книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

эХ

УX

о

\о

га

Си

gE

S Я

р,>>

s «

СиО)с

н

« ев 5

Жй«3 С>§.§*

к° о

«га «•--

о н

<uX Xа>

о 2 S

а i «и

«

со а>

X ' >X

гаXXо

е( .

1

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ ДИФФУЗИЕЙ ПРИМЕСЕЙ

§ 20. Сведения о диффузионном процессе

Диффузия—это «процесс проникновения атомов одного веще­ ства между атомами другого. Процессы диффузии «подчиняются двум законам Фика. Первый закон Фика устанавливает линейное соотношение между удельной величиной потока диффундирующих атомов и градиентом их концентрации. Чтобы диффузия протека­ ла, необходим перепад концентраций. Второй закон Фика связы­ вает градиент концентрации с изменением концентрации диффун­ дирующего вещества во времени. Оба закона описываются диффе­ ренциальными уравнениями высшей математики, решая которые, можно определить:

коэффициент диффузии, характеризующий число атомов, прохо­ дящих в единицу времени через единицу площади поверхности при единичном градиенте концентрации;

поток атомов через данную поверхность; количество вещества, продиффундировавшего за определенное

время.

При производстве полупроводниковых приборов диффузию ис­ пользуют для введения в полупроводник тех или иных примесей и проводят при постоянной температуре и постоянной поверхностной концентрации примеси, регулируя процесс во времени.

Если при введении примеси образуются носители заряда, знак которых противоположен типу проводимости исходного полупро­ водника (например, дырки в «-германии), в полупроводнике обра­ зуется электронно-дырочный переход, который располагается в плоскости, где концентрации примесей обоих типов будут равны.

Параметры диффузионных приборов в значительной мере опре­ деляются глубиной залегания электронно-дырочных переходов, ко­ торая, в свою очередь, зависит от времени и температуры диффузии. Задаваясь необходимой глубиной залегания и зная коэффициент диффузии и поверхностную концентрацию примеси, можно найти режим диффузионного процесса расчетным путем. Зависимость глу­ бины залегания перехода от времени (при постоянной температуре диффузии) можно найти также экспериментально.

Рассмотрим особенности конструкции двух кристаллов с диффу­ зионными р—«-переходами: германиевого высокочастотного пла­ нарного транзистора ГТ311 (рис. 30, а) и кремниевого высокочас­ тотного планарного транзистора КТ312 (рис. 30, б).

В транзисторе ГТ311 коллекторной областью кристалла являет­ ся германий марки ГЭС 0,027 Шв электронного типа проводимости. Базовую область (с дырочным типом проводимости) создают диф­ фузией галлия, а эмиттерную — диффузией мышьяка. Таким обра-

52

зом, транзистор имеет п—р—«-структуру. Невыпрямляющие (оми­ ческие) контакты с базой и эмиттером получают вакуумным напы­ лением и последующим вплавлением трехкомпонентного сплава серебро — золото — сурьма. К этим контактам методом термокомп­ рессии присоединяют электродные выводы из сплава золото — се­ ребро (микропроволока 0 15 мкм). Поверхность кристалла защи­ щают пленкой двуокиси кремния. В плане (вид сверху) контактные

Поверхность кристалла защищают слоем двуокиси кремния. В пла-> не контактные площадки эмиттерной области имеют круглую, а ба­ зовой— овальную форму.

Известны несколько методов осуществления диффузии: при встречной диффузии примесь проникает в полупроводниковую плас­ тину с обеих сторон; при одновременной диффузии в кристалл сра­ зу вводят две разные примеси; последовательная диффузия выпол­ няется в две стадии, что делает процесс более гибким (например, можно использовать донорную и акцепторную примеси с близкими коэффициентами диффузии, регулируя глубину залегания диффузи­ онных слоев изменением режима процесса при переходе от его пер­ вой стадии ко второй).

Любую примесь вводят в полупроводник обычно в два этапа. Сначала вблизи поверхности пластины создают обогащенный диф­ фузионный слой с определенной, сравнительно большой, концентра­ цией примеси и, соответственно, малым удельным сопротивлением (так называемая загонка диффузанта).

Этот процесс осуществляют термической обработкой полупро­ водника в парах примеси — чаще всего из потока газа-носителя.

