автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Низкотемпературная диффузия фосфора в кремний с твердых планарных источников

ДЕРЖАВНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ "ЛЬВ1ВСЬКА П0Л1ТЕХН1КА"

ННЗЬКОТШШРАТУРНА ДИЗУ31Я «ОСИОРУ В КРЕЮ1Й 3 ТВЕРДИХ ПЛАНАРЙИХ ДМЕРЕЛ

Спец1альн1сть 05.27.03 - ТехнолоПя, обладнання та виробництво матер!ал!в 1 пристроТв електронно! техн!ки

Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступеня кандидата техн!чних наук

РГб од

1 С ДЕК ".

На правах рукопису

БОЙКО ТАРАС ГЕОРГ1Й0ВИЧ

ЛЬВ1В"1996

Дисертад1бю в рукопис

Робота виконана на кафедр1 нап1впров1дниково1 електро н1ки Державного ун1верситетету "Льв1вська пол!техн1ка"

НАУКОВИЙ КЕР1ВНИК - доктор ф!вико-математичних наук,

ПРОВIДНА ОРГАН13АЦ1Я - Науково-виробниче п!дприемство

Захист в1дбудеться 5 грудня 1996 р. о 15°° год на зас1-данн1 спец1ал1говано! вчено! ради Д 04.06.18 при Державному Ун1верситет1 "Льв1вська пол1техн!ка" ( 290646, м. Льв1в-13, вул. Степана Бандери, 12, ауд. 124 гол. корп.)

3 дисертац!ею можна ознайомитись у науков!й 01бл1отец1 ун!верситету (290013, м. Льв1в, вул. Професорська, 1).

Автореферет роз1сланий " I_«/I и СТОПКА1996 р.

професор БУДЯАК Я.С.

0Ф1Ц1ЙН1 ОПОНЕНТИ : доктор техн!чних наук,

професор ГОТРА З.Ю. кандидат техн1чних наук новосдаий с.п.

'ч

■КАРАТ", и.Льв!в

ВЧЕНИЙ СЕКРЕТАР СПЕЦ I АЛ Ш0ВАН01

Байцар Р.!.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТЫ

Актуадья1сть теми. Одним з шлях1в досягненя високо! продуктивное!1 сучасного виробництва 1нтегральних м!кросхем в вб!льшеиня д!аметра кремн1ввих пластин, на яких формуються елементи иап!впров1дникових вироб1в. Серед в1домих метод!в легуваиня цих пластин важливе м1сце пос1дае дифуэ1я. Однак матер1али, як! широко застосовуються в газотранспортних системах для дифузП фосфору в кремн1й - Р0С1з та РС1з, при цьому вимагають вам!ни через низьку в1дтворован!сть результате 1 аначний рогкид параметр!в вироб1в. Йонна 1мплантац1я дав, в свою чергу, добру однор!дн1сть легування, однак метод 8 дорогим i спричинюз структурн! зм!ни кристал!чно1 гратки, що негативно в!дбиваеться на параметрах готових прилад!в.

Дифуз!йна система г твердим планарним джерелом (ТЦД) -альтернативна технолог1я, яка повбавлена перечислених недо-л1к1в. Основною II перевагою е висока однор!дн!сть результате легування, яка досягаеться за рахунок р!внсм!рного роа-под1лу тиску пари легуючого компоненту в простор! м!ж дифу-зантом та пластиною.

Особливо придатною е дифуз1я 8 ТПД для створення негли-боких дифув1йних шар1в при температурах до 1173 К. Для таких процес1в використовують дифузЮ э розчинних композиц!й. Про-те концентрац1йн1 профШ, отриман! в ц1й систем!, мають 61-ля поверхн! характерн! облает! в! стало» або нав1ть понижено» в напрямку поверхн! концеитрац1ею. Проблема усп!шно ви-рИвувться в системах ТПД а активним матер1алом, що эдатний для потр!бних температур створювати тиск пари легуючого компоненту, достатн!й для ефективно! дифузП фосфору в кремн!й.

Л1дери у виробництв1 ТПД ф!рми "Carborundum" та "Owens Illinois" (США) виготовляють джерела в основному на основ!

- г -

метафосфату апш1н1В (МФА) та п!рофосфату кремн1ю (ШЖ), як!, однак, дисоц1юють при значно вищих температурах. В!домо також про низькотемпературн! джерела японсько! ф1рми "Денк! когаку когьо" на основ! р1дкоаемельних матер!ал!в, але вг!д-но з л1тературними даними вони мають недостатн1 термомеха-н1чну м!цн!сть та ресурс роботи.

