АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Б) - разгонка примеси при термической обработке (диффузия).

Важно отметить, что "разгонка" примесей осуществляется как в инертной, так и в окислительной среде (O₂, пары Н₂0). В случае диффузии в окислительной среде необходимо учитывать перераспределение примесей на границе Si-Si0₂. Это явление (перераспределения) называется эффектом сегрегации примесей и характеризуется коэффициентом сегрегации ω. Количественно он определяется соотношением:

, (11)

где С_Si и – соответственно равновесные концентрации примеси в Si и Si0₂. ω зависит от соотношения коэффициентов диффузии примесей γ, плотности, состава и строения Si0₂; соотношения молярных объемов Si, Si0₂ и примеси; растворимости примеси в Si и Si0₂.

Температурный диапазон реализации диффузионных процессов составляет 950-1250°С, для Si. Ниже 950°С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина залегания легированного слоя очень незначительна. Выше 1250-1280°С качество диффузионных слоев неудовлетворительно.

В зависимости от способа введения в полупроводники диффузанта различают диффузию из газовой (или паровой) фазы, из жидкой фазы и из твердой фазы.

Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. В первом случае (рис. 6,а) пластины полупроводника 1 и источник 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую вакуумируют (до давления 10^-4...10^-5 мм рт. ст.), герметизируют и помещают в печь 4. Ампулу выдерживают при температуре 900-1300 °С определенное время, в течение которого идет процесс диффузии газообразной примеси на рассчитанную глубину. Недостаток этого метода - низкая производительность и высокая стоимость процесса, т.к. при вскрытии ампула разрушается.

Термин "открытая труба" обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 6,б-д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диффузионной трубы вставляют шлиф для введения газа - носителя 3 - азота или кислорода.

Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 6,б), либо вводят в виде пара или газа в газ - носитель (рис. 6, в). На рис. 6, г показана схема диффузионной печи, применяемой в основном для диффузии из твердых источников методом открытой трубы, на рис. 6, д - схема бокс-метода. В последнем случае пластины и источник находятся в полусферическом контейнере 5 однозонной печи.

Наибольшее распространение в промышленности получила диффузия в открытой трубе, проводимая из твердых, жидких и газообразных источников.

Рис. 6. Способы проведения диффузии

Рассмотрим схему процесса диффузии в потоке газа-носителя с источником жидкого диффузанта, широко используемого в настоящее время.

Для загрузки партии пластин (рис.7) применяют кассеты из кварцевого стекла или кремния. Пластины размещаются поперек или вдоль оси кассеты и соответственно диффузионной трубы, куда загружаются кассеты с пластинами. При продольном расположении оси снижается турбулентность потока в реакторе.

Рис. 7. Схема процесса диффузии в открытой трубе в потоке диффузанта.

Операционный цикл включает следующие переходы:

• так называемая "промывка" реактора аргоном;

• вывод печи на заданный температурный режим (в течение 2-3 ч.);

• загрузка кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин. с подачей аргона для удаления десорбирующйхся газов;

• подача аргона с парогазовой смесью (диффузант и кислород);

• выдержка в рабочей зоне при постоянной температуре заданное время (собственно диффузия);

• прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с Пластинами.

Широкое применение получили печи диффузионные однозонные с несколькими трубами, диаметр которых примерно в полтора раза превышает диаметр обрабатываемых пластин. Среди диффузионных систем следует выделить СДО-125-3/015 (диаметр пластин 76 мм), СДОМ (диаметр пластин 100мм), ОКСИД-ПО (100-150 мм).

Погрешность поддержания температуры в рабочей зоне печи не более 0.5 °С. Контроль температуры ведется в нескольких точках (обычно в 3-х точках) платино-платинородиевыми термопарами.

В качестве источника примесей при диффузии используют специальные вещества (чистые или химические соединения), являющиеся источником атомов примеси и называемые диффузантами. По своему агрегатному состоянию диффузанты бывают твердые, жидкие и газообразные.

Твердые диффузанты. Фосфор. Наиболее распространенным источником является безводная пятиокись фосфора (фосфорный ангидрид) Р₂0₅.

P₂O₅ помещают в зону источника (рис.6,г) и нагревают до 230-300°С. Газ-носитель захватывает молекулы Р₂0₅ и переносит в зону диффузии. В процессе диффузии между Р₂0₅ и Si происходит химическая реакция с выделением элементарного Р и Si, образующих стекловидное соединение на поверхности пластины, из которого идет диффузия.

Другими источниками в твердой фазе являются нитрид фосфора P₃N₅, дигидрофосфат аммония NH₄H₂PO₄, гидрофосфат аммония (NH₄)₂HPO₄.

Фосфаты требуют более высоких температур источника (450-400°С). Недостатком P₃N₅ является непостоянство его состава и связанное с этим изменение давления паров, что дает невоспроизводимые результаты.

