 |
Исследование процесса термической диффузии при формировании элементов интегральных схем
|
|
|
|
Цель работы: Изучение основных положений термической диффузии в полупроводниках, методов реализации термических процессов перераспределения примесей в объеме твердого тела, технологии диффузионного легирования кремния и контроля параметров диффузионных слоев.
1. Теоретическая часть
Ряд технологических процессов в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) основан на непосредственном соприкосновении различных фаз и переходе при этом соответствующих компонентов из одной фазы в другую или перемещении компонентов в пределах одной фазы. Во всех этих процессах происходит перемещение компонента из одной фазы в другую или внутри одной фазы, которое называется диффузией. Диффузия протекает в результате стремления системы достигнуть физико-химического равновесия, т.е. до тех пор, пока химические потенциалы компонентов фазы во всех частях ее станут равными (для однородной системы). Таким образом, диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленный в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия.
При производстве современных изделий электронной техники (ИЭТ), диффузия является одним из методов введения в объем твердого тела примесных атомов, определяющих тип проводимости и уровень легирования диффузионного слоя. В результате диффузии образуются p–n– переходы, которые являются основой для формирования диодов, транзисторов, конденсаторов. Диффузионные процессы также позволяют сформировать полупроводниковые резисторы, а также при высокой степени легирования – и токопроводящие дорожки.
|
|
|
Математическое описание диффузионных процессов было впервые предложено в 1855 г. А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.
Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:
, (1)
где F – вектор плотности потока атомов вещества, 
С – вектор градиента концентрации диффундирующих атомов; D – коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии (его размерность– см2/с) является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций.
Второй закон Фика определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Для одномерного случая оно имеет вид:
, (2)
где 
– изменение концентрации диффундирующего вещества со временем. Если коэффициент D считать постоянным (что справедливо в большинстве практических случаев диффузии в полупроводниках), то уравнение (2) имеет вид:
. (3)
Одной из основных величин в уравнении Фика является коэффициент диффузии D, который зависит от температуры, энергии связи примесных атомов в решетке полупроводника, плотности вакансий в кристалле, постоянной решетки, кристаллографической ориентации подложки и других факторов. Влияние этих параметров на величину D описывается соотношением Аррениуса:
, (4)
где D0 – константа диффузии, которая в диапазоне 900 – 1200оС не зависит от температуры, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, Eакт – энергия активации процесса диффузии, необходимая для удаления атома из кристаллической решетки твердого тела. Фактически это энергия элементарного «прыжка» (перемещения) примесного или собственного атома.
|
|
|
В соответствии с основными видами дефектов различают два основополагающих вида диффузии для реальных кристаллов – междоузельный и вакансионный. Для некоторых примесных атомов Si для вакансионного механизма
Eакт ≈ 3–4 эВ, а для механизма прямого перемещения атомов по междоузлиям Eакт ≈ 0,6–1,2 эВ.
Для практических реализаций диффузионных процессов особый интерес представляют два случая диффузии:
1 – диффузия из бесконечного источника, когда в поверхностные слои твердого тела вводятся примесные атомы, концентрация которых на поверхности остается постоянной в течение всего процесса диффузии. Этот случай характерен для первой стадии диффузии, называемой в производстве ИЭТ «загонкой». Упрощенно, на стадии «загонка», в поверхностные слои вводятся примесные атомы на глубину 0,15–0,8 мкм в зависимости от предельной растворимости примеси в твердом теле при данной температуре.
При диффузии в заданную область (x>0) из бесконечного источника (загонка примеси) с постоянной концентрацией С0 распределение концентрации диффузанта показано на рис.1.
Рис. 1. Распределение концентраций примеси за счет диффузии из
бесконечного источника
2 – диффузия из конечного источника. Этот случай соответствует условиям, когда в тонком поверхностном слое полупроводника создана избыточная концентрация примеси С0, а образец подвергается дополнительной высокотемпературной обработке. Избыточная концентрация может быть получена путем диффузии примесей на стадии «загонка» или же, что наиболее распространено на практике, - ионной имплантацией. В этом случае происходит перераспределение примеси из поверхностного слоя в объем твердого тела. Данный этап иногда называется второй стадией диффузии – «разгонкой». Во время процесса «разгонки» количество примесных атомов на поверхности образца будет непрерывно уменьшаться и, одновременно, будет увеличиваться концентрация примеси в слоях, лежащих глубже легированного поверхностного слоя.