Науков! досл!дження, покладен! в основу дисертацП, ви-конан1 як складова частина Державно! науково-техн!чно! программ 0.01.08, вавдання Об.02.02.Т "Розробка твердого пла-нарного джерела для використання в процесах виготовлення фо-топеретворювач1в" (Постанова ДКНТ СРСР та АН СРСР N 573/137 в1д 10.11.1985 р.). Матер1али дисертацП ув1йшш в к1нце-вий 8в1т госпдогов1рно1 теми "Розробка твердих планарних джерел для дифуз!! фосфору на термост1йк1й п1дкладц1 для експлуатацП при температурах 850 - 950 °С" (1987-1992 рр., N д.р. 01860080355).

Мета роботи. Створити ефективне низькотемпературне тверде джерело дифу81йного легування кремн1ю фосфором для одержання неглибоких дифуз1йних шар1в з крутим проф1лем роз-под1лу дом1шки та досл!дити його основн! характеристики.

Основн! завдання досл!дження:

- розробка технолог!! виготовлення нового Т1Щ;

. - визначення швидкост! втрати маси дифуэантом з часом та температурою, ресурсу роботи, р!вня легування в аалежнос-т1 В1д режим1в процес!в;

- к1льк1сний опис процесу переносу легуючо! дом1шки в!д джерела до поверхн1 кремн!ево! пластини та в П об'ем;

- встановлення на ochobI отриманих сп1вв1дношень масо-в1ддач1 легуючого компонента в!д поверхн! дифуэанта, швидкост! поширення пари Р4О10 У простор! м!ж джерелом i пласти-

ною та проф!лх> розпод!лу концентрац!! фосфору в кремнП;

- застосування розроблених ТЩГ у технолоПчних процесах виготовлення нал i впров iдникових пристро!в.

Об'ект 1 методи досл!джень. Тверд! планарн! джерела ви-готовлен! ва допомогою спец1ально скокструйованого обладпан-ня. Синтез активного Матер1алу дифуванта, в!дпащовання гото-вих ТВД, терм!чна витримка матер!ал1в та джерел, процеси ле-гування проведен! в реактор! дифуз!йно! печ! АДС-10.

Для визначення дисперсност! подр!бненого ультрафосфату лантану 8астосовано седиментац1йний анал!з. КоефШенти л1-н!йного терм!чного розвшрення матер!ал!в, що входягь до складу ТВД, вим1рювались на кварцевому дилатометр! ДКВ-5А. Швидк!сть втрати маси LaPs0i4 при терм!чн!й витримц! визна-чалась диференц!йно-терм!чним методом на диреватограф! Q-1500 D. Фазовий анал!з матер!ал1в дифузанта провадився !з застосуванням рентген!вського дифрактометра ДРОН-ЗМ.

Значения питомого поверхневого оперу сгатистично оброб-лялись для досл!дження ровкиду парметр!в по пластин!.

Ф!зико-математичн! побудови базувались на використанн! теор!й дифузП та переносу маси. Розрахунки провалялись а застосуванням числових мьтод1в.

Наукова новизна.

1. Створено ориг!нальне ТПД для дифуз!йних процес!в ле-гування кремн1ю фосфором в д!апазон! температур 1073-1200 К з метою одержання неглибоких дифуз1йних шар!в.

2. Досл!джено експлуатац!йн! параметра твердих джерел; встановлено, щэ а допомогою ТПД можна отримати дифуз!йн1 ша-ри товщиною 0.1 - 0.5 мкм з питомим поверхневим опором 10 - 250 Ом/кв в !нтервал! температур 1073 - 1200 К.

3. Одержано ровпод!л концентрацП легуючого компоненту

в простор! м!ж ТЦД 1 пластиною кремйю та швидк1сть поширен-ня пари Р4О10 в!д поверхн! дифузанта до пластини.

4. Визначено величину потоку дсм1шки в залежност1 в1д сп!вв1дношення парЩальних тиск1в над поверхшши дифузанта та пластини; встановлеяо, що при введена! ТПД в зону реакц11 час вир!внювання цих парц1альних тйск1в е малин (2 - 5 с) пор!вняно а тривал!стю дифуз1йних процес!в (5 - 60 хв.).

