Условия пиролиза некоторых элементоксиорганических соединений

Соединение	Состав окисной пленки	Температура, °С	Давление, мм рт. ст.
Этилтриэтоксисилан C2H5Si(OC2H5)3	SiO2	700	780
Тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si	SiO2	740	1000
Трибутоксиалюминий (C4H9O)3Al	Al2O3	660	1100
Тетраэтоксититан (C2H5O)4Ti	TiO2	600	820
Трибутилборат (C4H9O)3B	B2O3	450	760

Кроме давления и температуры на кинетику процесса пиролитического разложения существенное влияние оказывает состав газовой среды. Экспериментально установлено, что винилтриэтоксисилан разлагается при 600-700°С, а тетраэтоксисилан - при 728-840°С. Введение же кислорода в качестве газа-переносчика в реакционное пространство позволяет снизить температуру деструкции указанных кремнеорганических эфиров до 350°С.

Методом пиролиза можно также получать пленки, состоящие из окислов двух и более элементов. При использовании стеклообразующих окислов можно получать стекловидные пленки. Пластина с нанесенным легированным окислом помещается в печь с потоком нейтрального газа, и при температуре осуществляется диффузионная выдержка. Если несущий газ содержит кислород, то граничащие с кремнием слои источника могут обедняться за время порядка 1 ч. При использовании в качестве лигатуры триметилбората возможно получение поверхностной концентрации бора от 10¹⁸ до 10²⁰ см-³, а в случае применения трипропилбората поверхностная концентрация может меняться в пределах от 10¹⁷ до 10¹⁹ см-³. Окислы, легированные триметилфосфатом, позволяют менять поверхностную концентрацию фосфора от 10¹⁹ до 2•10²⁰ см-³. (Все эти данные для диапазона температур 1100 - 1300°С.) Метод позволяет обеспечить довольно малый разброс поверхностной концентрации (4 - 5 %).

Однако поскольку перенос вещества, содержащего диффузант, осуществляется в газообразной среде, этому методу присущи некоторые недостатки, связанные в первую очередь с процессом переноса компонент осаждаемого слоя. К их числу следует отнести следующие:

1. Трудность обеспечения точной дозировки примеси. Количество осаждаемой примеси по указанному методу определяется расходом газа, температурой смеси органосилана и легирующего вещества, температурой полупроводниковой пластины, временем проведения процесса. Точность дозировки примеси определяется точностью поддержания указанных параметров.

2. Неравномерность распределения диффузанта по поверхности полупроводниковой пластины, вызываемая турбулентностью потока компонент в реакторе.

3. Нелинейность зависимости количества диффузанта в осаждаемом слое от процентного содержания смеси.

4. Длительность процесса нанесения и сложность используемого оборудования для пиролитического разложения, обеспечивающего высокую чистоту процесса.

Источники, полученные осаждением пленок стекла из пленкообразующих растворов

Для создания силикатных пленок в сравнительно "мягких" условиях представляется перспективным применение пленкообразующих растворов, содержащих соединения, разлагающиеся при сравнительно низких температурах. Это могут быть продукты гидролитической поликонденсации таких кремнеорганических эфиров, как, например, этиловый или бутиловый эфир ортокремневой кислоты, либо таких соединений, как диметилэтоксихлорсилан, которые при гидролитической поликонденсации образуют силоксановые цепи, склонные образовывать полимеры. Если нанести подобный раствор на твердую поверхность, то после испарения растворителя на поверхности останется пленка. Последующая кратковременная термоокислительная деструкция при температурах 250 - 700°С превращает пленку в стекловидную.

