Диффузия в потоке газа-носителя

Этот метод относится к числу наиболее производительных и гибких, поскольку позволяет одновременно легировать до нескольких десятков пластин одновременно, обеспечивая при этом приемлемую воспроизводимость параметров слоев (порядка 10-15%). Метод позволяет использовать газообразные, жидкие и твердые источники диффузанта. В последнем случае используются двухзонные печи (рис. 3.12).

Рис. 3.12 Диффузия в потоке газа-носителя из твердого источника

Пластины обычно размещаются в специальных кассетах на расстоянии нескольких мм друг от друга в вертикальном положении, а сами кассеты – внутри чаще всего кварцевой трубы соответствующего диаметра и длиной до нескольких метров. Соответствующие габариты имеет и диффузионная печь. В зоне, где размещены пластины, обеспечивается постоянная с точностью до 2-3 ^оС температура. Через один конец трубы подводится газ-носитель, который и переносит пары примеси в зону размещения пластин. Второй конец трубы никак не герметизирован – отработанные газы отводятся в специальную камеру, сообщающуюся со специализированной системой вентиляции, в которой предусмотрены устройства для очистки газов от вредных примесей. Поэтому такой вариант реализации называют еще диффузией в открытой трубе.

В качестве газа-носителя чаще всего используется весьма чистый N₂, реже – Ar. Очень принципиален выбор расхода газа. При малых расходах газа возможно попадание нежелательных газов через открытый конец трубы и изменение содержания примесей вдоль зоны размещения пластин вследствие поглощения примеси пластинами. При слишком больших расходах газа возможно повышенное охлаждение первых по ходу газа пластин. Обычно компромиссное решение достигается при скоростях потока газа в несколько см/с.

Принципиальным моментом является постоянное повышение температуры от зоны расположения источника диффузанта до зоны размещения пластин. Оно особенно важно при использовании жидких источников диффузанта, пары которых могут конденсироваться в зонах с пониженной температурой.

Твердые источники диффузанта обычно насыпаются в виде порошка в специальные, чаще всего кварцевые, кассеты (кюветы), размещаемые в первой, более холодной зоне трубы. Большинство твердых источников диффузанта при той температуре, которая поддерживается в зоне размещения кюветы, спекаются с кварцем, образуя стекла с иным, чем у кварца коэффициентом линейного расширения. Поэтому при охлаждении кюветы возможно ее растрескивание. Сам процесс спекания обычно длится несколько часов, в течение которых нереально приемлемое воспроизведение давления паров диффузанта.

Жидкие источники диффузанта помещаются в специальные сосуды из кварца или фторпласта, через которые пропускается часть общего расхода газа (рис. 3.13). Газ может либо пропускаться сквозь жидкий диффузант (такой сосуд называют барботером – рис.3.14), либо пропускаться над поверхностью жидкости.

Рис. 3.13 Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника; 1 – однозонная печь; 2 – жидкий источник
Рис. 5	Рис. 6
Рис. 3.14. Барбатер	Рис. 3.15.

Содержание примеси в газовой смеси на выходе барботера можно регулировать температурой жидкости и расходом газа. Далее эта газовая смесь еще раз разбавляется газом носителем приблизительно в 10-30 раз. Подобному же двухэтапному разбавлению подвергают и газообразные источники диффузанта.

Общее парциальное давление паров диффузанта в зоне размещения пластин обычно выбирают таким, чтобы в приповерхностном слое полупроводника концентрация примеси была близка к ее предельной растворимости при температуре диффузии.

Сильное завышение парциального давления паров обычно нецелесообразно, так как многие примеси могут образовывать с полупроводником соединения, обычно ухудшающие качество поверхности и осложняющие выполнение некоторых последующих операций. При более низких парциальных давлениях паров возможно управление концентрацией примеси в полупроводнике, однако, за счет ухудшения воспроизводимости. В целом можно отметить, что парциальные давления паров, при которых достигается концентрация примеси, близкая к предельной растворимости, соответствуют 10-1000 Па (рис. 3.15).

Образование соединений с Si, например, типично в случае легирования B или P с использованием газообразных B₂H₆ или PH₃. При сильном завышении парциального давления паров на поверхности пластины образуются кристаллиты силицидов бора Si₆B или Si₄B, соединений твердых, способных повредить маску на фотошаблоне и весьма химически инертных. Удалить их оказывается возможным, лишь проведя окисление пластины. При более низких парциальных давлениях паров возможно также нежелательное образование соединений кремния и фосфора.

При использовании в качестве источников примеси галогенидов имеет место травление поверхности пластин, ухудшающее чистоту обработки их поверхности. Оба отмеченных нежелательных явления легко устраняются добавлением в атмосферу газа-носителя небольших количеств кислорода (до1-2%). Добавлять кислород не требуется, если используются диффузанты, содержащие кислород.

Для обеспечения воспроизводимых результатов вся высокотемпературная часть установки должна длительное время работать в стабильном, не меняющемся во времени, температурном режиме. Любые изменения этого режима отражаются на содержании примесей в стенках кварцевой трубы и, следовательно, на концентрации примесей, попадающих в полупроводник. Поэтому раз выведенная на определенный режим установка обычно поддерживается в этом режиме даже в выходные дни.

При автоматизированной загрузке пластин в зону диффузии минимальное время диффузии, при котором обеспечивается приемлемая воспроизводимость параметров диффузионных слоев, обычно не должно выбираться меньшим 5 минут.

В соответствии со сказанным выше диффузия в потоке газа-носителя позволяет управлять концентрацией примеси в приповерхностном слое полупроводника только за счет изменения температуры в зоне диффузии, используя зависимость предельной растворимости примеси от температуры. Этого диапазона в большинстве случаев недостаточно, поэтому реально процесс ведут в два этапа.

Таким образом, этот способ диффузии имеет ряд существенных достоинств: высокая производительность за счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможности использования всей рабочей зоны диффузионной печи; хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на них технологических факторов и простоте управления процессом; однородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенно в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра; простота используемого технологического оборудования; дешевизна. Потребление твердых планарных источников (ТПИ) в производстве микросхем за последние годы возросло в 4 .. 5 раз, увеличиваясь ежегодно примерно на 20 ... 25 %.