125919 (593183), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

1.1.2. Жидкие источники

Суть метода диффузии из жидких источников заключается в следующем. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, находящуюся внутри нагретой однозонной печи. Через трубу пропускается поток газа-носителя, чаще всего азота или аргона, к которому добавляется примесь источника диффузанта, находящегося при обычных условиях в жидком состоянии. Кроме того, в газовую смесь на все время или на часть времени процесса добавляется некоторое количество кислорода. Метод в основном используется для диффузии бора и фосфора, причем в качестве источников диффузантов применяют такие вещества, как PCl₃, POCl₃, PBr₃, BBr₃ и борнометиловый эфир.

Рис. 1.2. Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника: 1 – однозонная печь; 2 – жидкий источник.

Жидкие источники позволяют двуступенчато разбавлять пары потоком газа, проходящим через дозатор, и общим потоком, идущим непосредственно в кварцевую трубу. Схема диффузии при использовании жидкого источника диффузии представлена на рис. 1.2 [5].

Рассмотрим диффузию из жидкого источника, когда в качестве жидкого источника используется POCl₃ [6]. Через барботер с POCl₃ может пропускаться или азот, или кислород, или их смесь. Двухступенчатое разбавление обеспечивает возможность получения малых концентраций POCl₃ в газовой смеси. Температура POCl₃ может меняться в интервале 15 – 40ºС (удобнее всего поддерживать ее около 20ºС). Полный поток газа составляет 2 л/мин. Если пропускать через печь POCl₃ в токе инертного газа, то в результате происходящих на поверхности кремния реакций будут, по-видимому, получаться P₄O₁₀, PCl₃ и свободный Cl₂, который будет травить поверхность кремния. Это обычно и наблюдается в отсутствие кислорода. При достаточном содержании кислорода в газовой смеси травление будет приостанавливаться растущей пленкой окисла :

4POCl₃ + 3O₂ → P₄O₁₀ +6Cl₂,

P₄O₁₀ + 5Si → 4P + 5SiO₂.

Дополнительное окисление кремния будет вызываться кислородом, находящимся в газовой смеси. Двуокись кремния, реагируя с P₄O₁₀, будет образовывать фосфорно-силикатное стекло, из которого и будет идти диффузия в кремний. Как и при диффузии в двухзонных печах, наилучшая однородность будет достигаться при насыщении стекла фосфором и при достаточно высокой поверхностной концентрации фосфора в кремнии. Также было установлено, что при высоких температурах и сравнительно высоких (~ 0,2 – 0,3 %) концентрациях POCl₃, когда получаются низкие значения ρ_s, результаты наиболее воспроизводимы и меньше всего зависят от содержания кислорода. При малых концентрациях POCl₃ (порядка 0,02 %) и при низких температурах зависимость результатов от содержания O₂ довольно резкая, но зато имеется возможность получать ρ_s порядка нескольких сотен Ом на квадрат. Следует отметить, что во избежание повреждения поверхности кремния в процессе диффузии POCl₃ целесообразно пропускать не сразу, а через небольшое время после начала пропускания азота с кислородом.

Альтернативным жидким источником для диффузии фосфора является трибромид фосфора PBr₃, который имеет превосходные геттерирующие свойства, по сравнению с POCl₃, и рабочую температуру 170°С.

К жидким источникам для диффузии бора относятся триметилборат (CH₃O)₃B и трехбромистый бор BBr₃, которые окисляются с образованием B₂O₃. BBr₃ – галоген и может служить одновременно геттером металлических примесей в процессе диффузии. Схема установки для диффузии бора из BBr₃ такая же, как на рис. 1.2. Скорость потока N₂ над BBr₃ равна нескольким кубическим сантиметрам в минуту, а общая скорость газового потока около 1 л/мин [6]. Добавляемое количество O₂ невелико, несколько десятков кубических сантиметров в минуту, но, как и при диффузии фосфора из POCl₃, отсутствие O₂ может привести к нежелательным последствиям – в данном случае к появлению на поверхности кремния нерастворимых налетов черного цвета. Однако при использовании BBr₃, как и любого другого галогенного источника, возможно образование ямок травления, если завышена концентрация паров BBr₃ или концентрация кислорода в потоке газа мала. Другим недостатком является возможность засорения газовой системы порошкообразной B₂O₃, а в результате – невоспроизводимость значений поверхностной концентрации [3].