Бор. Самым распространенным источником в твердой фазе для диффузии в открытой трубе является борный ангидрид В₂0₃ или борная кислота, которая при высокой температуре дегидратируется с образованием В₂0₃. Температура источника составляет около 900°С. Обычно В₂0₃ и Н₃В0₃ используют в смеси с Si0₂, т.к. соприкосновение чистого В₂0₃ с кварцем вызывает его расстекловывание.

Жидкие диффузанты. Фосфор. В качестве жидких диффузантов используют оксихлорид фосфора РОСl₃, трихлорид фосфора РСl₃ и пентафторид фосфора PF₅. Обычно жидкие источники реагируют с избытком кислорода и образованием Р₂О₅. Эти диффузанты не гигроскопичны, имеют малый расход и стабильны по концентрации фосфора при длительном использовании.

Бор. Наиболее распространен трехбромистый бор ВВг₃. В газ-носитель добавляют кислород для окисления ВВг₃ до В₂0₃ и для защиты поверхности от образования черных нерастворимых отложений.

Газообразные диффузанты. Фосфор. Для диффузии фосфора в открытой трубе обычно используют фосфин РН₃. Механизм диффузии из РН₃ такой же, как и механизм диффузии из Р₂О₅. Недостатком РН₃ является его высокая токсичность.

Бор. В качестве газообразных источников бора используют треххлористый бор ВСl₃ и диборан В₂Н₆. ВСl₃ в нейтральной и восстановительной атмосфере образует с кремнием летучие соединения и выделяет В. При добавлении в поток ВСl₃ кислорода образуется борный ангидрид. Диборан используют в нейтральной, восстановительной и окислительной атмосфере. Пиролиз В₂Н₆ происходит при Т>300°С. Лучшей воспроизводимостью обладают системы с окислительной средой, содержащей до 0,01% В₂Н₆ и до 2,5% 0₂ в аргоне или азоте. Диборан взаимодействует с кислородом, образуя В₂0₃ и воду:

B₂H₆ + 3O₂ = B₂O₃ + 3H₂O.

Недостатком В₂Н₆ являются токсичность, легкая воспламеняемость на воздухе при концентрации более 0,8%, взрыв при соприкосновении с хлором.

В диффузионных структурах обычно контролируют глубину залегания p-n-перехода, поверхностную концентрацию, характер распределения диффундирующей примеси и значение градиента концентрации примеси в области р-n-перехода.

Для выявления диффузионных p-n-переходов пользуются методом косого шлифа (рис. 8, а), т.е. кристалл, содержащий p-n-переход, сошлифовывают под небольшим углом (1-5°). При этом наблюдаемый диффузионный слой заметно расширяется. Границу диффузионной области выявляют при помощи метода селективного окрашивания специальными травителями. Глубина залегания X_j в этом случае определяется по формуле

X_j=h∙tgα, (12)

где h – ширина p-n-перехода при заданной величине угла сошлифавывания α.

Рис. 8. Методы контроля глубины залегания диффузионных слоев с помощью косого (а) и сферического (б) шлифов.

Более точные результаты получают при использовании сферического шлифа (рис. 8,6). В этом случае

x_j(d₁²-d₂²)/4D,

где d₁ – диаметр лунки; d₂ – диаметр нижней границы p-n-перехода; D –диаметр шара (30...150мм).

Диффузионный слой можно аппроксимировать последовательностью элементарных слоев с различной, но постоянной в их пределах концентрацией примеси. Проводимость вдоль диффузионного слоя является суммой проводимостей элементарных слоев. Измерив 4-зондовым методом поверхностную проводимость σ_sO, удалив элементарный слой толщиной ∆ и вновь измерив поверхностную проводимость σ_s, среднюю концентрацию свободных носителей заряда в удаленном слое, можно рассчитать по формулам:

,

, (13)

где I – ток через образец; U₀, U - значения напряжения на потенциальных зондах; µ - средняя подвижность носителей заряда. Подвижность µ является функцией концентрации примеси. Поэтому (13) лучше решать не относительно С, а относительно произведения µC_i и значения С_i, вычислять по кривой C_i=f(µ C_i).

Определение градиента концентрации примеси определяют путем измерения емкости p-n-перехода. При достаточно малых обратных смещениях, когда ширина перехода невелика, распределение примеси в нем с удовлетворительной точностью можно считать линейным. Емкость плавного перехода на единицу площади определяется по формуле

, (14)

Отсюда градиент концентрации

a_j = k∙C_g∙U, (15)

где k= 24/π∙е∙ε²ε₀². Измерив емкость при данном напряжении, можно оценить градиент концентрации примеси.

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 1172 | Нарушение авторских прав