Наиболее известным методом получения пленок SiO₂ из пленкообразующих растворов является метод, когда в качестве исходных кремнийорганических соединений используются алкоксисиланы. По своей химической структуре эти соединения представляют собой гидрид кремния, в котором все атомы водорода замещены радикальными группами. Например, в тетраэтоксисилане (ТЭС) Si(OC₂H₅)₄ эти группы имеют состав (OC₂H₅). Следует заметить, что тераэтоксисилан имеет несколько синонимов, наиболее распространенными являются: этилсиликат, этиловый эфир ортокремневой кислоты, тетраэтоксикремний, тетраэтилоксисилан, тетраэтилортосиликат, промышленное название - этилсиликат-40 (40 % SiO₂). Другие этоксисиланы содержат одну-три группы (OC₂H₅), а остальные радикалы у кремния замещены какими-либо другими органическими группами. При нормальных условиях эти соединения представляют собой жидкости, пары которых разлагаются в диапазоне 600 - 900°С. Процесс получения пленок SiO₂ осуществляется в три стадии: получение пленкообразующего раствора, нанесение пленки и ее термодеструкция. Рассмотрим его на примере использования в качестве исходного соединения тетраэтоксисилана Si(OC₂H₅)₄.

При получении пленкообразующего раствора вначале осуществляют гидролиз исходного соединения:

Далее, вводя катализатор (соляную кислоту), осуществляют реакцию поликонденсации гидроксильных групп с образованием силоксановых связей:

- Si - OH + HO - Si - > - Si - O - Si - + H₂O.

В результате этой реакции раствор приобретает пленкообразующие свойства. В раствор могут вводиться растворитель (ацетон, этиловый спирт), а также легирующие элементы, например в виде азотнокислых солей.

Для нанесения этих пленкообразующих растворов на поверхности разработаны разные способы:

1. Погружение покрываемой пластины в пленкообразующий раствор. Способ наиболее экономичен. Толщина образующейся пленки зависит от многих факторов, среди них такие, как концеттрация раствора, скорость подъема пластины, угол наклона ее относительно поверхности раствора, вязкость раствора. Образование пленки сразу же и фиксируется изменением интерфененционной окраски. Особенностью этого способа является опускание уровня раствора (а не извлечение пластины из раствора).

2. Распыление или пульверизация пленкообразующего раствора. Этот способ менее экономичен вследствие большого расхода жидкости, требует тонкого распыления до едва заметного тумана. Раствор обычно напыляют на нагретую до 100 - 400°С пластину. Модификация этого метода состоит в том, что покрываемая пластина вращается, а на нее последовательно направляют сопла, распыляющие пленкообразующие растворы.

3. Нанесение пленкообразующего раствора пипеткой на выпуклую или плоскую поверхность, которая вращается с фиксированной скоростью. В этом случае расход раствора незначителен. Пленка формируется сразу же по мере испарения легколетучих растворителей еще в период центробежного разбрасывания раствора в результате вращательного движения, сообщенного пластине. Затем может быть применена термообработка пленки.

Наиболее применимым в технологии изготовления СЭ на сегодняшнее время является метод центрифугирования, когда пипеткой на полупроводниковые пластины наносится раствор заданного состава.

Приготовление пленкообразующих растворов, их нанесение и термодеструкция

Технология приготовления пленкообразующих растворов, их нанесение и термодеструкция играет исключительно важную роль в процессе создания диффузионных слоев данным методом. Например, получение пленкообразующих растворов проводится путем проведения гидролиза этилового эфира ортокремневой кислоты в две стадии. Процесс осуществляют путем смешивания 130 мл этилового эфира ортокремневой кислоты (ТЭС) с 60 мл 86 %-ного спирта, 20 мл воды и 2 капель концентрированной соляной кислоты. Через час к раствору приливают еще 90 мл ТЭС, и раствор оставляют на сутки при комнатной температуре. Для получения более глубоко гидролизованного продукта вносят 20 мл разбавленной (1: 5) соляной кислоты в 100 мл полученного раствора и через час вливают при перемешивании 100 мл воды.

Другим методом пленкообразующий раствор получают осуществляя гидролиз ТЭС солятой кислотой в количестве 0,6 мл плотностью 1,19 в 98 %-ном этиловом спирте. При этом на 0,04 - 0,12 г-моля HCl берется 1 г-моль ТЭС и 4 моля воды. В качестве растворителя применяют также ацетон. В таком растворе пленкообразующие свойства проявляются не сразу, а токда, когда в основной массе пленкообразующего раствора вместо ТЭС будет находиться продукт его гидролитической поликонденсации Si₂O(OC₂H₅)₆ и небольшое количество соединений, содержащих 3, 4 или 5 атомов кремния. При нанесении этих растворов на вращающуюся подложку испаряются летучие компоненты и образуется оводненная полиэфирная пленка, которая последующим прогреванием при 230°С и более высоких температурах превращается в кремнеземную.

