5.3. Технология получения диффузионных переходов

Диффузионный метод получения переходов широко используется в настоящее время в производстве полупроводниковых приборов. Он нашел также применение в сочетании с другими методами, например в сочетании со сплавным методом, когда переход полу­чают вытягиванием из расплава с одновременной  диффузией при­месей, и др.

Эти методы предусматривают диффузию примесей в твердое тело полупроводника при высокой температуре (800° С для гер­мания и 1 250° С для кремния), вследствие чего происходит внед­рение выбранной примеси в твердое тело и изменение типа прово­димости полупроводника.

Диффузии примесей можно производить несколькими техно­логическими приемами, например:

1) в запаянной кварцевой ампуле;

2) с помощью газа-носителя в открытой трубе;

3) из стекловидных соединений;

4) на воздухе из нанесенных по поверхности полупроводника пленок;

5) из рекристаллизованных слоев.

Метод запаянной ампулы наиболее прост. Он применяется как в производственных, так и в лабораторных условиях. Пласти­ны германия и кремния вместе с веществом, которое должно диф­фундировать, заключают при этом в кварцевую ампулу, которую откачивают и запаивают. Поместив ее затем в печь, нагревают до необходимой температуры в течение времени, обеспечивающего проникновение диффузанта на заданную глубину. Поверхностная концентрация примеси, устанавливающаяся в ампуле, опреде­ляется давлением ее паров при данной температуре.

Недостаток этого метода состоит в так называемой эрозии по­верхности полупроводника. При достаточно высокой концентрации примеси происходит либо образование ее сплава с полупровод­ником, либо химическое соединение. При этом вследствие высокой температуры они испаряются с поверхности, оставляя неровности. Такое явление наблюдается при использовании в качестве диффузантов фосфора, сурьмы, мышьяка, бора и некоторых других веществ. Кроме того, необходимость каждый раз запаивать ам­пулу и затем разрушать ее по окончании каждой операции создает большое неудобство в производстве. Поэтому в процессе совер­шенствования этого метода кварцевая ампула было заменена специальным разборным контейнером. Он состоит из двух квар­цевых стаканов, соединенных встык, а место соединения уплот­няется платиновой лентой. Такой контейнер не является полностью герметичным, но утечки из него диффузанта незначительны и мало влияют на конечный результат.

Диффузию из газа-носителя производят в двухзонной либо трехзонной печах при одновременной диффузии двух примесей. В качестве газа используют азот, аргон или водород. Печь имеет зону низкой температуры, где располагается диффузант, и высо­котемпературную зону — зону диффузии. Пластины кремния помещаются в высокотемпературной зоне и омываются проходя­щим по трубе газом-носителем, насыщенным парами диффузанта. Вследствие наличия градиента концентрации последнего у поверхности и в объёме пластины и высокой температуры он проникает в объем. Количество диффундирующей примеси определяется ее поверхностной концентрацией, температурой и временем. Чем выше температура, тем больше испаряется примеси и тем выше концентрация в газе-носителе и поверхности полупроводника.

В качестве газа-носителя используют водород, гелий или аргон (сухие или увлажненные) и кислород. При использовании сухих инертных газов и водорода наблюдается эрозия поверхности кремния. У германия эрозия незначительна, что связано со срав­нительно низкой температурой диффузии и меньшей его химиче­ской активностью. При использовании азота и наличии высокой температуры наблюдается образование нитридов, которые выпада­ют на поверхность.

Хорошие результаты можно получить, используя слабо увлажненные инертные газы или сухой кислород. В этом случае на поверхности образуется слабая окисная пленка, которая пре­пятствует эрозии, но пропускает диффузант. Затем травлением в плавиковой кислоте она удаляется, и поверхность кремния остается гладкой.

Преимущество данного метода — хорошая воспроизводимость, а его недостаток — трудность получения высокой поверхностной концентрации (выше 10¹⁸ см³) и наличие в той или иной степени эрозии поверхности кремния.

Чтобы полностью избежать поверхностной эрозии чистые эле­менты III или V группы заменяют их окислами, в результате чего диффузия идет из стекловидных слоев, образующихся на поверхности. Особенно хорошие результаты это дает в случае применения соединений В₂0₃ и Р₂0₅.

Диффузию на воздухе из нанесенных на поверхность полу­проводника пленок производят для тех металлов, которые имеют малое значение упругости паров.

Диффузию из рекристаллизованного слоя применяют в про­изводстве так называемых диффузионно-сплавных приборов, главным образом транзисторов. В полупроводник сначала вплав­ляют сплав, содержащий диффузант. После получения однород­ного сплава с полупроводником температуру несколько снижают, и на границе расплав — твердое тело выпадает некоторое коли­чество полупроводника, захватывая с собой часть примеси. Коли­чество последней определяется рас­творимостью при данной темпера­туре. Достаточное время выдержки при высокой температуре приво­дит к диффузионному перемещению примеси в глубь полупроводника.

Этим методом удается получать выпрямительные диоды, обла­дающие более высокими пробивными напряжениями по сравнению со сплавными диодами.