5. З'ясовано, що проф!ль роапод1лу фосфору в кремн11, одержаний при низьких температурах (до 1200 К) та малому ча-cl процес1в (до 50 хв.), можяа ефективно описати двома р!в-няннями другого закону Ф1ка в р18ними коеф!ц!ентами дифувП.

Практична ц!нн1сть роГюти. Ровроблене джерело дав мож-лив1сть значно розширити д1апазон дифуз!йного легування кремн1» в область низьких температур до 1073 К. При цьому досягаетъся висока продуктивнЮть процес!в га рахунок вико-ристання вс1е1 температурно1 вони печ! та застосування пластин великого д1аметра. Неоднор1дн1сть легування становить по пластин1 1.5 X, по довжин1 касети - 3 X, в1д циклу до циклу - 5 X, що значно перевицуе параметри дифузП в р1дких, газо-под1бних та твердооксидних дифувант1в. Причому в1дсоток шк1дливих дом1шок, що вноситься в кремн!й, вначно менший.

Застосування дифузП а твердих джерел сприяе покращекню еколоПчно! чистоти в технолог!чних прим1щеннях, метод не е токсичним чи вибухонебезпечним.

Практичну ц1нн1сть розробки характеризуе також простота технолог1чного обладнання та управл1ння процосом, щр виг1дно в1др1вняе II в!д 1нших метод1в легування, наприклад йонно! 1мплантацП. Зв1дси як насл1док - добра репродуктивн1сть па-раметр1в дифуз!йних шар1в завдяки м1н!мальному числу технолог i чних фактор1в, що впливають на них.

Автор захищае:

1. Технолог1ю виготовлення нового ТПД, одержаного шляхом нанесения дифузанта, активним матер1алом якого е ультрафосфат лантану 1аР5<Уц, на кремн1еву термост1йку п1дкладку.

2. Спос1б неруйн!вного контролю терм1ну експлуатацП твердих джерел аа процентним сп1вв!дношенням, одержаним на основ1 к1льк1сного рентгенофазового анал1эу, вх1дних (до ле-гуванш.) та вих1дних (п1сля легування) матер1ал!в.

3. Результата визначення ровпод1лу концентратI пари Р4О10 в простор! м1ж ПИ та пластиною кремн1ю; потоку пари оксиду фосфору в!д поверхн1 дифузанта в залежност! в1д сп1в-в1дношень парЩальних тиск!в дом!шки над поверхнями ТПД та пластиною; проф!лю ро8под1лу дом1ики фосфору в кремнП, одержаного легуванням 8 твердих планарних джерел.

4. Ревультати досл1дження використання ТПД у техноло-г!чному процес1 виготовлення кремн!евих фотоперетворювач!в, фототран8истор1в та елемент!в 1нтегральних схем.

Реал1зац1я та впровадження наукових розробок. Результа-ти досл1джень використан1 при виготовленн1 нап1впров!днико-вих вироб!в п1дприемствами АТ "Родон"» м. Iвано-Франк1вськ 1 ВАТ "ЦКБ Ритм", м. Черн1вц1. Практична ц!нн1сть роботи п!д-тверджена актами про використання.

Апробац1я роботи. Результат роботи допов1дались та об-говорювались на 1 Всесою8н1й конференцП "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники" (Лен1нград, 1989); Всерос1йськ1й конференцП 8 м1жна-родною участю "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (м. Таганрог, 1994); конференц1ях та наукових сем1нарах кафедри нап1впров1дниково! електрон1ки Дер-жун!верситету "Льв1вська пол!техн1ка" 1987-1995 рр.

Публ1кац11. Результата досл!джень в!дображен! в 10 нау-кових працях 1 ваявц! на винах1д 8 пр1оритетом Держпатенту Укра1ни.

Конкретний особистий внесок дисертанта в одержанн! нау-кових ревультат1в. Автором розроблено технолог1ю виготовлен-ня нового ТПД та спос1б неруйн1вного контролю терм1ну його експлуатацП. Дисертант досл1див легуюч! та експлуатац!йн1 параметри одержаних твердих джерел; роэрахував розпод!л концентрат I пари дом1шки в простор! м1ж ТПД та пластиною кремн1ю; встановив 8алежн1сть величини потоку легуючого компоненту в1д сп1вв1дношень парц1альних тиск1в дом1шки над по-верхнями дифузанта та пластики кремн1ю; отримав розрахунко-вий проф1ль ро8под1лу концентрацП фосфору в кремнП, лего-ваному з ТПД при низьких температурах.