К преимуществам метода диффузии из жидких диффузантов следует отнести то, что его осуществление просто и что не требуется второй высокотемпературной зоны. Кроме того, метод позволяет осуществлять непрерывным образом процесс, несколько напоминающий двухстадийную диффузию (когда поток POCl₃ или BBr₃ пропускается над кремнием только в течение части процесса). Этот процесс нельзя считать обычной двухстадийной диффузией, так как перед второй стадией с поверхности не удаляется фосфорно-силикатное или боро-силикатное стекло. Метод позволяет осуществить процесс в замкнутой системе и не требует частой смены источника.

1.1.3. Газообразные источники

Диффузия примесей в кремний может также осуществляться из газообразных источников – гидридов фосфора, бора и мышьяка – фосфина PH₃, диборана B₂H₆ и арсина AsH₃, а также из BCl₃.

Схема установки для диффузии фосфора с использованием фосфина напоминает схему на рис. 1.2 с той разницей, что источником диффузанта служит не поток газа носителя, пробулькивающий или проходящий над жидким источником, а баллон, содержащий смесь PH₃ и инертного газа, например аргона. В качестве газа-носителя может использоваться азот в смеси с кислородом. Систематическое изучение результатов диффузии при различных температурах в зависимости от концентрации фосфина и кислорода показало слабую зависимость результатов от этих величин в довольно широких пределах [6]. В процессе диффузии из фосфина идут, по-видимому, следующие реакции :

2PH₃ → 3H₂ + 2P (в трубе);

4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (в трубе);

2P₂O₅ + 5Si → 5SiO₂ + 4P (непосредственно на поверхности Si).

Образующийся водород, соединяясь с кислородом, дает пары воды, образующей с P₂O₅ ортофосфорную кислоту. Так как и она достаточно летуча и хорошо реагирует с кремнием, это, по всей видимости, не сказывается на результатах диффузии. Диффузия из фосфина позволяет воспроизводимо получать ρ_s от 0,2 до 200 Ом/ٱ (в диапазоне температур 800 – 1200°С и объемных концентраций PH₃ от 0,05 до 2%), а при более низкой температуре 750°С и при содержании кислорода 50% и фосфина 0,1% возможно получение ρ_s около 1000 Ом/ٱ [6] К недостаткам данного метода диффузии фосфора является затрудненная регулировка концентрации фосфора, так как стенки из кварцевого стекла поглощают некоторое количество P₂O₅ из газа-носителя в течение каждого процесса диффузии, что образует дополнительный источник примеси [7].

Диффузия бора из диборана осуществляется аналогично диффузии фосфора из фосфина. Диборан подается в смеси с аргоном и дальше перед поступлением в рабочую трубу смешивается с азотом и сухим кислородом. При проведении процесса диффузии имеют место следующие реакции:

B₂H₆ → 2B + 3H₂ (в потоке газа);

4B + 3O₂ → 2B₂O₃ (в потоке газа);

Si + O₂ → SiO₂ (на поверхности кремния);

SiO₂ + B₂O₃ → B₂O₃∙SiO₂ (стекло на поверхности окисла);

2B₂O₃ + 3Si → 3SiO₂ + 4B (на поверхности кремния).

Помимо этого, в процессе диффузии образуется вода, несколько ускоряющая рост пленки окисла, но делающая его не столь прочным, так что после диффузии облегчается снятие боросиликатного стекла [6]. Среди факторов, определяющих в этом методе поверхностную концентрацию бора, следует отметить условия, связанные с потоком газа: его состав, скорость течения, характер течения (ламинорный или турбулентный) и температуру процесса. Непосредственно на поверхностную концентрацию влияют толщина и состав боросиликатного стекла, скорость диффузии через него B₂O₃ и т.п. Но все эти параметры определяются названными факторами. При изменении объемной концентрации B₂H₆ от 1 до 50∙10⁻⁴ % и температуры от 1050 до 1250°С поверхностная концентрация бора может меняться от 10¹⁷ см^–3 до предельной. Довольно резко зависит поверхностная концентрация и от скорости общего потока газа. Если говорить об однородности результатов, то имеется разброс (увеличение поверхностного сопротивления) по ходу течения газа. Однако все же этот метод позволяет получить малый разброс поверхностного сопротивления в широком интервале поверхностных концентраций.