53

Очищенный газ (азот, аргон, гелий), проходя над разогретым диффузантом, переносит его пары в зону диффузии, где они частично осаждаются на полупроводниковых пластинах и диффундируют в них. Остальная часть примеси выбрасывается из системы вместе с газом. Процесс продолжается несколько часов и ведется в двух­ зонной печи, рабочим каналом которой является труба из чистого высококачественного кварца, обладающего способностью длитель­ ное время выдерживать нагрев до 1300° С и не служить источником каких-либо загрязнений.

После проверки удельного сопротивления пластин приступают ко второму этапу — переведению примеси вглубь полупроводника (разгонке диффузанта).

Эту операцию обычно проводят в однозонной печи, рабочим ка­ налом которой служит кварцевая или керамическая труба. Кера­ мика по сравнению с кварцем обладает большей термостойкостью. На первом этапе диффузии керамические трубы непригодны, так как их поверхность может насыщаться парами диффузанта, что в дальнейшем приводит к браку кристаллов, а очистка (промывка) керамических труб не дает надежных результатов. Второй этап диффузии может длиться несколько десятков часов.

§ 21. Технологические методы создания окисной пленки

При изготовлении германиевых и кремниевых планарных и пла­ нарно-эпитаксиальных приборов на поверхности пластин одновре­ менно с диффузией создают пленку двуокиси кремния (БЮ2). Плен­ ка двуокиси кремния служит для маскировки отдельных участков кристалла при проведении локальной диффузии, пассивирования и стабилизации поверхности полупроводника, а также изоляции ак­ тивных и получения пассивных компонентов приборов и микросхем.

Достоинствами пленки двуокиси кремния является сравнитель­ но высокая температуростойкость, химическая инертность, высокая диэлектрическая прочность и механическая совместимость с полу­ проводниковыми материалами. Кроме того, при небольшом коэф­ фициенте термического расширения пленка двуокиси кремния об­ ладает достаточной эластичностью.

Недостаток пленки — пористость, снижающая эффективность пассивации и ведущая к нестабильности параметров приборов.

В настоящее время исследуется возможность применения пле­ нок нитрида кремния (Б^зИД, окиси алюминия (А120 3), а также их сочетаний с двуокисью кремния.

Пленку двуокиси кремния на пластинах кремния получают не­ сколькими методами, основными из которых являются окисление кремния во влажном, а затем сухом кислороде и осаждение гото­ вого окисла. Первый метод основан на химической реакции окисле­ ния поверхности самого полупроводника при высокой температуре и пригоден лишь для кремниевых приборов. Что же касается осаж­ дения, то оно может проводиться пиролизом, испарением в вакууме или реактивным (катодным) распылением.

54

Кроме того, существует несколько способов получения защит­ ных пленок в вакууме, которые не нашли, однако, широкого приме­ нения (например, возгонка моноокиси кремния, распыление квар­ цевого стекла разогревом его электронным лучом и др.).

Рассмотрим метод химического окисления кремния.

Окисление кремниевых пластин обычно ведут в две стадии: сна­ чала во влажном, а затем в сухом кислороде. Увлажнение кислоро-

Рис. 31. Установка для создания пленок двуокиси крем­ ния:

да способствует быстрому росту пленки, а последующая обработка сухим газом обеспечивает снижение ее пористости. Толщина на­ чального слоя равна 10 000—15 000 А, что обеспечивается поддержа­ нием на заданном уровне рабочей температуры, расхода кислоро­ да, а также температуры воды в увлажнителе.

Схема установки для окисления пластин кремния во влажном и сухом кислороде показана на рис. 31, а. Кислород из баллона про­ пускают через увлажнитель 4, в котором находится дистиллирован­

55

ная вода, подогреваемая электроплиткой 5, и подают в рабочий канал термической установки 3. Содержание влаги в потоке газа определяется температурой воды и скоростью потока, которую уста­ навливают по ротаметру 7. Получаемая пленка двуокиси кремния имеет много дефектов (в основном пор), которые устраняются по­ следующей термообработкой в сухом кислороде, подаваемом непо­ средственно в термоустановку (в обход увлажнителя). Окончатель­ ная толщина пленки составляет 3000—4000 А.

