Диффузия

Диффузия (лат. diffusio распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму

Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное легирование. Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования.

Методом диффузии формируют активные, пассивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локальную диффузию с применением защитных масок из диэлектрических пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.

Возможны четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, Эстафетный, краудионный.

Вакансионный механизм обусловлен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакансий пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятся межузельными.

При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наиболее вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоузлиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах.

Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то такой механизм перемещения собственных или примесных атомов называют механизмом непрямого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом

Если межузельный атом вытесняет атом, находящийся находящийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называется краудионным

Диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный радиус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в кремнии), их диффузия происходит по механизму прямого перемещения атомов по междоузлиям.

ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ Примесь Максимальная растворимость, ат/см -3 Температура, 0 С Алюминий Бор Фосфор1, Сурьма Мышьяк Золото

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых примесей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых пластин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств активных областей приборов.

Источники легирующих примесей могут быть твердые, жидкие и газообразные.

Источниками бора служат: твердые В и Н 3 В0 3, жидкий ВВг 3, газообразные галогениды бора ВСl 3, BF 3, ВI 3 и диборан В 2 Н 6. Источниками фосфора являются: твердые – P 2 O 5, фосфаты аммония NH 4 H 2 PO 4 и (NH 4 ) 2 HP0 4, изредка элементарный красный фосфор, жидкие - РОСl 3, РВr 3 и РСl 3, газообразный фосфин РН 3. В качестве источников мышьяка применяют: твердые - порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, оксид мышьяка As 2 O 3 и газообразный AsH 3. Для диффузии сурьмы используют твердые источники - триоксид сурьмы Sb 2 O 3, газообразный SbH 3 (стибин).

Измельченные частицы твердых источников помещают в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора. Для подачи жидких источников в зону диффузии используют специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реактор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом- носителем в заданных пропорциях. Основным недостатком при использовании газообразных диффузантов является их токсичность, в связи с чем необходимы специальные конструкции герметичных реакторов. Однако при использовании газообразных диффузантов легче дозировать количество вводимой примеси и получать более высокую равномерность легирования.

При взаимодействии с поверхностью пластин источник примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверхности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным, токсичным, взрывоопасным.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников.

При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается. Показанное на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.

При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (см.рис.), которое увеличивает размеры диффузионной области на Dl и влияет на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерами окон ширина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения Dl могут достигать 0,8 x j.

1. маскирующий оксид; 2. диффузионная область; 3. пластина; l 1 – размер окна в оксиде; l 2 – размер полученной диффузионной области; D l – уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии; x j – глубина p-n-перехода

СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФФУЗИИ

При создании активных и изолирующих областей ИМС часто используют двухстадийную диффузию. Для этого вначале в поверхность полупроводникового материала 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводят определенное количество легирующей примеси из бесконечного источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию при небольшой глубине диффузионной области ("загонка" примеси) (рис а, б). Первую стадию проводят при сравнительно невысоких температурах ( ° С) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно- силикатного стекла 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (рис. б).

Вторую стадию - диффузионный отжиг, называемую "разгонкой" (рис.в), проводят предварительно удалив примесно - силикатное стекло. Температура второй стадии выше С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глубина проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная область 5. Температура и длительность второй стадии диффузии определяются заданными параметрами p-n- перехода. Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку 6 для последующей фотолитографии.

Необходимость проведения двухстадийной диффузии при легировании бором связана с тем, что требуется получать распределение со сравнительно невысокой поверхностной концентрацией, а с помощью одностадийной диффузии это не всегда удается. Для остальных примесей двухстадийная диффузия обеспечивает заданные параметры р-n-переходов и возможность получения маскирующего оксида и предотвращение эрозии поверхности пластин при диффузии. Двухстадийную диффузию проводят различными способами. Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой трубе.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирования до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме. После проведения процесса ампулу разрушают (вскрывают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ применяют преимущественно при диффузии мышьяка.

Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс.

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси. Преимуществом перед ампульным способом является возможность многократного применения кварцевой ампулы.