Для граничных условий конечного источника решение диффузионного уравнения дает функцию распределения Гаусса. Для одномерного случая оно выглядит так:
, (5)
где Q – количество примесей, введенное на этапе «загонка». Графическая интерпретация выражения (5) приведена на рис. 2.
|
|
|
Рис. 2. Влияние времени диффузии на перераспределение примеси фосфора в кремниевой подложке из конечного источника, описываемое законом Гаусса
Температурный диапазон реализации диффузионных процессов составляет 950–1250 оС, для Si. Ниже 950 оС значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина залегания легированного слоя очень незначительна. Выше 1250–1280 оС качество диффузионных слоев неудовлетворительно.
В зависимости от способа введения в полупроводники диффузанта различают диффузию из газовой (или паровой) фазы, из жидкой фазы и из твердой фазы.
Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. В первом случае (рис.3,а) пластины полупроводника 1 и источник 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую вакуумируют (до давления 10-2…10-3 Па.), герметизируют и помещают в печь 4. Ампулу выдерживают при температуре 900–1300 оС определенное время, в течении которого идет процесс диффузии газообразной примеси на рассчитанную глубину. Недостаток этого метода – низкая производительность и высокая стоимость процесса, т.к. при вскрытии ампула разрушается.
Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 3,б-д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диффузионной трубы вставляют шлиф для введения газа – носителя 3 – азота или кислорода.
Рис. 3. Способы проведения диффузии
Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 3, б), либо вводят в виде пара или газа в газ – носитель (рис. 3, в). На рис. 3, г показана схема диффузионной печи, применяемой в основном для диффузии из твёрдых источников методом открытой трубы, на рис. 3, д – схема бокс–метода. В последнем случае пластины и источник находятся в полусферическом контейнере 5 однозонной печи.
Наибольшее распространение в промышленности получила диффузия в открытой трубе, проводимая из твёрдых жидких и газообразных источников.
|
|
|
Рассмотрим схему процесса диффузии в потоке газа–носителя с источником жидкого диффузанта, широко используемого в настоящее время.
Для загрузки партии пластин (рис.4) применяют кассеты из кварцевого стекла или кремния. Пластины размещаются поперёк или вдоль оси кассеты и соответственно диффузионной трубы, куда загружаются кассеты с пластинами. При продольном расположении оси снижается турбулентность потока в реакторе.
Рис. 4. Схема процесса диффузии в открытой трубе в потоке диффузанта
Операционный цикл включает следующие переходы:
– так называемая «промывка» реактора аргоном;
– вывод печи на заданный температурный режим (в течение 2–3 ч.);
– загрузка кассеты с пластинами и прогрев её в течение 10 мин. С подачей аргона для удаления десорбированных газов;
– подача аргона с парогазовой смесью (диффузант и кислород);
– выдержка в рабочей зоне при постоянной температуре заданное время (собственно диффузия);
– прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с пластинами.
Широкое применение получили печи диффузионные однозонные с несколькими трубами, диаметр которых примерно в полтора раза превышает диаметр обрабатываемых пластин. Среди диффузионных систем следует выделить СДО 125-3/015 (диаметр пластин 76 мм), СДОМ (диаметр пластин 100 мм), ОКСИД-ПО (100–150 мм). Погрешность поддержания температуры в рабочей зоне печи не более 0,5ºС. Контроль температуры ведётся в нескольких точках (обычно в 3–х точках) платино–платинородиевыми термопарами.
В качестве источника примесей при диффузии используют специальные вещества (чистые или химические соединения), являющиеся источником атомов примеси и называемые диффузантами. По своему агрегатному состоянию диффузанты бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Электронный тип проводимости в кремнии дают фосфор, сурьма, мышьяк, а дырочный – бор, галлий, алюминий.
Твёрдые диффузанты. Фосфор. Наиболее распространенным источником является безводная пятиокись фосфора (фосфорный ангидрид) 
.
