Конструкция кварцевой ампулы для диффузии легирующих примесей в кремний (диффузии мышьяка) с встроенным приспособлением для управления скоростью последиффузионного охлаждения кремниевых р-п-структур

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, в частности к технологии изготовления р-п-переходов в кремнии методом "закрытой трубы" - методом откачанной запаянной кварцевой ампулы. Кварцевая ампула для диффузии легирующих примесей в кремний методом закрытой трубы состоит из кварцевой колбы 3, в которую загружаются кремниевые пластины 1 и источник диффузии 2, кварцевой шлиф-пробки 4, служащей для герметизации ампулы со стороны загрузки ее кремниевыми пластинами 1 и источником диффузии 2, и кварцевого штенгеля 6, через который происходит вакуумирование ампулы с последующей отпайкой ампулы от вакуумной системы. Шлиф-пробка 4 выполнена в виде открытой полости 13, что позволяет извлеченную из диффузионной печи 8 после высокотемпературного диффузионного отжига кварцевую ампулу принудительно охлаждать определенным объемом холодной воды, заливая ее в полость 13 с помощью специального устройства 14, находящегося над ампулой. Изобретение обеспечивает управление и стабилизацию режима охлаждения кварцевой ампулы с кремниевыми планарными р-п-структурами непосредственно после высокотемпературного отжига. 6 ил., 1 табл.

 

Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, в частности к технологии изготовления р-п-переходов в кремнии методом "закрытой трубы" - методом откачанной запаянной кварцевой ампулы.

Преимущественно данное изобретение может использоваться при изготовлении методом высококонцентрационной диффузии мышьяка в эвакуированной ампуле р-п-переходов в кремнии для стабилитронов и ограничителей напряжения с напряжением стабилизации (пробоя) менее 7 В.

Известен способ диффузии методом закрытой трубы и конструкция кварцевой ампулы для проведения процессов диффузии легирующих примесей в кремний указанным способом [1-4], по которому пластины кремния 1 и источник диффузии 2 загружают в кварцевую колбу (ампулу) 3 (фиг.1), колбу 3 закрывают шлиф-пробкой 4, заваривают кислородно-водородной горелкой по месту 5 соединения колбы 3 с шлиф-пробкой 4, с помощью штенгеля 6 подсоединяют к вакуумному посту, вакуумируют, отпаивают по штенгелю 6 от вакуумного поста и помещают в кварцевую трубу 7 диффузионной печи 8 (фиг.2) для диффузионного высокотемпературного отжига в заданном режиме, выдерживают в диффузионной печи 8 в течение заданного времени при заданной температуре, извлекают ампулу из печи 8 с помощью кварцевой лодочки 9 на подставку 10 в боксе 11, примыкающем к диффузионной печи 8, охлаждают в условиях окружающей среды, извлекают из бокса 11 через дверцу 12, вскрывают (разрушают), извлекают кремниевые пластины с р-п-структурами 1 и проводят измерение электрических параметров полученных таким образом диффузионных р-п-структур.

Недостаток известного способа диффузии легирующих примесей в кремний и конструкции кварцевой ампулы, применяемой для проведения процессов диффузии легирующих примесей в кремний указанным способом - большой разброс (дисперсия) электрических параметров р-п-структур, в частности напряжения пробоя, от процесса к процессу. Особенно велик этот отрицательный эффект для кремниевых р-п-структур с напряжением пробоя менее 7 В.

При изготовлении некоторых типов полупроводниковых приборов, таких, например, как стабилитроны и ограничители напряжения, к разбросу (дисперсии) их основных классификационных параметров - напряжению стабилизации (U_ст), напряжению пробоя (U_проб) - предъявляются жесткие требования: соответственно ΔU_ст≤(1÷5) %, ΔU_проб≤5%.

Таким образом, для обеспечения этих требований необходима корректировка известного способа диффузии легирующих примесей в кремний в герметизированной кварцевой ампуле, направленная на уменьшение технологического разброса указанных параметров от процесса к процессу.

Основная причина указанного недостатка известного способа диффузии легирующих примесей в кремний в герметизированной кварцевой ампуле и конструкции кварцевой ампулы, применяемой для проведения процессов диффузии легирующих примесей в кремний указанным методом, - отсутствие контролируемого охлаждения ампул с пластинами после извлечения их из диффузионной печи. Физический механизм влияния скорости охлаждения ампул (и, соответственно, кремниевых пластин с р-п-структурами) и воспроизводимости ее от процесса к процессу на электрические параметры диффузионных р-п-структур и их дисперсию от процесса к процессу можно пояснить следующим образом.

