Использовать чистые легирующие элементы в качестве источников примеси в процессе диффузии затруднительно:
- Бор является тугоплавким элементом и при температуре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара;
- Фосфор при нагреве легко воспламеняется;
- Мышьяк – высокотоксичен.
Способы диффузионного легирования
В качестве источников примеси применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды легирующего элемента (т.н. диффузанты).
По способу нанесения диффузанта процессы различают:
1. Нанесение диффузанта на пластины в ходе диффузии (внешний источник):
- твёрдый источник; - жидкий источник; - газообразный источник.
2. Нанесение диффузанта на пластины кремния до диффузии (примесные покрытия).
Диффузия из жидкого источника
Диффузия из газообразного источника
Источником примеси является баллон со сжатым газом (B2H6, PH3).
Особенности диффузии из газообразных источников
- Метод характеризуется высокой технологичностью, воспроизводимостью и легкостью управления концентрацией примеси;
- Недостатком метода является высокая токсичность гидридов, что требует тщательной герметизации элементов установки, сбора продуктов реакции на выходе, контроля производственной атмосферы.
ПДК (мг/м3) диборана (B2H6)–0,5, фосфина (PH3)– 0,1, арсина (AsH3) – 0,3, стибина (SbH3) – 0,05.
Диффузия из твёрдого источника
Твёрдый планарный источник (ТПИ) – пластина, содержащая твёрдый диффузант (B2O3 или P2O5) и инертную тугоплавкую основу.
ТПИ располагают непосредственно в зоне диффузии между кремниевыми пластинами.
Акцепторные ТПИ
Представляют собой кремниевую пластину с нанесенным слоем B2O3 либо пластину нитрида бора, обработанную в сухом кислороде при температуре 1200°С:
4BN+3O2→2B2O3+2N2
Донорные ТПИ Примером может служить пластина метафосфата алюминия, который в диапазоне температур 700 – 1200 °С разлагается по реакции:Al(PO3)3 → AlPO4+P2O5.
Технология диффузии из внешнего источника
1 – источник жидкогодиффузанта, 2 – вентиль, 3 – ротаметр, 4 – кварцевая труба, 5 – газосмеситель, 6 – нагреватель, 7 – кварцевая кассета с пластинами.
Особенности устройства реактора
- Диффузия проводится в кварцевой трубе,снабженной резистивным нагревателем;
- В зоне диффузии длиной 40 – 60 см поддерживается температура до 1250 °Сс точностью ± 0,25 – 0,5 °С;
- При температурах более 1200 °С в качестве материала реактора предпочтительно использовать вместо кварца карбид кремния (SiC).
Загрузка - выгрузка пластин
Для групповой загрузки пластин применяют кассеты из кварцевого стекла или карбида кремния.
Для загрузки-выгрузки кассет используют стержень с крючком либо консольный загрузчик.
Загрузка – выгрузка в вертикальном реакторе
Подача диффузанта
Для насыщения парами диффузанта
транспортирующий газ (N2, Ar) пропускается над жидкостью либо барботируется через нее.
Питатель источника диффузанта, как правило помещают в термостат. Расход транспортного газа составляет 0,5 – 1,5 л/ч.
При постоянном расходе транспортирующего газа концентрация диффузанта в нем регулируется температурой источника.
При необходимости окисления кремния кислород подают в смеси с транспортным газом.
