ИСТОЧНИКИ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ

1.  ИСТОЧНИКИ ПРИМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ В КРЕМНИЙ

В данном разделе рассматриваются основные известные источники примесей бора и фосфора для проведения диффузии в кремнии. Помимо хорошо известных и нашедших применение в промышленности источников рассматриваются также менее известные источники, интерес к которым возник в связи с разработкой технологии изготовления кремниевых солнечных элементов. Такими источниками являются поверхностные источники диффузии.

Также будут рассмотрены методы проведения диффузии, так как эффективность использования конкретного источника диффузанта в значительной степени определяется методом проведения процесса диффузии.

1.1.   Источники примесей для диффузионного легирования кремния

К основным источникам примесей относятся жидкие, газообразные, твердые, твердые планарные источники а также поверхностные источники. Газообразные, жидкие, твердые и твердые планарные источники объединяет то, что при их использовании применяется газовая система. К поверхностным источникам относятся источники на основе простых неорганических соединений, стеклообразные диффузанты, а также легированные окислы. Такие источники наносятся на полупроводниковую пластину кремния различными методами до проведения процесса диффузии. Важной особенностью применения поверхностных источников является возможность проведения процесса диффузии в атмосфере воздуха, что может существенно удешевить технологию производства кремниевых СЭ. Поэтому рассмотрению поверхностных источников уделено большее внимание.

1.1.1. Твердые планарные источники (ТПИ)

При методе диффузии с использованием твердых планарных источников пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете параллельно друг другу (рис. 1.1), вводят в реакционную зону диффузионной печи и выдерживают в ней заданное время. Газообразный окисел легирующего элемента, выделяющийся твердым источником, диффундирует к поверхности кремния и взаимодействует с ним с образованием слоя стекла, из которого происходит диффузия примесей вглубь пластины.

Рис. 1.1. Установка ТПИ и пластин кремния в кварцевой кассете: 1- кварцевая кассета; 2 - ТПИ; 3 - пластины кремния; 4 - пары P₂O₅.

Параметры диффузионных слоев определяются температурой и временем диффузии, а также давлением газообразного окисла легирующего элемента. Поскольку последний образуется непосредственно в реакционной зоне в результате физико-химических процессов, происходящих в материале источника при нагревании, параметры диффузии практически не зависят от скорости газа-носителя. Таким образом, способ диффузии с использованием ТПИ лишен основных недостатков методов с применением жидких и газообразных источников, а также твердых окислов легирующих элементов и имеет ряд существенных достоинств [4]:

-  высокая производительность за счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможность использования всей рабочей зоны диффузионной печи;

-  хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на них технологических факторов и простоте управления процессом;

-  однородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенно в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра;

-  простота используемого технологического оборудования;

-  высокая экономичность.

1.1.1.1.   Источники для диффузии бора

Твердые источники для диффузии бора создают в реакционной зоне пары B₂O₃, молекулы которой диффундируют к поверхности кремниевых пластин и взаимодействуют с кремнием:

2B₂O₃ + 3Si → 4B + 3SiO₂.

Из образующегося слоя боросиликатного стекла происходит диффузия бора вглубь кремния.

Основным материалом для изготовления твердых источников бора является нитрид бора (BN). Благодаря физико-химическим и механическим свойствам BN твердые источники на его основе отличаются стабильностью и длительным сроком службы. Перед эксплуатацией ТПИ на основе BN окисляют с целью образования на его поверхности тонкого слоя B₂O₃, который при температурах диффузии (700 – 1250°С) находится в жидком состоянии. Переход B₂O₃ в газовую фазу происходит в результате испарения слоя.

Другим направлением в создании ТПИ бора является использование материалов, содержащих B₂O₃ в связанном виде, которая выделяется при нагревании непосредственно в процессе диффузии. Твердые источники такого типа могут применяться без предварительного окисления.

1.1.1.1.1.ТПИ на основе нитрида бора

Процесс диффузии бора в кремний с использованием ТПИ на основе BN хорошо изучен. Термическое окисление BN в процессе эксплуатации источников производится по мере испарения B₂O₃. Процесс диффузии может проводиться как в инертной среде (Ar, N₂, He), так и в окислительной (5 – 10% кислорода), что препятствует образованию на поверхности пластины кремния труднорастворимой фазы SiB.

Термодинамический анализ системы B₂O₃ - H₂O показал [4], что при температурах диффузии возможно образование в газовой фазе метаборной кислоты:

B₂O₃ + H₂O → HBO₂.

Равновесие этой реакции очень чувствительно к концентрации H₂O в системе. Установлено, что давление HBO₂ на несколько порядков превышает давление B₂O₃. Поскольку давление H₂O в обычной диффузионной системе не ниже 30 Па (чему способствует также высокая гигроскопичность B₂O₃), основным компонентом газовой фазы является HBO₂, а не B₂O₃. Повышенное (по сравнению с равновесным давлением B₂O₃) содержание бора в газовой фазе, а также более высокие значения коэффициента диффузии HBO₂ способствуют повышению уровня легирования кремния и возможности создания диффузионных слоев с поверхностной концентрацией, близкой к пределу растворимости. С другой стороны, для получения воспроизводимых результатов диффузии необходим точный контроль содержания влаги в системе, что осложняется гигроскопичностью B₂O₃.