Широкое практическое применение пленкообразующих растворов для получения силикатных пленок затруднено отсутствием данных об их свойствах. В литературе имеются лишь отрывочные, единичные сведения по рецептуре их приготовления. Способность этих растворов изменять свои свойства во времени также, видимо, затрудняет их использование.

Весьма легко осуществимо применение растворов неполностью полимеризованного ТЭС для создания пленки на полупроводниковом кремнии. Для этого необходимо провести частичную гидролитическую поликонденсацию ТЭС смесью, содержащей н-бутиловый спирт, воду, кислоту, этиловый спирт, диоксан и др. Например, можно исходить из следующих соотношений: на 1 моль ТЭС взять 2 - 6 молей этилового и 4 - 7 молей н-бутилового спирта, 6 - 8 молей воды и несколько десятитысячных моля соляной кислоты. Смешать компоненты растворителя (спирты, вода и кислота), а затем при перемешивании внести необходимое количество ТЭС. Возможность получения пленки из этих растворов устанавливают опытным путем. Для этого через определенные промежутки времени наносят ~ 0,5 мл раствора на полированную пластину кремния, закрепленную вакуумным присосом на оси центрифуги, сообщают ей вращательное движение. Появление интерференционной окраски и равномерное распределение пленки по поверхности - признак того, что раствор годен к применению. Сроки хранения и склонность к образованию пленки различны для растворов, отличающихся между собой соотношением компонентов. Для каждого состава рабочего раствора эти сроки устанавливаются экспериментально при строго фиксированной скорости вращения пластины. При длительном хранении растворов процесс гидролиза проходит глубже. Это ведет к увеличению вязкости раствора и, следовательно, получению более толстых пленок при той же скорости вращения пластины.

Промежуток времени от момента возбуждения гидролиза до появления пленкообразующих свойств, связанных с химическими и структурными превращениями, получил название времени созревания растворов. Созревшие растворы пригодны для нанесения последовательно большого количества слоев. При этом следует проводить между нанесением слоев промежуточную термообработку при 600 - 800°С в течение 1 мин. Таким путем можно увеличить толщину пленки, например от 0,3 до нескольких микрометров. Созревание растворов сменяется старением. На этой стадии растворы теряют подвижность, исчезают их пленкообразующие свойства.

Влияние на скорость процесса гидролитической поликонденсации ТЭС таких факторов, как состав гомогенной среды, количество этилового спирта, воды и кислоты хорошо прослеживается по тому, как меняется динамическая вязкость во времени при изменении этих факторов.

Установлено, что процесс, приводящий к появлению пленкообразующих свойств у растворов, протекает быстрее при увеличении количества взятой воды, уменьшении кислотности среды и уменьшении количества этилового спирта. Замена ацетона простыми спиртами также усиливает процесс гидролиза, при этом чем выше молекулярный вес спирта, тем сильнее это проявляется.

Более равномерные по толщине пленки получаются тогда, когда гомогенной средой является смесь бутилового и этилового спиртов или бутилового спирта и ацетона. В связи с этим обстоятельством представляется особенно целесообразным применение в качестве гомогенной среды смеси указанных растворителей в соотношениях 2: 1, 1: 1, 1: 2.

Пленкообразующие растворы со временем становятся более вязкими и поэтому толщина получаемых пленок тоже возрастает. Кроме того, толщина получаемой пленки зависит и от скорости вращения центрифуги.

Таким образом, для получения пленок одинаковой толщины следует использовать растворы одинакового возраста и наносить их при одном и том же числе оборотов центрифуги.