Известно [5, 6], что электрические параметры, в частности напряжение пробоя (U_проб), р-п-переходов в кремнии с U_проб менее 7 В, т.е. с туннельным и смешанным механизмами пробоя, определяются не только электрофизическими параметрами подложки - кремния, т.е. концентрацией основной легирующей примеси в базе, в которой они формируются диффузией примеси противоположного с кремнием типа проводимости и режимом высокотемпературной диффузии (температура, время), но также и тем, в каких условиях, с какой скоростью проводится охлаждение таких р-п-структур после завершения диффузионного процесса и извлечения их из диффузионной печи.

Наблюдаемый эффект объясняется наличием в диффузионном слое низковольтной р-п-структуры легирующей примеси в электрически активной и пассивной (так называемые кластеры) формах [7, 8]. Причем эта примесь может переходить из одной формы в другую в зависимости от условий охлаждения при переходе от высокой температуры диффузии к низким температурам окружающей среды.

Действительно, так как величина концентрации акцепторной легирующей примеси в кремниевых подложках (Na), на основе которых получают р-п-переходы с U_проб менее 7 В (кремний р-типа проводимости, марка КДБ), приближается к величине концентрации донорной легирующей примеси в диффузионном слое (Nd), величина U_проб р-п-перехода определяется и тем (Na), и другим (Nd) значениями концентрации легирующих примесей. "Работает", так сказать, эффективная концентрация примесей (Ni) в р-п-переходе [9]:

И, если условия последиффузионного охлаждения р-п-структуры изменяются неконтролируемо , соответственно, изменяется значение концентрации донорной легирующей примеси (Nd) в диффузионном слое вследствие эффекта перехода донорной легирующей примеси (в частности, мышьяка As) из одного состояния в другое: пассивное - сегрегация, активное - электрическая активация [7, 8]. Соответственно, для одних и тех же стабильных условий высокотемпературной диффузии (температура, время) в условиях нестабильного процесса последиффузионного охлаждения ампул с кремниевыми р-п-структурами проявляется эффект невоспроизводимости значений U_проб р-п-переходов от процесса к процессу: дисперсия значений U_проб р-п-переходов, как правило, превышает 10-20%.

Особенно важно обеспечение воспроизводимости от процесса к процессу параметров диффузионных низковольтных р-п-структур в технологии изготовления прецизионных термокомпенсированных стабилитронов с напряжением пробоя основного р-п-перехода -5.6 В, формируемого ампульной диффузией As в кремний р-типа проводимости [10], обеспечение температурной компенсации напряжения стабилизации которых осуществляется для заданного тока стабилизации в чрезвычайно узком диапазоне напряжений стабилизации: ΔU_проб~±0.05 В - в так называемой области компенсации, фиг.3.

Целью изобретения является снижение разброса (дисперсии) основного электрического параметра - напряжения пробоя р-п-переходов в кремнии от процесса к процессу, изготавливаемых методом высококонцентрационной диффузии мышьяка в сильнолегированный кремний р-типа проводимости в эвакуированной ампуле, путем управления и стабилизации (воспроизводимости) режима охлаждения кварцевой ампулы с кремниевыми планарными р-п-структурами непосредственно после высокотемпературного диффузионного отжига.

Указанная цель обеспечивается способом, по которому пластины полупроводника 1 и источник диффузии 2 загружают в кварцевую колбу 3, закрывают вход кварцевой колбы 3 кварцевой шлиф-пробкой 4, заваривают круговым швом 5 по месту соединения колбы 3 с шлиф-пробкой 4, ампулу вакуумируют, подсоединяя ее с помощью штенгеля 6 к откачному посту, отпаивают по штенгелю 6 (см. фиг.1), помещают в кварцевую трубу 7 (см. фиг.2) диффузионной печи 8, выдерживают в диффузионной печи 8 в течение заданного времени при заданной температуре, извлекают из печи 8 с помощью кварцевой лодочки 9 на металлическую подставку 10 в бокс 11, ампулу после охлаждения в условиях окружающей среды извлекают через дверцу 12 бокса 11, вскрывают (разрушают), извлекают из нее кремниевые пластины 1 и проводят измерение электрических параметров полученных таким образом диффузионных р-п-структур, по которому согласно изобретению в конструкции кварцевой ампулы (фиг.4) шлиф-пробка 4 выполнена в виде открытой полости 13, что позволяет извлеченную из диффузионной печи 8 после высокотемпературного диффузионного отжига кварцевую ампулу принудительно охлаждать определенным объемом холодной воды, заливая ее в полость 13 в течение определенного времени.

