Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193

найдем, что в точке перехода erfc {Zj) = NJNo = (6-10* см *)/ /(3.10« см-«) = 2.10-5. Тогда Zj = xj/2 {Dtyr2 =3,0, откуда Xj = 3,0.2. (1.10-12 j,j,2/c X ty/ = 6.10-" CM.( c)/2. Поскольку 1 мкм = 10* CM, можно записать Xy = 0,06 мкм ( с)/ = 3,6 мкм ( ч)/2. Итак, путем диффузии бора при 1150 °С в течение 1 ч можно получить переход па глубине 3,6 мкм. Чтобы получить переход на глубине 1,0 мкм, время диффузии должно составлять 0,53 ч = 32 мин. Если же требуется глубина перехода 10 мкм, нужно проводить диффузию в течение 7,72 ч. Таким образом, получение глубоко залегающих переходов может требовать очень большой продолжительности диффузии.

1.3.3. Технологические процессы, используемые д.ш проведения диффузии при посто.чнной поверхностной концентрации. Для проведения различных процессов диффузии и окисления обычно

. ТруВяатая печь с резистиЗимм нагреЗам


Рис. 1.13. Диффузионная печь.

используегся трубчатая печь с резистивным нагревом. Такая печь имеет длинное (2-3 м) сквозное отверстие, в которое вставляется кварцевая труба диаметром 100-150 мм (рис. 1,13). Температура внутри трубы может контролироваться с высокой степенью точностп; так, можно обеспечить равномерное распределение температуры в «горячей» зоне длиной около 1 м при поддержании заданного значения температуры с точностью ±0,5 °С. Подлежащие обработке кремниевые пластины устанавливаются вертикально в параллельно расположенные пазы кварцевого держателя, или «лодочки», после чего «лодочка» задвигается в кварцевую трубу.

Через трубу пропускаются различные газы, скорость потока которых контролируется с помощью расходомера. Основной газовый поток образует азот N2 - сравнительно инертный газ, который используется в качестве газа-носителя, т. е. разбавителя для других, более активных газов. Азот обычно составляет от 90 до 99 /О суммарного газового потока. Остальная часть газового потока пр11ходится на кислород и на соединение, содержащее



легирующую примесь. Для диффузии бора обычно используются такие вещества, как ВНв (диборан) и BBr., (трибромнд бора).

У поверхности кремниевых пластин одновременно протекают следующие реакции:

Si + Oj -> SiOa (кварцевое стекло),

4ВВгз + ЗОа 2ВгОз (борное стекло) + бВга

2ВгНв 4- ЗО2 2В.Оз (борное стекло) + 6Н2.

Это процесс химического осаждения из газовой фазы, в результате которого на поверхности кремния осаждается стекловидный

Ре/уссилцнатиее стекла SiOj+BzOs

(1.6) (1.7)

(1.8)


Пластина нремния

Рис. 1.14, Слой боросиликатного стекла, образовавшийся на поверхности кремния и использующийся в качестве источника примеси при диффузии.

СЛОЙ, представляющий собой смесь кварцевого стекла SiOg и борного стекла BjOg и называющийся боросиликатным стеклом (БСС). Слой БСС, показанный на рис. 1.14, при температурах диффузии представляет собой вязкую жидкость, так что атомы бора могут сравнительно легко перемещаться в этом слое. Кроме того, концентрация бора в БСС такова, что поверхность кремния насыщается бором, и на протяжении всего процесса диффузии концентрация бора на поверхности кремния равна предельной растворимости бора в кремнии в твердой фазе, при условии, что на поверхности сохраняется слой БСС.

Для диффузии фосфора используются такие соединения, как PIT3 (фосфин) и POCI3 (оксихлорид фосфора). В тех случаях, когда используется POClg, у поверхности кремниевых пластьн протекают следующие реакции:

Si + О2 -> SiOa (кварцевое стекло), (1 9)

4Р0С1а + ЗО2 -> 2Р2О5 (фосфорное стекло) + 6CI2. (1.10)

В результате на поверхности кремния образуется стекловидный слой, представляющий собой смесь фосфорного стекла и кварцевого стекла и называющийся фосфорносиликатным стеклом (ФСС). При температурах диффузии это стекло представляет собой вязкую жидкость. Подвижность атомов фосфора и содержание фосфора в таком стекловидном слое достаточны для того, чтобы в течение всего процесса диффузии поддерживать концентрацию фос-



фора у поверхности кремния на уровне, соответствующем пределу растворимости в твердой фазе. Аналогичные процессы протекают и при диффузии других легирующих примесей, например мышьяка. В последнем случае на поверхности кремния образуется арсено-силикатное стекло.

Диффузия при постоянной поверхностной концентрации приводит к тому, что атомы легирующей примеси «загоняются» в поверхностный слой кремниевых пластин на глубину, которая обычно составляет от 0,3 до 3,0 мкм. Такой тип диффузии часто называют загонкой.

1.3.4. Вторая стадия диффузии. За загонкой часто следует вторая стадия диффузии, которая проводится после удаления внешнего источника легирующей примеси, т. е. стекловидного слоя. Таким образом, на этой стадии диффузии никакие дополнительные атохмы примеси не поступают в кремний, а те атомы, которые уже в нем находятся, продвигаются дальше, так что профиль их распределения изменяется. Глубина перехода увеличивается, в то время как поверхностная концентрация примеси уменьшается. Такой тип диффузии называется разгонкой или перераспределением, или диффузией из ограниченного источника.

Чтобы найти профиль распределения примеси, получаемый в результате разгонки, следует решить второе уравнение Фика при граничном условии, что суммарная плотность атомов диффу-занта (т е. число атомов диффузанта на единицу площади) остается постоянной. Это условие можно представить математи-

чески как Q = j (х, t) dx = const, где Q - поверхностная

плотность атомов диффузанта. Его можно записать и по-другому. Поскольку в данном случае нет никакого результирующего потока атомов диффузанта, проходящего через границу поверхности кремниевой пластины (х = 0) в кристалл или из кристалла, то, как следует из первого закона Фика, D {dNjdx) х=о = 0. Решив второе уравнение Фика при таком граничном условии, получим результирующее распределение примеси в виде

N {х, t) = Q (ixD0-"2 exp {-xyiDt). (1.П)

Это гауссово распределение, которое в нормированном виде показано на рис. 1.10. Отметим, что поверхностная концентрация диффузанта определяется выражением (О, t) = Qj{nDt)l и, следовательно, не является постоянной, а уменьшается в процессе диффузии. Следует также обратить внимание на то, что наклон кривой распределения концентрации примеси dNjdx у поверхности {х = 0) равен нулю, так что гауссово распределение действительно удовлетворяет граничному условию для стадии разгонки.



0 1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193