Приготовление растворов, предназначенных для получения многокомпонентных силикатных пленок, содержащих бор, фосфор, мышьяк, золото или другие элементы, осуществляется путем проведения гидролитической поликонденсации ТЭС с введением соответствующих солей или их соединений. Основное условие при этом - возможность растворения солей или других соединений в гомогенной среде и низкие температуры их разложения. Как известно, этими качествами обладают перечисленные выше азотнокислые соли. В процессе приготовления растворов сначала растворяют соли в смеси воды с органическими растворителями, затем вливают ТЭС. Если количество солей составляет 3 - 7 % от общей массы раствора, то раствор становится пленкообразующим через 30 мин.

Качество получаемой из растворов пленки зависит от чистоты покрываемой поверхности, чистоты воздуха в помещении, где наносят пленки, срока хранения растворов и скорости вращения подложки.

Окончательное формирование стекловидной пленки, т.е. проведение термодеструкции полимера осуществляется в атмосфере воздуха при 600 - 800°С в течение 1 мин. Этот процесс осуществляют в электрической печи, применяемой обычно для проведения диффузии примесей из пленки в полупроводник. Температура деструкции поддерживается с точностью ± 10°С.

До термодеструкции пленка может быть названа полимером, в котором равномерно распределены молекулы введенных солей. В процессе термодеструкции происходит одновременно окисление полимера и превращение его в кремнезем, разложение азотнокислых солей или других соединений. Следует отметить, что эти процессы протекают при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры формирования стекловидных пленок из смеси порошков. Такое резкое снижение температуры формирования стекловидных пленок из растворов обусловлено применением растворов, в которых будущая твердая фаза находится в состоянии молекулярной дисперсности. Это обстоятельство делает весьма перспективным применение пленкообразующих растворов полиоксисоединений кремния в технологии создания солнечных элементов. Кремнеземные пленки, легированные примесями, могут служить источником примесей при осуществлении их диффузии в полупроводник.

Метод получения пленок из пленкообразующих растворов с помощью центрифужного нанесения может применяться только для создания тонкослойных покрытий на плоских образцах и на пластинах с неглубоким рельефом поверхности. Состав получаемых пленок лимитируется растворимостью исходных компонентов в спирте и в воде.

Преимущество способа заключается в том, что он позволяет получать при низких температурах силикатные пленки, богатые кремнеземом (30 - 99,9 % SiO₂), т.е. те составы, которые требуют температуры выше 1100°С для наплавления на поверхность полупроводника из смеси порошков. При температуре выше 1100°С уже могут возникать нарушения электрофизических свойств у полупроводниковых структур.

Предлагаемый способ достаточно прост, легко вписывается в технологию, применяемую обычно при изготовлении полупроводниковых устройств, и поэтому не требует дополнительного оборудования.

Диффузия бора и фосфора в кремний из пленок двуокиси кремния, полученных из пленкообразующих растворов

Способ диффузии из легированных слоев двуокиси кремния, полученных путем осаждения из пленкообразующих растворов лишен недостатков, присущих методу, основанному на пиролитическом разложении органоксисиланов. Этот способ получения пленки, содержащей диффузант обладает следующими преимуществами:

1. Высокая точность дозировки примеси в окисном слое. Дозировка примеси определяется лишь концентрацией содержащего диффузант вещества в исходном растворе. Точность этой концентрации зависит только от точности взвешивания на аналитических весах и точности приготовления раствора.

2. Возможность плавной регулировки поверхностной концентрации примесей в широком диапазоне.

3. Равномерность распределения диффузанта по поверхности пластины. Высокая равномерность обусловлена тем, что в процессе получения пленки не используется присущий известным способам диффузии перенос диффузанта с помощью газообразного потока. Неравномерность диффузанта может быть вызвана лишь недостаточной гомогенностью раствора и неоднородностью толщины наносимой пленки. Подбором соответствующего режима центрифугирования и пульверизации удается получить достаточно высокую равномерность толщины пленки по пластине.

4. Малая длительность процесса и простота используемого оборудования.

В качестве диффузантов для диффузии фосфора может использоваться фосфорный ангидрид, для диффузии бора - борный ангидрид, также есть сведения, что при диффузии фосфора может быть использована ортофосфорная кислота.