Цель изобретения обеспечивается также тем, что предложено устройство 14 для управляемого охлаждения кварцевых ампул после диффузионного отжига (фиг.5), содержащее емкость 15 с определенным количеством воды и термостат 16, трубопровод 17 с вентилем 18 для подачи воды в полость 13 шлиф-пробки 4 (фиг.4), непосредственно под которым помещается открытой частью полости 13 шлиф-пробка 4 ампулы 3 после извлечения ее из диффузионной печи 8.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена типовая кварцевая ампула для проведения процессов диффузии легирующих примесей в кремний методом закрытой трубы, загруженная кремниевыми пластинами и источником диффузии:

1 - кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая колба; 4 - шлиф-пробка; 5 - место сварки колбы и шлиф-пробки; 6 - штенгель.

На фиг.2 изображена типичная установка для проведения процессов диффузии легирующих примесей в кремний методом закрытой трубы [1-4]:

1- кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая колба; 4 - кварцевая шлиф-пробка; 5 - место спая колбы 3 с шлиф-пробкой 4; 6 - штенгель; 7 - кварцевая труба; 8 - диффузионная печь; 9 - кварцевая лодочка; 10 - металлическая подставка; 11 - бокс; 12 - дверца бокса.

На фиг.3 изображена область компенсации прецизионного термокомпенсированного стабилитрона с напряжением стабилизации 6.3 В.

На фиг.4 изображена откачанная до низкого давления вакуумированная кварцевая ампула с открытой полостью 13 в шлиф-пробке 4:

1 - кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая колба; 4 - кварцевая шлиф-пробка; 5 - место спая колбы 3 с кварцевой шлиф-пробкой 4; 6 - штенгель; 13 -открытая полость в шлиф-пробке 4.

На фиг.5 изображена схема установки для управляемого (воспроизводимого) охлаждения кварцевой ампулы с кремниевыми пластинами после высокотемпературного диффузионного отжига:

1 - кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая колба; 4 - кварцевая шлиф-пробка; 5 - место спая кварцевой колбы 3 с кварцевой шлиф-пробкой 4; 6 -штенгель; 7 - кварцевая труба; 8 - диффузионная печь; 9 - кварцевая лодочка; 10 - металлическая подставка; 11 - бокс; 12 - дверца бокса; 13 - открытая полость в шлиф-пробке 4; 14 - устройство для управляемого охлаждения кварцевых ампул после диффузионного отжига; 15 - емкость с водой; 16 - термостат; 17 - трубопровод; 18 -вентиль для подачи воды.

На фиг.6. представлена зависимость и дисперсия напряжения пробоя диффузионных р-п-структур, полученных в условиях естественного и принудительного последиффузионного охлаждения ампул с кремниевыми пластинами от удельного сопротивления кремния (режим диффузии 1150°С, 45 мин):

- - принудительное охлаждение холодной водой, заливаемой в полую шлиф-пробку ампулы; ° - охлаждение в естественных условиях окружающей среды.

Пример осуществления предлагаемого изобретения.

В полированных кремниевых пластинах р-типа проводимости (марка - КДБ) с удельным сопротивлением ρv (0.001÷0.06) Ом·см диффузией мышьяка в эвакуированной кварцевой ампуле в режиме 1150°С, 45 мин формировали планарные р-п-структуры с различными напряжениями пробоя.

Для этого в кварцевую ампулу 3 с открытой полостью 13 (см. фиг.4) загружали кремниевые пластины 1 и источник диффузии 2 - кристаллы мышьяка. Ампулу закрывали шлиф-пробкой 4 и спаивали с помощью кислородно-водородной горелки по месту ее спая 5 с шлиф-пробкой 4. Затем кварцевую ампулу подсоединяли к типовому откачному посту с помощью штенгеля 6, откачивали до давления ~ 10^-4 мм рт.ст. и отпаивали по штенгелю 6.

Вакуумированную ампулу 4, загруженную кремниевыми пластинами 1 и источником диффузии 2, помещали с помощью специальной кварцевой лодочки 9 (см. фиг.5) в кварцевую трубу 7 диффузионной печи 8 и проводили диффузионный отжиг в режиме 1150°С, 45 мин. Затем ампулу на кварцевой лодочки 9 извлекали в примыкающий к диффузионной печи 8 бокс 11 на специальную металлическую подставку 10 так, чтобы открытая полость 13 шлиф-пробки 4 ампулы 3 находилась непосредственно под трубопроводом 17 устройства 14 для подачи воды. Далее без промедления закрывали дверцу 12 бокса 11 и открывали вентиль 18 для подачи воды на трубопроводе 17, идущем от емкости 15 с 700 мл воды, термостатированной при температуре 30±3°С.

