Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

невоспроизводимой. Протекая над P2Os, газ-носитель захватывает молекулы пятиокиси и переносит их в зону диффузии.

Системы такого типа обеспечивают регулирование и воспроиз­ водимость параметров при высоких поверхностных концентрациях. Чтобы получить наилучшие результаты при использовании Р2О5* нужна обезвоженная система, так как Р2О5 отличается высокой гигроскопичностью. Для предотвращения воздействия влаги на Р2О5 его помещают в поливиниловые ампулы, заполненные аргоном.

Для каждого цикла диффузии требуется новая порция источни­ ка Р2 О5 . Кроме того, поверхностная концентрация падает через 3—4 ч после помещения Р2О5 в печь вследствие истощения источ­ ника. Перед диффузией в целях сохранения качества поверхности пластин и достижения стабильности источника осуществляют его старение около 30 мин в зоне источника. При этом возможна дегид­ ратация Р2 0 5.

В процессе диффузии между Р2О5 и кремнием происходит хими­ ческая реакция, в результате которой выделяются элементарный фосфор и окись кремния, образующие стекловидное соединение на поверхности пластины. Из этого аморфного соединения идет диффу­ зия. Стекловидный слой защищает кремний от поверхностной эрозии.

Другими источниками в твердой фазе, используемыми для диф­ фузии фосфора в открытой трубе, являются нитрид фосфора P3N5,. одноосновный фосфат аммония — NH4H2PO4, двуосновный фосфат аммония — (NH4)2HP0 4 . Фосфаты аммония гораздо менее чувстви­

удовлетворительную поверхностную концентрацию. Красный фос­ фор из-за непостоянства его состава и давления паров дает плохую воспроизводимость и практически не используется. Кроме того,, красный фосфор взрывоопасен в кислороде.

Недостатком нитрида фосфора P3N5 является непостоянство его состава и связанное с этим изменение давления паров, что дает невоспроизводимые результаты. Кроме того, для него требуется обязательное введение старения до диффузии, а из-за различий в составе трудно рассчитать заранее период старения каждой пар­ тии. Хотя он позволяет получить более низкую поверхностную кон­ центрацию, чем Р2О5, невоспроизводимость P3N5 сводит на нет это единственное преимущество.

Бор. Самым распространенным источником в твердой фазе,, используемым для диффузии бора в открытой трубе, является бор­ ный ангидрид В20 3. Применяют также борную кислоту Н3В 03, ко­ торая легко дегидратируется нри высокой температуре, образуя

158

окись бора. Установка для диффузии из В2 0з в открытой трубе очень сходна с используемой для Р2О5, за исключением того, что поддерживается значительно более высокая температура источни­ ка В2 0з — порядка 900° С.

С В20 3 сравнительно трудно работать, так как при нагреве он вспучивается, пузырится и растекается из керамического контейне­ ра. Эти явления ослабляются, когда диффузант медленно вводят в зону источника, но полностью не устраняются. Поэтому до поме­ щения в зону источника В20з нагревают и, перемешивая шпателем, заставляют опуститься на дно контейнера. Это повторяют несколь­ ко раз.

Кварц, из которого чаще всего изготовляют оборудование для диффузии, нельзя использовать в системе с В20з. Когда В20 3 со­ прикасается с кварцем, происходит расстекловывание, и кварц ста­ новится негодным к употреблению. Можно использовать керамику или платину, но из керамики выделяются примеси, а платина — до­ рогостоящий материал.

Для устранения недостатков В20 3 или Н3В 03 их смешивают с Si02, используя метод совместного осаждения из тетраэтилортосиликата — SiO (СН3СН2)4.

При использовании В20з можно получить широкий диапазон ве­ личин поверхностных концентраций, но воспроизводимость пара­ метров при этом невысокая.

Жидкие диффузанты. На рис. 5.17, в показана система диффу­ зии в открытой трубе из жидкого источника. Для регулирования температуры жидкого источника и давления паров контейнер с ис­ точником термостатируют.