Для достижения заданного уровня легирования полупроводника примесью при диффузии из окисных пленок, полученных осаждением из пленкообразующих растворов, важно знать зависимость концентрации примеси в пленке от весового процентного содержания ангидрида диффузанта в пленке.

Экспериментальные исследования показали, что для некоторых веществ-диффузантов существует предельное значение их весового содержания в растворе, выше которого гомогенность раствора нарушается. С целью получения достаточной воспроизводимости процесса диффузии весовое содержание вещества-диффузанта должно быть взято ниже того предельного значения, которое приведет к насыщению раствора.

Далее будут приведены результаты исследований по диффузии бора и фосфора из стекловидных пленок, полученных нанесением из раствора способом, изложенным выше.

Было показано, что толщина наносимых пленок, содержащих B₂O₃, зависит от содержания в них борного ангидрида и скорости вращения центрифуги. Наблюдалось увеличение толщины пленки с увеличением содержания борного ангидрида, что, по-видимому, обусловлено ростом суммарной концентрации компонентов и вязкости пленкообразующего раствора.

Регулирование поверхностной концентрации примеси в широких пределах помимо изменения количества легирующего компонента в исходном пленкообразующем составе можно производить также с помощью состава окружающей среды, в которой проводится диффузия. Изменения поверхностной концентрации в процессе диффузии с использованием различных газов могут быть объяснены химической сущностью процесса восстановления окисла примеси. Эти окислы используются в качестве транспортирующих агентов и для осуществления легирования кремния элементарной примесью должны восстанавливаться на поверхности раздела SiO₂ - Si.

Если R обозначить химическую примесь, а RO - его окисел, то процесс восстановления протекает по формуле 2RO + Si → SiO₂ + 2R. Характер изменения свободной энергии этой реакции говорит о том, что прямая реакция диссоциации окисла 2RO → 2R + O₂ при этом исключается. Одновременно с реакцией восстановления происходит также и окисление кремния по формуле Si + O₂ → SiO₂.

При увеличении концентрации кислорода третья реакция смещается вправо, уменьшая концентрацию кремния. Это в свою очередь вызывает затем сдвиг первой реакции влево и тем самым понижает концентрацию первоначальной примеси, использующейся в процессе диффузии. Если диффузионный процесс проводится в атмосфере кислорода, то, кроме того, по мере повышения в окружающей среде концентрации кислорода происходит формирование окисла на поверхности раздела легированного окисла и кремния и концентрация на поверхности еще более уменьшается.

Как показали исследования, с ростом содержания фосфорного ангидрида толщина пленки существенно увеличивается, что обусловлено повышением вязкости раствора. Пленки обладают прочным сцеплением с покрываемой поверхностью и легко травятся в слабом растворе плавиковой кислоты.

Технология диффузии примесей в кремний

Вы*бор подходящего источника диффузии зависит от метода проведения диффузии. К примеру, любое соединение бора, также как и элементарный бор, может служить источником диффузии бора в зависимости от выбранного метода. Однако оптимальные результаты можно получить только при комплексном решении проблемы, включающем выбор источника, метода диффузии и соответствующего оборудования. Поэтому в связи с созданием или усовершенствованием источника диффузии целесообразно рассмотреть современные методы диффузии и основные рекомендуемые для них источники.

В настоящее время можно выделить два основных направления, в рамках которых группируются методы получения однородной и регулируемой поверхностной концентрации с хорошей воспроизводимостью результатов:

- нанесение диффузанта на пластины кремния в ходе диффузии; при этом разрабатываются методы регулирования количества соединения примеси в атмосфере, окружающей кремниевые пластины во время диффузии;

- нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии; здесь основное внимание уделяется методам регулирования количества соединения примеси, наносимой на пластины перед диффузией, а также путям повышения степени однородности нанесенного слоя.

Первое направление отличается большим разнообразием путей транспортировки диффузанта к пластинам кремния, а также сложностью технологической оснастки и вспомогательных процессов. Наибольшего применения в электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и микросхем получил метод открытой трубы в потоке газа-носителя..