Структура 1 обсяг дисертацП. Дисертац1я складаеться 8 вступу, 5 роздШв, висновк1в, списку л1тератури 1 додатку. Загальний обсяг роботи 150 стор1нок машинописного тексту, враховуючи 23 рисунки 1 14 таблиць. Список л!тературних по-силань м!стить 96 назв.

Висловлюю щиру вдячн1сть за всеб1чну п1дтримку та ц1нн1 поради при виконанн1 роботи кандидатам техн1чн1х наук Ю.М. Богдановському 1 Л.З. Гаську.

основами 3MICT роботи

У вступ! висв1тлен1 актуальн1сть проблеми, мета та вав-дання досл1джень; сформульован! наукова новизна та практична ц1нн1сть роботи; показано конкретний особистий внесок дисертанта у роаробку наукових результат1в.

Перший розд1л присвячений роагляду дифувП в ТПД у тех-нолог!чних процесах легування кремн!ю, показана доц!льн1сть

такого методу у зв'яэку з переор!ентац1ею 1нтегрального ви-робництва на економ1чно виг1дн1 високоефективн! технологи 8 використанням в1тчизняних розробок та матер!ал1в.

В дифув1йн1й систем! э ТПД пластини кремн!ю та джерела розташовують на однаков!й в!дстан1 паралельно один до одного - кожна пластина одн1ею поверхнею до дифуванта. Легуюча до-м1шка, що дифундуе 8 ТПД, проникав в кремн1й завдяки град1-енту концентрацИ. OchobhI параметри, шр характеризуют систему - коеф!ц1ент дифузП, парц1альний тиск та концентрац1я дом1шки. Процес легування в1дбуваеться в дифуз!йному реакто-pi з потоком 1нертного газу, якии мае 8апоб1гати проникненню шк1дливих дом1шок через в1дкритий к!нець реактора.

Легуюча дом!шка - для фосфорних ТПД це оксид фосфору -ем1туеться активним матер!алом джерела в результат! нагр!-вання системи i дифундуе в напрямку кремн1ю. Досягаючи пластини, вона взаемод1е 8 кремн!ем зг1дно реакцП

Р4О10 + 5S1 - 5S102 + 4Р (1)

i утворюе на поверхн1 шар фосфоросил1катного скла (ССС), з якого вже в1дбува8ться дифуз1я в об'ем кремн!ю.

Для перших фосфорних джерел в якост1 активного матер1а-лу використовувався PN (ф1рми "Санйо денк1", "Мацус1та денк1 санйо", Япон1я), а також S1P Сф1рма "Денк1 когаку когьо"). Однак ц! сполуки не мали широкого застосування, в основному через потребу окисления та нестаб!льн1сть параметр!в. Зараз найб!льш перспективними вважаються ТПД на основ! сполук, що м!стять оксид фосфору у зв'яэаному вигляд!. Це S1P207, А1(Р0з)з. сполуки 8 р!дкоземельними елементами та-1нш1.

ТПД виготовляють: ро8р1занням на диски стержн!в, отри-маних горячим пресуванням ("Денк1 когаку когьо", "Санйо ден-к1, "Мацус1та денк! санйо") або вирощених эа спец1альною

технолог1ею склокерам1чних злитк1в ("Onens Illinois"); вшиваниям склокерам1чно1 маси у форми, холодним пресуванням ("Carborundum"); просочуванняы пористих вогнетривких диск1в сполуками, щр вид1ляють фосфор ("Owens Illinois"); нанесениям матер1алу дифузанта на термост!йку п1дкладку (ТДФ-03, ТДФ-04, ТД®-11 - Держун1верситет "Льв1вська пол1техн1ка").

Зац1кавлення системою дифузП 8 твердих планарних дже-рел пояснюеться очевидно рядом суттевих переваг. як! вона мае пор1вняно 8 традшЦйними способами легування:

- висока продуктивн!сть ва рахунок вначно1 густини пластин в касет1 1 можливост1 використання вс1е! вони печ1;

- добра репродуктивн1сть параметр!в дифув1йних шар!в эавдяки м1н1мальному числу технолог1чних фактор1в, по впли-вають на них та висока однор1дн1сть легування пластин по по-верхн!, по довжин1 касети 1 в1д циклу до циклу;

- простота технолоПчного обладнання та управл1ння про-цесом, широкий температурний д1апазон легування гавдяки ви-користанню активних матер1ал1в, що дисоц1иоть при р1зних температурах.