Диборан используется разбавленным на 99 % по объему. Так как продуктом реакции окисления при 300°С в кислороде является только вода, то дефектов типа ямок травления не образуется. Для захвата неиспользованного газа на входе в трубу устанавливают ловушку с концентрированной соляной кислотой [3]. Если вместо кислорода использовать углекислый газ, то на стадии загонки примеси при низкой температуре (800 – 900°С) можно достичь высокой поверхностной концентрации бора:

B₂H₆ + CO₂ → B₂O₃ + 6CO + 3H₂O.

Поскольку CO₂ более слабый окислитель, чем кислород, в процессе диффузии кремний окисляется в меньшей степени и, следовательно, образующийся SiO₂ меньше маскирует поверхность кремния от атомов бора.

При работе с дибораном необходимо тщательно следить за герметичностью трубопроводов диффузионной установки. Диффузию следует проводить при работающей вытяжной вентиляции и постоянно контролировать концентрацию диборана в атмосфере рабочего помещения.

Трихлорид бора BCl₃, как и трибромид бора, может вызвать травление поверхности кремния. На практике значительно сложнее получить равномерное легирование пластин по длине лодочки с применением BCl₃, чем BBr₃. Это обусловлено тем, что в аналогичных условиях реакция окисления BCl₃ длительная (~100 с), а BBr₃ – короткая (~3 с). Следовательно, BBr₃, быстро окислившись до B₂O₃, может служить источником бора еще до того, как передний край лодочки с пластинами попадает в рабочую зону. Реакция окисления BCl₃ ускоряется в присутствии паров воды, поэтому вместе с кислородом в газовый поток добавляют незначительное количество водорода [3].

По поводу методов диффузии из газообразных источников можно сделать одно общее замечание: при слишком малом содержании O₂ в газовой смеси на поверхности могут образовываться трудно устранимые пленки.

Достоинства методов диффузии из газообразных диффузантов те же, что и в случае диффузии из жидких источников, и недостаток тот же – токсичность исходных диффузантов.

1. Твердые источники

Наиболее распространенными твердыми источниками диффузии бора в кремний являются окись бора B₂O₃ и борная кислота H₃BO₃ (обе в виде порошка), которые разлагаются при 200°С с образованием B₂O₃ и H₂O. Эффективное испарение B₂O₃ начинается с 770 – 800°С, а максимальная температура, до которой обычно нагревают B₂O₃, равна 1200°С. Источник диффузанта необходимо вводить в печь медленно, чтобы предотвратить его вскипание и вытекание из контейнера и загрязнение самого реактора, который в этом случае становится дополнительным источником примеси. Элементарный металлический бор обычно непригоден для диффузии в потоке газа из-за низкого давления его паров [7].

Диффузию бора в полупроводниковый материал с использованием борной кислоты проводят в открытой трубе в двухзонной печи или в контейнере в атмосфере воздуха. После проведения диффузии на поверхности полупроводниковых пластин образуются пленки, стойкие к кислотам и щелочам. После диффузии эту пленку удаляют механическим способом [8].

В качестве твердого источника фосфора обычно используется безводная пятиокись фосфора P₂O₅ [7]. Температура ее испарения должна поддерживаться в интервале 215 – 300°С, так как при более высоких температурах испарение полностью происходит за слишком короткое время, а при более низких температурах значения концентрации плохо воспроизводимы. Применяются и другие соединения, содержащие фосфор, например, фосфат аммония NH₄H₂PO₄, однако конечной стадией в обоих случаях является взаимодействие паров P₂O₅ с поверхностью кремниевой подложки:

Характеристики

Список файлов ВКР