Второе направление - нанесение диффузантов на полупроводниковые пластины перед высокотемпературной термообработкой. Оно требует несложного технологического оборудования. Диффузия проводится в открытой трубе, чаще всего на воздухе.

Диффузия в запаянной и откачанной кварцевой ампуле

При проведении диффузии в замкнутом объеме пластины кремния помещаются вместе с некоторым количеством примеси в ампулу из кварца, которая откачивается до 10^?4 - 10^?5 мм рт. ст. и отпаивается. В некоторых случаях ампула заполняется перед отпайкой чистым инертным газом. Затем ампулу помещают в камерную силитовую печь, нагретую до температуры, при которой проводится диффузия. Вследствие возгонки легирующего элемента в ампуле создается давление паров примеси. Атомы легирующей примеси адсорбируются на поверхности кремниевой пластины и диффундируют в поверхностные слои полупроводника. При таком методе практически всегда соблюдаются условия, при которых количество атомов примеси в паровой фазе много больше количества атомов примеси, диффундирующих в кремний. Поверхностную концентрацию примеси можно менять в широких пределах, меняя концентрацию примеси в газовой фазе, т.е. давлением паров диффузанта, температуру диффузионного процесса и время диффузии.

В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара диффузанта, и контроль давления пара является удобным средством управления поверхностной концентрацией примеси. Необходимо заметить, что равновесная поверхностная концентрация устанавливается не сразу, а в течение некоторого времени, иногда достаточно большого. Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее, чем время диффузии, то поверхностную концентрацию можно считать постоянной. При проведении процесса диффузии в закрытой ампуле такое условие в большинстве случаев соблюдается, поэтому распределение примеси описывается дополнительной функцией интеграла ошибок.

Иногда при диффузии в откачанной ампуле на поверхности кремниевой пластины может образовываться слой двуокиси кремния, который будет препятствовать диффузии атомов примеси в кремний.

При определенных условиях, например, в случае больших парциальных давлений, концентрация примеси может быть такой, что на поверхности пластины будет образовываться слой вещества в жидкой фазе, который может также препятствовать диффузии атомов примеси в полупроводник.

Если в качестве диффузанта используют элемент, обладающий очень высоким давлением пара при температуре диффузии (например, фосфор), то используют замкнутую систему, представляющую собой откачанную ампулу с отростком. В отростке находится источник примеси, температура которого может регулироваться независимо от температуры пластин кремния. Такая же ампула с отростком может быть использована в случае применения диффузанта с низким парциальным давлением при температуре диффузии, когда необходимо в широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси на пластинах кремния.

При проведении диффузии в закрытом объеме следует учитывать зависимость давления паров диффузанта от температуры. Для некоторых примесей (фосфор, мышьяк, сурьма) при высокой температуре давление паров настолько сильно увеличивается, что ампула может разорваться.

Поверхностная концентрация примеси, полученная в системе запаянной ампулы, соответствует предельной растворимости примеси при температуре диффузии; поскольку источник бесконечен, его поверхность должна быть намного больше поверхности системы в состоянии равновесия. В этом случае, например, используется гранулированный источник примеси. Продолжительность диффузии также должна быть значительной, чтобы и поверхность подложки, и стенки ампулы находились в равновесии. Поэтому такая система больше подходит для формирования глубоких слоев, поверхностная концентрация которых не ниже максимальной растворимости примеси при температуре диффузии в кремнии.

Хотя этот метод и позволяет получить достаточно высокие значения поверхностной концентрации, тем не менее для получения заранее заданной величины, а также невысоких значений поверхностной концентрации он ненадежен, в частности, из-за взаимодействия диффузанта с материалом ампулы.

При диффузии в ампулах пригодны газообразные, жидкие и твердые источники примеси, например BF₃ и B₂O₃, элементарный красный фосфор, P₂O₅, PCl₃ или PH₃, а также измельченный в порошок кремний или его диоксид, содержащие достаточное количество примеси.