Фо с фо р . Ряд желательных характеристик имеет оксихлорид — РОС13. Он не гигроскопичен, имеет малый расход, стабилен по кон­ центрации фосфора при длительном использовании. Механизм диф­ фузии из жидкого источника аналогичен диффузии из P2Os, так как жидкие источники реагируют с избыточным кислородом, образуя Р20 5. На поверхностную концентрацию влияет расход РОС13, тем­ пература источника, диаметр диффузионной трубы, конструкция отражателя паров и состав газа-носителя. Как правило, по воспро­

втвердой фазе.

Стем же успехом используют трихлорид фосфора — РС13 и пен­

тафторид фосфора — PF5 .

Бор. Трехбромистый бор ВВг3 — наиболее распространенный источник в жидкой фазе, используемый в системах диффузии бора в открытой трубе. Процесс диффузии почти такой же, как для фос­ фора из жидкого источника; только азот иногда пропускают над ВВг3, а не через него. Поверхностной концентрацией мож-'о управ­ лять путем изменения температуры диффузии, температуры источ­ ника и расхода потока. В газ-носитель добавляют кислород для окисления ВВг3 до В20 3 и для защиты поверхности от образования черных нерастворимых отложений.

159

Газообразные диффузанты. Ф осф ор . Фосфин — РН3 исполь­ зуют в системах диффузии фосфора в открытой трубе из газообраз­ ного источника. РНз имеет много преимуществ по сравнению с Р2О5, однако он токсичен. Механизм диффузии из РН3 такой же, как

имеханизм диффузии из Р2О5, поскольку он превращается в Р2О5

врезультате окисления, когда поступает в нагретую диффузионную камеру. Разбавление РН3 инертным газом является способом регу­ лирования поверхностной концентрации.

Фосфин не поглощает воду. Цилиндра с разбавленным газом хватает на большое число циклов диффузии. С помощью этой си­ стемы можно получить низкую поверхностную концентрацию. Одна­ ко кварцевая диффузионная труба поглощает РН3 из газа-носите­ ля и после некоторого периода работы становится источником до­ полнительного легирования, что затрудняет регулирование и ухуд­ шает воспроизводимость при низких поверхностных концентрациях.

Бор. При комнатных температурах треххлористый бор — ВС13 является газом. В нейтральной или восстановительной среде при повышенной температуре он взаимодействует с кремнием, образуя летучие соединения:

4ВС13 Д 3Si ^3S iC l4 + 4B

2BCI3 + ЗН2 6НС1 -г 2В

4НС1 Ц Si ->SiCI4 -f 2Н2

При добавлении кислорода в поток ВС13 образуется борный ангидрид и диффузия сходна с диффузией из В20 3:

2ВС13 + 30, + ЗН3, - 2В,03 + 6НС1

Si -f О, -* SiO,

Добавление кислорода позволяет регулировать поверхностную концентрацию.

При высокой концентрации ВС13 в потоке на поверхности крем­ ниевых пластин образуются темные пятна, которые, по-видимому, являются субокисью бора примерного состава В60 и не удаляются никаким известным растворителем и могут быть сняты только ме­ ханически. Поверхностные дефекты обусловливают невоспроизводимость параметров.

Очень удобным источником для управления диффузией является диборан — В2Н6. Его можно использовать в восстановительной или нейтральной среде — в протоке аргона, азота и водорода, содержа­ щих до 0,05% диборана. При 7>300° С происходит пиролиз В2Н6 с образованием элементарного бора. Лучшей воспроизводимостью обладают системы с окислительной средой, содержащие до 0 ,0 1 % В2Н6 и до 2,5% 0 2 в аргоне или азоте. Диборан взаимодействует

скислородом, образуя борный ангидрид и воду:

В,Ни + 30, = В20 3 + ЗН,0

160

Т а б л и ц а 5.3

Источники примесей для диффузии бора и фосфора в потоке газа-носителя