помещают в зону источника (рис.3, г) и нагревают до 230–300 ºС. Газ-носитель захватывает молекулы и переносит в зону диффузии. В процессе диффузии между и Si происходит химическая реакция с выделением элементарного P и Si, образующих стекловидное соединение на поверхности пластины, из которого идёт диффузия.
Другими источниками в твёрдой фазе являются нитрид фосфора 
, который требуетболее высоких температур источника (450–400 ºС). Недостатком является непостоянство его состава и связанное с этим изменение давления паров, что даёт невоспроизводимые результаты.
|
|
|
Бор. Самым распространённым источником в твёрдой фазе для диффузии в открытой трубе является борный ангидрид 
или борная кислота, которая при высокой температуре дегидратируется с образованием . Температура источника составляет около 900 ºС. Обычно и 
используют в смеси с 
, т.к. соприкосновение чистого с кварцем вызывает его расстекловывание. В последнее время широкое применение находит нитрид бора BN, который выпускается в виде дисков с диаметром равным диаметру используемых кремниевых пластин. Диски из нитрида бора помещаются в кассету рядом с пластинами из кремния, что обеспечивает высокую равномерность легирования.
Жидкие диффузанты. Фосфор. В качестве жидких диффузантов используют оксихлорид фосфора 
, трихлорид фосфора 
и пентафторид фосфора 
. Обычно жидкие источники реагируют с избытком кислорода и образованием . Эти диффузанты не гигроскопичны, имеют малый расход и стабильны по концентрации фосфора при длительном использовании.
Бор. Наиболее распространён трёхбромистый бор 
. В газ-носитель добавляют кислород для окисления до и для защиты поверхности от образования чёрных нерастворимых отложений.
Газообразные диффузанты. Фосфор. Для диффузии фосфора в открытой трубе обычно используют фосфин 
. Механизм диффузии из такой же, как и механизм диффузии из . Недостатком является его высокая токсичность.
Бор. В качестве газообразных источников бора используют трёххлористый бор 
и диборан 
. в нейтральной и восстановительной атмосфере образует с кремнием летучие соединения и выделяет В. При добавлении в поток кислорода образуется борный ангидрид. Диборан используют в нейтральной, восстановительной и окислительной атмосфере. Пиролиз происходит при Т > 300ºC. Недостатком являются токсичность, лёгкая воспламеняемость на воздухе при концентрации более 0,8%, взрыв при соприкосновении с хлором.
В диффузионных структурах обычно контролируют глубину залегания p-n-перехода, поверхностную концентрацию, характер распределения диффундирующей примеси и значение градиента концентрации примеси в области p–n–перехода.
Для выявления диффузионных p–n–переходов пользуются методом косого шлифа (рис.5,а), т.е. кристалл, содержащий p–n–переход, сошлифовывают под небольшим углом (1–5º). При этом наблюдаемый диффузионный слой заметно расширяется. Границу диффузионной области выявляют при помощи метода селективного окрашивания специальными травителями. Глубина залегания 
в этом случае определяется по формуле
, (6)
где h – ширина p–n–перехода при заданной величине угла сошлифовывания α.
Рис. 5. Методы контроля глубины залегания диффузионных слоёв с
помощью косого (а) и сферического (б) шлифов
Более точные результаты получают при использовании сферического шлифа (рис. 5,б). В этом случае
, (7)
где d1 – диаметр лунки; d2 – диаметр нижней границы p–n–перехода; D – диаметр шара (30…150мм).
Диффузионный слой можно аппроксимировать последовательностью элементарных слоёв с различной, но постоянной в их пределах концентрацией примеси. Проводимость вдоль диффузионного слоя является суммой проводимостей элементарных слоёв. Измерив 4–зондовым методом поверхностную проводимость σSO, удалив элементарный слой толщиной ∆ и вновь измерив поверхностную проводимость σs, среднюю концентрацию свободных носителей заряда в удалённом слое, можно рассчитать по формулам:
, (8)
где μ– средняя подвижность носителей заряда.
Определение градиента концентрации примеси определяют путём измерения ёмкости p–n–перехода. При достаточно малых обратных смещениях, когда ширина перехода невелика, распределение примеси в нём с удовлетворительной точностью можно считать линейным.
|
|
|