Перел1чен1 переваги особливо в1дчутн1 при проведенн1 технолог1чних процес1в легування на пластинах великого д!а-метра 1 в умовах нивькотемпературно! дифузП.

3 огляду на вищесказане, створення твердого пленарного джерела для температур 1073-1200 К е актуальною проблемою в технологи нап1впров1дникових вироб1в та 1нтегральних схем.

В другому ро8д1л! математично описано механ18м поширен-ня легуючо! дом1шки в1д твердого планарного джерела до по-верхн1 кремн1ево! пластики та всередину кремн1ю.

розрахунок багувався на використанн! р1внянь неперерв-ност! для пари оксиду фосфору (компонент А) та 1нертного

газу (компонент В) 1 провадився з припущенням, щр система знаходиться при стал1й температур! та таску, а компонента А та В утвориоть !деальну газову сум!ш. Тод! !х мольна гус-Тина С - Сд + Св е також величиною сталою.

Для рогв'явку використано перший закон дифуз!! Ф!ка для б!нарних систем, виражений черев мольний пот!к в!дносно-не-рухомих координат. В результат! отримано р!вняння

(1ха

<ЗХд Й^А Эдв <3хд

--Одв -5— + - -

с\гг 1 - хдо <¡2

г»о йг

(2)

де хд - мольна частка компонента А (хд - Сд / С);

Бав - коеф!ц!ент дифуэН для б!нарно! системи А ! В,

роав'явуючи яке, можна отримати роапод!л монцентрацП легуго-чо! дом!шки в простор! м!ж пластиною кремн1ю та дифузантом у будь-який момент часу.

Вираз (2) дав гмогу вважати, щр в певний момент часу на поверхн! дифузанта мольна частка компонента А, буде п!дтри-муватися хдо, а мольна частка А на поверхн! пластини крем-н!ю - Хд1. При квав!стац!онарному режим! в систем! встано-виться деякий сумарний пот!к Р4О10 в!д джерела при в!дсут-ност! комонента В, тобто Нвг~0- Тод! на основ1 балансу маси безмежно малого елементу газу дом!шки для кваз!стац!онарного стану, використовуючи розв'язок р!вняння другого закону Ф!ка для б!нарних систем в!дносно Нд2 та враховуючи, щр хд1 та хд0 можна виразити через в!дпов!дн1 парц!альн! тиски, одер-жуемо эалежн1сть для потоку легувчого компоненту

родв , ( ра1

г-2о ю (21 - го) ^ рао

, ( ра1 \

Ш I- . (3)

Дб РАо.РА1 - парц!альн! тиски пари Р4О10 в1дпов!дно над поверхнями дифузанта та пластини -, 20,21 - координата поверхонь джерела та пластини; р - загальний тиск.

- 10 -

Продифундувавши череа газову фазу, легуючий окисел вза-емод1е а кремн!ем зг!дно реакц11 (1). Атоми фосфору, шр ут-воршшсь, проникають в пластину кремн!ю та в пд1вку БЮг, яка росте на поверхн! пластини. Дифуз1йн1 проф1л1 ровпод1лу дом1шки в кремни, одержан! при низьких температурах та малому час!, не можуть бути описан! додатковою функц1ею похи-бок. Однак ц1 проф!л! достатньо точно можна описати р!внян-ням другого закону Ф1ка, розОивши 1х на окрем1 област1. с

Рис.1. Проф1ль рогпод!лу дом1шки фосфору в кремнП, одержаний при нигьких температурах.

Будемо вважати, шо концентрац!йний проф!ль (рис.1) складаеться 8 поверхнево! облает!; перех1дно! облает!, яку в1дд!ляе фазова межа 1 в як!й присутн! два дифузанти г р1а-ними коеф!ц!ентаыи, так зван! "швидкий" та "пов!льний" дифузанти; облает! нормально! дифузП, в як!й знаходиться т1льки "швидкий" дифузант. При невеликих часах дифузП роэташування фазово! границ! визначаеться реакц1ею на меж! фаг 1 приблиз-но лШйно залежить в1д часу дифузП х0 - у^

Розв'язуючи окремо для кожно! облает! дифуз!йне р!внян-ня другого закону Ф!ка з врахуванням умови рухомо! меж! м!ж

областями, одержуемо

„ , Сэ - Св(хо) Сд(хЛ) --ехр

20д

(x - v«

егГс

х + VI

+ ег£с

х - ЗуЬ

(4)

Св(хЛ)

Св(х0)

ехр

егГс

чЪ 2дв

(х - Л)

/ X + VI

+ егГс

/ X - Зу1

(5)

де Бд, йв - коеф!ц!енти дифузП в1дпов1дно "пов!льного" та "швидкого" дифувант1в.

