.

Методы осуществления диффузии

 Источником примеси в процессе диффузии является соединение, содержащее легирующие элементы и называемое диффузиантом. В зависимости от состояния при сопротивлении температуре, различают твердые, жидкие  и газообразные диффузианты.

Диффузия проводится в два этапа:  загонка и разгонка примеси. Параметрами процесса загонки являются – концентрация диффузианта и кислорода в газе наслоителе, расход газовой смеси, температура в зоне диффузии, время процесса.

Разработано несколько методов загонки примеси:

- диффузия в открытой трубе в потоке газоносителя

- диффузия в герметичном объеме или ампуле

- бокс-метод 

Диффузия в открытой трубе Для транспортировки паров диффузианта  в зоне диффузии используют аргон и другие газы, не взаимодействующие с кремнием и практически не диффузируемые в него. Для насыщения парами диффузианта транспортируемый газ пропускает либо над над поверхностью диффузианта, либо через диффузиант в зависимости от требуемой концентрации. При постоянном расходе газа концентрация диффузианта в нем регулируется температурой источника. В установке предосмотрена подача кислорода в смеси с транспортируемым газом, который создает окислительную среду. Растущее в процессе диффузии примеси силикатное стекло является поверхностным источником для диффузии примеси, полупроводник предохраняет поверхность кремния от эрозии из-за  искажения и нежелательных химических реакций на поверхности кремния. Это повышает проводимость диффузии.

При газообразных диффузантах источник с жидким газом – фосфин и Деборин. Проводимость процесса высокая. Для повышения проводимости используют например в качестве источника примеси пластину кварца, покрытую тонким слоем B2O3. Источник помещается над пластинами кремния параллельно подача  с пластиной газа-носителя, который протекает между ними, пары примеси диффузируя попадают на кремний.

Недостатки и ограничения процесса термической диффузии: высокая температура процесса – приводит к перераспределению примеси в ранее сформированных слоях и областях, а так же к смещению p-n перехода, что затрудняет проводимость активной базы толщиной не менее 0,6 микрон

наличие боковой диффузии увеличивает площадь отдельных диффузионных областей и элементов в целом

зависимость коэффициентов диффузии и растворимости примеси от температуры исключают возможность использования многих элементов для микроэмитропии. 

Диффузия примеси на этапе разгонки Для получения заданных значений параметров диффузии после этапа загонки проводится разгонка примеси. Это операция выполняется в обычной печи, после снятия с поверхности пластины примесью силикатного стекла. Процесс проводят в кислородосодержащей среде в присутствие аргона. На втором этапе диффузии идут одновременно 2 процесса – диффузия примеси в глубь кристалла и окисление поверхности кремния, обогащенным примесью. От соотношения скоростей этих процессов будет зависеть результирующая поверхность, концентрация примесей, глубина залегания p-n перехода и вид распределения по глубине диффузионного слоя.

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управ­лять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к плас­тине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположе­ния относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10-2 — 10-1 Па или заполняют инертным газом и запаивают (см. рис). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200°С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1 диффузионной печи с нагревателем При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирова­ния до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная ток­сичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме. После проведения процесса ампулу разрушают (вскры­вают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ при­меняют преимущественно при диффузии мышьяка. 

Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диф­фузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в квар­цевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного от­верстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крыш­кой и проводят диффузионный процесс. По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную кон­центрацию примеси. Преимуществом перед ампульным спосо­бом является возможность многократного применения квар­цевой ампулы.