На пластины германия двуокись кремния осаждают в процессе

ной на рис. 31, б. Кассету 2 с пластинами 1 помещают в кварце­ вую трубу и после предварительной продувки аргоном подают пары этилсиликата. Носителем паров является также аргон. Разложение этилсиликата с осаждением пленки двуокиси на германии обычно происходит при температуре 650—665° С. В течение 80 мин толщи­ на пленки достигает 0,15 мкм. Скорость осаждения пленки дву­ окиси кремния пропорциональна времени проведения процесса при постоянной температуре.

Пленку двуокиси кремния получают при сравнительно высоких температурах (1200—1300° С на кремнии и 650—700° С на герма­ нии), которые могут изменять электрофизические свойства полупро­ водников из-за миграции легирующих примесей. Чтобы устранить это явление, целесообразно получать защитные пленки при низких температурах. Использование низкотемпературных процессов поз­ воляет применять для защиты полупроводника не только двуокись кремния, но и различные стекла. Осаждение Si02 в этом случае происходит при реакции окисления газа-силана (SiH4):

SiH4+ 2 0 2^ S i0 2+2H 20

При температуре подложек (пластин полупроводника) около 300° С удается получить окисные пленки высокого качества.

Термическая установка ЖКМ3017.017 для низкотемпературного осаждения двуокиси кремния, показанная на рис. 32, состоит из реактора, привода рабочего столика, а также вакуумной, газовой и электрической систем.

Реактор 1 смонтирован на металлическом каркасе и сверху за­ крыт стеклянным колпаком, уплотненном на фланце прокладкой. Внутри колпака размещается нагреватель 2 — керамическая плит­ ка, закрытая сверху металлическим корпусом, а снизу — теплоизо­ ляционной вставкой. Корпус нагревателя опирается на фтороплас­ товую прокладку, лежащую на основании реактора.

Подложки помещают на вращающийся рабочий столик 3, при­ водимый в движение от специального привода 4, который состоит из электродвигателя постоянного тока, муфты, двухступенчатого чер­ вячного редуктора и конической шестеренчатой передачи. Верти­ кальный вал столика вращается в специальной опоре, которая обес­ печивает вакуумную плотность реактора. Опора и подшипники рас­ положены в отдельном корпусе.

56

Перед осаждением пленки реактор откачивают с помощью ва­ куумной системы 6 (насос, электромагнитные клапаны, вентили, трубопроводы и другая арматура), а затем в него подают смесь си­ лана, кислорода и аргона. В результате окисления силана обра­ зуется двуокись кремния, осаждающаяся на пластинах полупро­ водника.

Рис. 32. Термическая установка ЖКМЗ 017.017 для низ­ котемпературного осаждения двуокиси кремния на по­ лупроводниковые пластины:

Рабочий столик охлаждают струей азота через корпус подшип­ ников. Семь штуцеров основания служат для подачи и удаления га­ за, откачки колпака, ввода и слива воды. Температуру нагревателя поддерживают на заданном уровне с помощью системы терморегу­

лирования 5.

57

Установку можно также применять для осаждения пленки с од­ новременным легированием полупроводника. Краткая техническая характеристика установки ЖКМЗ 017.017 приведена ниже:

§22. Технология диффузионных процессов

Внастоящее время широко применяют следующие технологиче­ ские методы проведения диффузии: в отпаянной ампуле, в потоке газа-носителя, в замкнутом объеме (бокс-метод). Кроме того, про­ водят диффузию в вакууме, из сосредоточенных (метод окраски),

атакже окисных источников.

Рис. 33. Схема диффузии в отпаянной ампуле:

/ —термоустановка, 2 — кварцевая ампула, 3 — полупроводниковые пла­ стины, 4 — термопара, 5 — диффузант

Д и ф ф у з и ю в о т п а я н н о й а м п у л е выполняют по схеме, показанной на рис. 33. Источник примеси (диффузант) 5 и полу­ проводниковые пластины 3 помещают в кварцевую ампулу 2 , кото­ рую откачивают или заполняют газом, а затем запаивают. Диффу­ зию ведут при определенной температуре, для чего ампулу помеща­ ют в термоустановку 1, снабженную термопарой 4. Перед загрузкой диффузант может быть нанесен на поверхность пластин или поме­ щен в ампулу. Процесс проводят при постоянной или изменяющей­ ся температуре.

58

Этим методом проводят диффузию на германии и кремнии. На­ грев выше 1300° С недопустим, так как кварцевая ампула дефор­ мируется. Кроме того, рост давления в ампуле при нагревании мо­ жет быть причиной ее разрушения.

ВУ

59