 Несмотря на разработку усовершенствованных процессов с использованием ТПИ на основе BN необходимость проведения периодического окисления остается их существенным недостатком.

1.1.1.1.2. ТПИ на основе материалов, содержащих B₂O₃

Состав и технологический процесс изготовления ТПИ на основе материалов, содержащих B₂O₃ довольно сложны. Например, в [4] указывается способ изготовления ТПИ в виде стеклокерамического диска следующего состава (мол.%): SiO₂ – от 2 до 50; Al₂O₃ – от 15 да 36; MgO – от 15 до 36; B₂O₃ – от 10 до 50. Благодаря высокому содержанию B₂O₃ данный источник можно использовать без предварительного окисления в процессах диффузии при температуре 700 – 1200°С. Наиболее ответственным этапом в технологии изготовления источника является процесс кристаллизации боросиликатного стекла, режим которой зависит от состава источника. При некоторых соотношениях компонентов (особенно при высоком содержании B₂O₃) не удается достичь полной кристаллизации, вследствие чего заметно снижается теплостойкость источника при высоких температурах эксплуатации.

Повышения теплостойкости стеклокерамических твердых источников с высоким содержанием B₂O₃ можно достигнуть за счет введения в состав дополнительных окислов.

Например, в [4] приводится технология, когда в состав нового стеклокерамического источника входят (в мол.%): SiO₂ – от 15 до 40, Al₂O₃ – от 15 до 30, B₂O₃ – от 20 до 60 и RO – от 5 до 25, где RO – композиция из следующих окислов: MgO – 0 – 15, CaO – 0 – 10, SrO – 0 – 10, BaO – 0 – 10, La₂O₃ – 0 – 5, Nb₂O₃ – 0 – 5, Ta₂O₃ – 0 – 5. При этом 4 ≥ Al₂O₃/RO ≥ 1,5. Оптимальный состав стеклокерамического источника (в мол.%): SiO₂ – 18 – 40, Al₂O₃ – 15 – 30, B₂O₃ – 30 – 60, RO – 5 – 15 при 4 ≥ Al₂O₃/RO ≥ 2.

Технологический процесс изготовления ТПИ на основе алюмоборосиликатного стекла включает несколько этапов:

-  плавление стекла при температуре 1500 – 1650°С в закрытом платиновом контейнере. Длительность плавления зависит от состава шихты и проводится до момента получения гомогенного стекла;

-  выливание стекла в нагретые графитовые циллиндрические формы порциями, соответствующими толщине 0,5 – 1,25 мм;

-  кристаллизация стекла в несколько стадий: образование кристаллических зародышей; развитие зародышей; кристаллизация.

Механические свойства и теплостойкость стеклокерамических источников определяются соотношением компонентов в исходной шихте. Введение MgO в сочетании с CaO, SrO и (или) BaO препятствует неконтролируемому расстекловыванию боросиликатного стекла. Добавки La₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅ способствуют образованию стекла с высоким содержанием B₂O₃. Другие окислы улучшают качество стекла, а небольшие количества ZrO₂ (TiO₂) стимулируют образование зародышей в процессе его кристаллизации. Содержание окислов щелочных металлов (K₂O, Na₂O, Li₂O, Cs₂O, Rb₂O), а также окислов, обладающих высоким давлением насыщенных паров (PbO, SnO₂, CuO), не должно превышать 0,5 мол. %, так как их наличие в газовой фазе в процессе диффузии может вызвать ухудшение электрофизических характеристик приборов, полученных при помощи ТПИ.

В процессе эксплуатации такого ТПИ рекомендуется проведение периодического отжига при температуре диффузии с целью стабилизации его свойств.

Похожие работы

Использование альтернативных источников энергии

Скачать

65457

19

17

... к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление – фотовольтаику. Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени ...

Солнечная энергетика

Скачать

178236

13

9

... голоса, слушают пение птиц, плеск волн и шум ветра, дышат свежим воздухом. Воспользоваться таким транспортом захочет каждый, кто любит совершать водные путешествия. 6.  РОССИЯ, УКРАИНА И СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА  В России в настоящее время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год. В 1992 году на ...

Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex производства

Скачать

22436

8

22

... подавляет в кремнии генерацию термодоноров, вводимых в кремний в температурном интервале 400-500 оС.   Выводы Сплавы Si1-xGex в настоящее время являются тем материалом, который желательно возможно быстрее освоить в производстве. Их достаточно предсказуемые свойства позволяют получать монокристаллы с заданными параметрами путём аппроксимации зависимости свойств от состава (зависимости ...

Моделирование процессов ионной имплантации

Скачать

23337

1

9

... . ПРИМЕНЕНИЕ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ СБИС Создание мелких переходов Требование формирования n+ слоев, залегающих на небольшой глубине, для СБИС можно легко удовлетворить с помощью процесса ионной имплантации Аs. Мышьяк имеет очень малую длину проецированного пробега (30 нм) при проведении обычной имплантации с энергией ионов 50 кэВ. Одной из прогрессивных тенденций развитии ...