная концентрация атомов, равная предельной растворимости при данной температуре. Если скорость притока новых молекул меньше или равна скорости диффузии, но концентрация атомов в паре мала, то поверхностная концентрация определяется только парциальным давлением примесного пара. В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией осуществляют путем контроля давления пара.

    Для разбавленных растворов, какими можно  считать твердые растворы примесей в полупроводниках, поверхностная концентрация С₀ связана с давлением примесных паров следующим соотношением:

где — собственная концентрация атомов полупроводника; p - давление пара над чистым примесным веществом при температуре Т; п — число атомов в молекуле паров примеси; — постоянная, характеризующая систему.

    Если  равновесие на поверхности достигается за время, меньшее чем длительность диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной.

Диффузия из жидкой фазы. При больших парциальных давлениях концентрация примеси в поверхностном слое может быть такой, что будет образовываться жидкая фаза, если позволяет диаграмма состояния. Практически различают два типа взаимодействий на поверхности: образование сплава и химическое взаимодействие.

    Примесные элементы, например Аl, In и Ga , могут быть нанесены на пластину полупроводника испарением в вакууме. При последующей диффузии на поверхности пластин в соответствии с фазовой диаграммой образуется жидкий сплав. Поверхностная концентрация определяется только термодинамическими свойствами системы примесь — полупроводник и равна предельной растворимости примеси при данной температуре диффузии.

    Второй  тип взаимодействий на поверхности  заключается в быстрой химической реакции донорной или акцепторной примеси с полупроводником. Обычно имеет место взаимодействие между полупроводником и жидкой поверхностной фазой, состоящей из окисла, например , первоначально присутствующего на полупроводнике, и донорным либо акцепторным окислом, используемым при диффузии. При температуре выдержки в реагирующей фазе устанавливается равновесная концентрация доноров или акцепторов. Скорость перехода примеси из этой фазы в полупроводник очень велика, и распределение примеси соответствует случаю источника с постоянной поверхностной концентрацией, как и при наличии сплава.

3. Диффузия из твердой фазы — это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в примыкающую к ней другую область этого же полупроводника, свободную от примеси данного типа.

    Таким образом, для диффузии из твердой  фазы характерно наличие начального резкого перепада концентраций диффундирующей примеси. Структуры со ступенчатым начальным распределением примеси получают при выращивании эпитаксиальных пленок, путем создания рекристаллизованного слоя при сплавлении и путем предварительного диффузионного или ионно-лучевого легирования тонкого поверхностного слоя полупроводника. Эти виды структур различаются по толщине легированного слоя, из которого идет диффузия.