Диффузия в технологии полупроводниковых интегральных микросхем.

7.2. Диффузия в интегральных схемах.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре являет­ся исходным и до сих пор основным способом легирования по­лупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Этому способу мы уделим главное внимание. Однако за последние годы широкое распространение получил и другой способ легирования — ионная имплантация, — который рассматривается в конце раздела.

Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локаль­ной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 6.5, а), а во втором — на определенных участ­ках пластины через окна в маске, например, в слое Si02 (рис. 6.5, б).

Рис. 6.5. Общая (а) и локальная (б) диффузия примеси в кремний

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонко­го диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую Na(x) на рис. 6.5).

В случае локальной диффузии примесь распространяется не только вглубь пластины, но и во всех перпендикулярных на­правлениях, т.е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок p-n-перехода, выходящий на повер­хность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 6.5, б). Соотношение между глубинами боковой и основ­ной — «вертикальной» — диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя L. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,7 L.

Диффузию можно проводить однократно и многократно. На­пример, в исходную пластину n-типа можно во время 1-й диф­фузии внедрить акцепторную примесь и получить р-слой, а за­тем во время 2-й диффузии внедрить в полученный р-слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию.

При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси дол­жна превышать концентрацию предыдущей, в противном слу­чае тип проводимости не изменится, а значит, не образуется p-n-переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном материале) не может быть сколь угодно большой: она ограничена особым параметром — предельной растворимостью примеси. Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой температуре она достигает максимального значения Nпр макс, а затем снова уменьшается.

Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с мак­симальной предельной растворимостью. Поскольку ассорти­мент примесных материалов ограничен, не удается обеспечить более 3-х последовательных диффузий.

Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть и жидкости (BBr3, РOCl), и твердые тела (В2O3, Р2O5), и газы (В2Н6, РН3).

Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью га­зотранспортных реакций — так же, как при эпитаксии и окис­лении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диффузионные печи.

Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов. В таких печах (рис. 6.6) имеются две высокотемператур­ные зоны, одна — для испарения источника диффузанта, вто­рая — собственно для диффузии. Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к потоку нейтрального газа-носителя (например, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны.

Рис. 6.6. Схема двухзонной диффузионной печи: 1 — кварцевая труба; 2 — поток газа-носителя; 3 — источник диффузанта; 4 — пары источника диффузанта; 5 — тигель с пластинами; 6 — пластина кремния; 7 — пер­вая высокотемпературная зона; 8 — вторая высокотемпературная зона

В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходимости в их высокотемпературном испарении. Поэ­тому используются однозонные печи, в которые источник диф­фузанта поступает уже в газообразном состоянии.

При использовании жидких источников диффузанта диффу­зию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кислород. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел Si02, т.е. в сущности — стекло. В присутствии диффу­занта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорно-силикатное стекло. При температуре выше 1000° эти стекла находятся в жидком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло за­щищает поверхность кремния в местах диффузии, т.е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диф­фузанта — окислов — образование стекол происходит в процес­се диффузии без специально вводимого кислорода.

18.1.