Способ диффузии Тип примесиОсобенности Диффузия в открытой трубе B, P, Sb (твердый, жидкий, газообразный источник) Легкая управляемость составом ПГС, скоростью газового потока; атмосферное давление АмпульныйAs (твердый источник) Большая трудоемкость и себестоимость (одноразовое использование ампулы); безопасность диффузии мышьяка; вакуум Па Бокс- методB, P, Sb (твердый источник) Широкие пределы регулирования концентрации примеси, отсутствие влияние газового потока; атмосферное давление

ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ При диффузии на поверхности пластин образуются макро- и микродефекты. К макродефектам относятся эрозионные ямки, сильно легированные "трубки", участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, неравномерность диффузионного фронта по глубине, линии скольжения.

Эрозионные ямки образуются при проведении диффузии в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений поверхности, связанных с испаренеием некоторых химических соединений, которые синтезируются на ней при некоторых условиях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют кислород. Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности может привести к появлению сильно легированных "трубок", имеющих аномально высокую проводимость. «Трубки» образуются также из-за ускоренной диффузии в областях структурных дефектов кремния, например, по дислокациям.

К микродефектам относят дислокациии дефекты упаковки. Основной причиной возникновения дислокаций является внедрение в решетку полупроводникового материала примесей, размеры атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (см. табл.).

Парамет р Элемент SiGeBPSbAs Размер атома, 1,171,220,881,11,221,18

Это приводит к появлению механических напряжений растяжения или сжатия

Если уровень напряжений превышает предел текучести материала, то при высоких температурах произойдет релаксация (сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической деформацией (искажением кристаллической решетки) и образованием краевых и винтовых дислокаций

Поверхность после диффузии считается качественной, если плотность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах см -2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более 0,05; эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах % от средней толщины слоя.

Контроль диффузионных слоев проводят по следующим параметрам: глубина залегания p-n-перехода, удельное поверхностное сопротивление, поверхностная концентрация примеси и профиль распределения примеси. Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания р-п-перехода является метод окрашивания (химического декорирования) сферического шлифа.

Сферический шлиф изготовляют с помощью вращающегося стального шара диаметром мм, смазанного алмазной пастой зернистостью < 1 мкм, к которому прижимают рабочую сторону контролируемой пластины 3

Глубина сферической лунки 1 должна превышать глубину p-n-перехода x j. Границу р-n-перехода выявляют химическим окрашиванием p-области 5 в концентрированной фтористоводородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окрашивания n-области используют водный раствор медного купороса CuS0 4 5Н 2 0 с добавкой 0,1 % концентрированной HF. Легированные диффузией области кремния р-типа после окрашивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а области n-типа - покрыты осажденной медью.

Метод окрашивания сферического шлифа непригоден для контроля глубины мелких (< 1 мкм) р-n-переходов из-за большой погрешности. В этом случае используют фотоэлектрический метод сканировании поверхности цилиндрического шлифа сфокусированным лазерным пучком (зондом) с регистрацией кривых фототока (фотоответа) и интерференции. Используют установку ЛПМ-11 с длиной волны излучения X = 0,44 мкм, оптико-механическим узлом, предметным столом и регистрирующим прибором (самописцем).

Для определения поверхностной концентрации N s легирующей примеси необходимо знать характер распределения примеси в диффузионной области. Существуют графики (кривые Ирвина), связывающие поверхностную концентрацию и среднее удельное сопротивление r, рассчитанные для диффузионных профилей.

Среднее значение удельного сопротивления находят по формуле: r = R s х j а затем по кривым Ирвина или таблицам определяют N s. Профиль распределения примеси определяют методами: дифференциальной проводимости с послойным стравливанием, С-U-методом (метод вольт - фарадных характеристик), методом сопротивления растекания.

Дифференциальный метод - старейший, достаточно информативный, но очень трудоемкий. Он состоит в повторяющихся измерениях поверхностного сопротивления четырехзондовым методом после удаления тонких поверхностных слоев кремния анодным окислением и травлением полученного оксида в растворе HF. При использовании C-U-метода определяют значение емкости обратно смещенного р-n- перехода в зависимости от приложенного напряжения. Наиболее широко в настоящее время применяют метод сопротивления растекания, при котором двумя зондами измеряют сопротивление на косом шлифе и после обработки результатов получают профиль распределения Ns.