Недостатки метода диффузии в замкнутом объеме заключаются в следующем:

1) невозможность раздельного управления поверхностной концентрацией и температурой диффузии;

2) сравнительно низкая производительность и большой расход дорогостоящего плавленного кварца, так как после каждого процесса диффузии ампула разбивается для извлечения из нее пластин кремния.

Диффузия в запаянных ампулах не нашла широкого применения из-за низкой производительности и недостаточной воспроизводительности результатов.

Метод открытой трубы

Метод диффузии в открытой трубе лишен указанных выше недостатков метода диффузии в запаянной ампуле. В этом методе в высокотемпературную печь помещается кварцевая труба с пластинами кремния, выходной конец которой открыт в атмосферу. Через входной конец трубы подается газ (необязательно инертный), в который из первичного источника диффузии поступают соединения примеси. Источник примеси может быть твердым, жидким или газообразным. В первых двух случаях необходимое давление паров получают, подогревая первичный источник. Наиболее широко используются такие источники диффузии, как H₃BO₃, BBr₃, BCl₃, B₂H₆, P₂O₅, (NH₄)₃PO₄, POCl₃, PBr₃, PH₃.

Камера представляет собой кварцевую (или керамическую) трубу, снабженную резистивными нагревателями. Крайние секции поддерживают малый градиент температуры, обеспечивающий средней секции рабочую температуру до 1250°С с высокой точностью (до ± 0,25°С). Именно в этой части камеры на кварцевом (или керамическом) держателе располагаются обрабатываемые пластины, имеющие на рабочей поверхности оксидную маску. При выполнении загонки примеси или одностадийного процесса диффузии в камеру из внешнего источника непрерывно подается диффузант, представляющий смесь легирующей примеси (акцептор бор или донор фосфор) с транспортирующим газом (аргон). Такая установка используется при диффузии из жидких и газообразных источников.

В случае применения жидкого источника если газ насыщен примесью, то его концентрация в кремнии зависит только от температуры жидкого источника и рабочей температуры диффузии, но не от потока. Если в качестве жидких источников применяются галогены, то это способствует уменьшению загрязнения реактора ионами металлов и формированию бездефектных областей, содержащих активные элементы. Однако при этом возможно локальное растворение полупроводника и появление матовости на поверхности кремниевых пластин.

Однородность поверхностной концентрации примеси в кремнии при постоянной температуре диффузии определяется распределением давления паров образующегося окисла примеси в рабочей зоне диффузионной печи.

При работе с газообразным источником диффузанта используют баллон, содержащий смесь PH₃ (или B₂H₆) и инертного газа, например аргона. Газом-носителем может служить азот в смеси с кислородом.

При диффузии методом открытой трубы с использованием твердого источника тигель с источником в виде порошка находится в реакторе со стороны подачи газа-носителя перед лодочкой с пластинами кремния (или даже под ней). Однородность легирования в сильной степени зависит от давления паров источника, поэтому для его регулирования температура последнего устанавливается ниже температуры диффузии путем использования печи с двумя нагревательными камерами. Состав несущего газа должен быть таким, чтобы не происходило окисления пластин полупроводника. Пленка окиси, если она образуется, может препятствовать проникновению примеси внутрь образцов кремния.

Наблюдаются случаи, когда в трубчатой двухзонной печи при использовании в качестве газов-носителей аргона или азота происходит эрозия поверхности кремния. Это явление может быть устранено, если добавить в газ-носитель небольшое количество кислорода. Для этого на входе в кварцевую трубу имеются два подводящих газ патрубка. По одному из них может подаваться основной инертный газ-носитель, по другому - кислород (или пары воды). При входе в трубу эти газы перемешиваются и затем поступают в зоны печи, где находятся диффузант и кремниевые образцы.

Обычно расход газа-носителя регулируют в пределах 0,5 - 1,5 л/мин с помощью ротаметров, установленных на входе печи. Изменение расхода в указанных пределах не оказывает заметного влияния на результаты диффузии. При очень больших расходах газа появляется эрозия кремния. Скорость потока газов-реагентов (газообразных источников диффузии) определяет концентрацию легирующих примесей в кремнии; скорость потока газов-носителей влияет на стабильность температуры в трубе и на однородность концентрации газов-реагентов в той части диффузионной трубы, где помещаются пластины кремния.