Охлажденную таким образом ампулу 3 извлекали из бокса 11, помещали в типовой технологический скафандр, разбивали по месту спая 5 кварцевой колбы 3 с шлиф-пробкой 4, извлекали из ампулы кремниевые пластины 1 и проводили измерение напряжения пробоя р-п-структур, сформированных в кремниевых пластинах в процессе диффузионного отжига. Таким образом проведено 3 процесса.

Также для сравнения проведено 3 процесса с естественным охлаждением кварцевых ампул, оставленных на металлической подставке 10 в изменяющихся условиях окружающей среды. Колебания температуры окружающей среды при проведении этих процессов составили ~10°С.

Результаты измерения электрических параметров полученных таким образом диффузионных р-п-структур приведены в табл.1 и на фиг.6. Видно, что по способу диффузии As с контролируемыми стабилизированными условиями последифузионного охлаждения ампул (кремниевых пластин с р-п-структурами) дисперсия напряжения пробоя р-п-структур (ΔU_проб) существенно ниже по сравнению с дисперсией U_проб р-п-структур, полученных в условиях естественного последиффузионного охлаждения ампул, что свидетельствует об эффективности предлагаемой конструкции кварцевой ампулы для диффузии легирующих примесей в кремний методом закрытой трубы.

Таблица 1

- Разброс (дисперсия) напряжений пробоя р-п-структур, изготовленных диффузией мышьяка в режиме 1150°С, 45 мин в кремний марки КДБ 0.003 методом закрытой трубы с "естественным" и принудительным последиффузионным охлаждением кварцевых ампул с открытой полостью в шлиф-пробке.

Условия охлаждения ампул	Среднее значение Uпроб, В	Значения ΔUпроб (отклонение от среднего значения Uпроб), В, р-п-структур в зависимости от условий охлаждения ампул
1 процесс	2 процесс	1 процесс
Естественное охлаждение	3.7	0.40	0.44	0.49
Охлаждение водой	3.3	0.09	0.11	0.14

Литература

1. Sittig M. Doping & Semiconductor Jen. Formation, Electronics Materials Review, No. 4, (1970), pp.153-158, 187-189, 191-193, 206-210.

2. Красников Г.Я. Технология изготовления микросхем субмикронных размеров. M., Техносфера, 2010, ч.1, стр.134-192.

3. Зи С.М. Технология СБИС. M., Мир, 1986 г., кн.1, стр.224-290.

4. Chung V.V. и др. Диффузия примеси в кремнии. Вьетнам, Proc.Natl.Conf.,2012, v.35, стр.73-79. Ханойский университет.

5. В.К. Аладинский. Пробой в узких кремниевых р-п-переходах. - Радиотехника и электроника, 1965. Т.10, №1, сс.104-111.

6. В.К. Аладинский. Пробой в узких германиевых р-п-переходах. - Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы, 1967. №5, сс.87-97.

7. Schwenker R., Pane S., Leverr F. Arsenic clustering in Silicon.- J.Appl. Phys., 1971, v.42, №8, рр.3195-3200.

8. Александров О.В. Диффузия, сегрегация и электрическая активация легирующих примесей в диффузионных и имплантационных слоях кремния. Диссертация. г.Минск, 2003 г.

9. В.К. Аладинский. Теоретическое и экспериментальное исследование электронных процессов при пробое р-п-переходов и некоторые аспекты их практического применения. Диссертация. М., 1974 г.

10. Скорняков С.П. Патент на изобретение №2162622: Низковольтный термокомпенсированый стабилитрон и способ его изготовления. Приоритет от 25.06.1999.

Конструкция кварцевой ампулы для диффузии легирующих примесей в кремний методом закрытой трубы с встроенным приспособлением для управления скоростью последиффузионного охлаждения кремниевых р-п-структур, состоящая из кварцевой колбы 3, в которую загружаются кремниевые пластины 1 и источник диффузии 2, кварцевой шлиф-пробки 4, служащей для герметизации ампулы со стороны загрузки ее кремниевыми пластинами 1 и источником диффузии 2, и кварцевого штенгеля 6, через который происходит вакуумирование ампулы с последующей отпайкой ампулы от вакуумной системы по штенгелю 6, отличающаяся тем, что с целью управления и стабилизации скорости охлаждения кремниевых пластин 1 с р-п-структурами, находящихся в ампуле, шлиф-пробка 4 выполнена в виде открытой полости 13, что позволяет извлеченную из диффузионной печи 8 после высокотемпературного диффузионного отжига кварцевую ампулу принудительно охлаждать определенным объемом холодной воды, заливая ее в полость 13 с помощью специального устройства 14, находящегося над ампулой.