2. Диффузия из ограниченного источника примеси -

когда количество атомов примеси, уходящее из поверхностного слоя вглубь полупроводника не восполняется. При этом поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.

Двухстадийная диффузия.

При обычных комнатных температурах диффузия в твердых телах практически не наблюдается. Диффузию в полупроводниках ведут при высоких температурах -1000°-1200°С.

Диффузию проводят в две стадии:

1. Первую стадию, называемую "загонкой", проводят при сравнительно невысоких температурах ( 950° - 1050°С ) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла (ФСС или БСС), под которым в процессе загонки создается приповерхностный слой с высокой концентрацией примеси в нем.

1 - маскирующий окисел

2. полупроводниковая пластина

3. примесно-силикатное стекло

4. диффузионная область после загонки

2. Вторую стадию, диффузионный отжиг, называемую "разгонкой", проводят, предварительно удалив примесно- силикатное стекло.

5. окисная плёнка, растущая при разгонке

6. диффузионная область после разгонки

Температура второй стадии выше - 1050° - 1230°С. Примесь, введенная на первой стадии, перераспределяется, поверхностная концентрация уменьшается за счет частичного ухода примеси вглубь пластины. Глубина проникновения примеси в полупроводниковую пластину увеличивается до заданной глубины. Создается требуемая диффузионная область.

Температура и длительность второй стадии диффузии определяется требуемой глубиной диффузионной области. Процесс ведут в окислительной среде. Растущая при диффузии примеси пленка SiO₂ защищает поверхность кремния от эрозии (в результате его возможного испарения ), от нежелательных химических реакций, от испарения, от

попадания посторонних частиц.

Способы проведения диффузии.

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой трубе. Кремниевые пластины (от 50 до 200 штук) загружают в кассете в кварцевую трубу через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с системой подачи газа- носителя.

Источниками примеси (диффузантами) являются твердые, газообразные, жидкие, стеклообразные соединения, в состав которых входит легирующий элемент. Примеси в элементарном состоянии для диффузии не применяют.

При проведении диффузии с использованием твердого источника применяют двухзонные печи.

1- газовая система

2 - источник примеси

3 - кварцевая труба

4 - п/п пластина

5 - нагреватель

6 - выходное отверстие

В низкотемпературной зоне помещают контейнер с порошком источника примеси ( В₂О₃ - борный ангидрид; Р₂О₅ - фосфорный ангидрид ), в высокотемпературной зоне помещают кассету с пластинами.

Газ-носитель (смесь инертного газа и кислорода), поступая из системы подачи газа, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через выходное отверстие. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает молекулы источника примеси и переносит их в зону расположения пластин. Молекулы источника примеси адсорбируются на поверхности пластин. На поверхности идут химические реакции с освобождением элементарной легирующей примеси, которая и диффундирует в глубь полупроводниковой пластины:

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В ( 1 )

2 Р₂O₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р ( 2 )

При проведении диффузии с использованием газообразного источника

газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в кварцевую трубу смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь, которая диффундирует в глубь пластины.

Например, процесс диффузии фосфора при использовании фосфина РН₃ сопровождается реакциями:

4 РН₃ + 5 O₂ → 2 Р₂О₅ + 6 H₂ - в трубе

2 Р₂О₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р - на поверхности кремния

А процесс диффузии бора при использовании диборана B₂Н₆ сопровождается реакциями:

2 B₂Н₆ + 3 O₂ → 2 B₂О₃ + 6 H₂ - в трубе

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В - на поверхности кремния

Диффузия проводится в однозонной печи.

При проведении диффузии с использованием жидкого источника применяют однозонную печь.

Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и в зоне реакции, расположенной перед зоной диффузии, образуются оксиды соответствующих легирующих элементов:

В трубе: 4 POCl₃ + 3 O₂ → 2 P₂O₅ + 6 Cl₂

или

4 BBr₃ + 3 O₂ → 2 B₂O₃ + 6 Br₂

А на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь:

2 Р₂O₅ + 5 Si → 5 SiO₂ + 4 Р

или

2 В₂O₃ + 3 Si → 3 SiO₂ + 4 В ,

которая диффундирует в глубь пластины.

Преимуществами способа диффузии в открытой трубе являются легкая управляемость составом паро-газовой смеси и скоростью газового потока, атмосферное давление.

После проведения процесса диффузии контролируются следующие параметры:

1. глубина залегания диффузионной области,

2. удельное поверхностное сопротивление,

3. дефектность диффузионной области.