Из-за вредности многих элементов, применяемых для диффузии в кремний, следует обратить особое внимание на необходимость удаления в вытяжную систему выходящих из печи газов, содержащих пары диффузанта.

Основной причиной неоднородности и невоспроизводимости результатов диффузии служит то обстоятельство, что поток в диффузионной трубу весьма неравномерен, он образует спиральные завихрения, которые при низких скоростях потока более ярко выражены. Тем не менее диффузия в потоке газа-носителя широко используется в производстве полупроводниковых приборов. За последнее время диаметр пластин кремния увеличился до 10 см и более, в связи с чем было уделено особое внимание усовершенствованию аппаратуры для диффузии в потоке газа, увеличению точности поддержания таких параметров, как температура процесса, скорости потоков газов-реагентов и газов-носителей.

Диффузия в замкнутом объеме (бокс-метод)

Метод диффузии в замкнутом объеме является промежуточным между методом диффузии в запаянной ампуле и методом открытой трубы. Подобно последнему методу полузакрытую ампулу помещают в печь, через которую продувается инертный газ, и давление паров диффузанта в полуоткрытой ампуле равняется атмосферному.

С другой стороны, подобно методу диффузии в запаянной ампуле, при проведении диффузии источник и кремниевые пластины находятся при одной и той же температуре, что создает известные трудности для получения диффузионных слоев с наперед заданными параметрами.

Бокс-метод обладает следующими преимуществами по сравнению с методом запаянных ампул:

1) значительно уменьшается расход кварца, так как пропадает необходимость каждый раз использовать новую ампулу;

2) уменьшается рабочий цикл, упрощается технология (ликвидируется откачка и отпайка ампул);

3) отсутствует опасность взрыва из-за расширения наполняющего ампулу газа при проведении диффузии.

Метод основан на том, что при нагревании в замкнутом объеме кремниевых пластин с окислом на поверхности и находящейся в тигле смеси SiO₂ с окислом примеси, в боксе быстро устанавливается равновесие. Окисел примеси из смеси испаряется в атмосферу бокса и абсорбируется окислом на поверхности кремния до тех пор, пока содержание окиси примеси в окисле на поверхности кремния не станет равным его содержанию в смеси. В дальнейшем окисел примеси реагирует с кремнием по схеме:

2ЭO + Si → 2Э + SiO₂,

где ЭО - окисел примеси. Диффузия в кремний происходит не непосредственно из газовой фазы, а из слоя, являющегося поверхностным источником. Пленка окиси кремния также обеспечивает защиту кремния от эрозии.

Устройство представляет собой вставленные одна в другую кварцевые ампулы. Внутрь ампулы с малым диаметром помещают платиновый контейнер с диффузантом и кварцевую кассету с пластинами кремния. Затем первая ампула вставляется в ампулу с большим диаметром, и вся система (полугерметичный контейнер) помещается в печь.

Другой тип полугерметичного контейнера состоит из кварцевой ампулы, у которой верхняя часть срезана по образующей цилиндра. Внутрь ампулы помещают источник примеси и кварцевые пластины. Затем края среза закрываются кварцевой крышкой. Для уплотнения между краями среза и крышкой прокладывают тонкую платиновую фольгу. Крышку закрепляют платиновой проволокой. Контейнер этого типа имеет меньшую утечку паров диффузанта, чем контейнер, состоящий из двух ампул.

При проведении диффузии важное значение имеет правильный выбор источника примеси. Во-первых, источник примеси должен обладать высокой степенью чистоты, чтобы исключить возможность загрязнения полупроводника атомами других элементов и особенно тех, атомы которых легко диффундируют в кремний. К таким элементам относятся золото, железо и цинк, являющиеся в кремнии акцепторами, и литий, обладающий донорными свойствами. Во-вторых, диффузант не должен давать нежелательных соединений с полупроводником, осложняющих процесс диффузии, и, в-третьих, диффузант по возможности не должен быть токсичным, а также дефицитным или дорогостоящим.