Сэ - поверхнева концентрац1я дом1шки;

V - швидк1сть перем!щ,ення меж! фаз.

Використовуючи валежност! (4) та (5) можна ефективно описати проф1ль ровпод1лу концентрацП дом!шки в кремнП, одержаний в умовах югаькотемпературно! дифузП.

Експериментальна частина описана в третьому розд1д! ро-боти 1 полягае в створенн! ориг!нальних твердих планарних джерел фосфору та проведенн1 8 них дифуз!йних процес1в легу-вання кремн!» при температурах 1073 - 1200 К.

Т1Щ виготовляють нанесениям активного матер!алу на тер-мост!йку п1дкладку. Такий метод 8 одного боку забевпечуе ви-соку термомехан1чну м1цн1сть, з другого - значний ресурс ро-боти. Як активний матер1ал використано ультрафосфат лантану (УФЛ). Розроблено технолоПю синтезу цього матер!алу з вихо-дом 64-89 X у к1нцевому продукт!. Внасл!док оптим!зац!1 тех-нологН одержано стаб!льний вих!д УФЛ ~ 85 %. Поруч з ним у

- 12 -

продукт! синтезу присутн!й метафосфат лантану.

Дифузант формують иа кремн!ев!й пластин! черев каску в отворами. Така технолог!я дае мсяиивХсть иайефективнЮе про-тид!яти руйнуванню джерел внасл!док р1зних коеф1ц1ент1в л!~ н1иного терм1чного розширення СКЛТР) кремнйо та УМ; вабеа-печув високу термомехан!чну м!цн!сть джерел, порист!сть по-верхн! та однор!дн!сть вм!сту Р4О10; не вимагае складного технолог1чного обладнання, е достатньо економ!чною.

Для вабевпечення вчеплення дифуБанта в п1дкладкою ТЩ в!дпалюють у дифуз!йн1й печ1. У процес! добору режим1в в!д-палу виникла необх1дн1сть покращення зчеплення матер1ал1в. Проведено комплекс роб!т для п1дбору оптимального posMlpy частинок УФЛ, який мае вплив на термомехан!чн! та легуюч! властивост! джерел. Встановлено, шо оптимальний рогм!р верен УФЛ гнаходиться посередин! пром1жку 20 < б < 50 мкм. Дослужено термомехан!чн! властивост! ряду ТЩ в р!вними !нертними добавками, що мали б уггодити КЛТР матер!ал!в. Оптимальним додатком пригнано метафосфат алш!н!ю (MSA) в склад! 80%.

Легуюч! властивост! нових ТПД досл!джувались за величиною питомого поверхневого опору дифув!йних шар!в в залежнос-т! в!д тривалост! та температури процес!в. Результата легу-вання пЗадавались статистичн!й обробц!, в результат! яко! встановлено, щр ровкид параметр!в по пластин! не перевищу-вав 1.5%, щр переважае стандарты! дифув!йн! системи.

Досл!джено швидк!сть терм!чно1 дисоц!ац11 УФЛ в умовах 1зотерм!чно1 витримки при диференц!йно-терм!чному анал!з1 (ДТА). Результата показали, що зм!на швидкост! втрати маси чистого УФЛ та УФЛ в склад! дифузанта в1дбуваеться не ран!ше як при втрат1 15 мас.Х, що добре увгоджуеться 8 його можли-вою втратою маси в синтезованому продукт! 17.4 - 24.4 мас.Х.

- 13 -

Розклад УФЛ контролювався такох рентгена-фазовим методом, 8 якого видно, що спочатку в!дбуваеться дисоц!ац1я ЬаР5014 - и(Р0з)з + РгОэ. (6)

Пот1м, коли втрата маси становить 13 - 15 %, паралельно з реакц!ею (6) починае йти розклад метафосфату лантану

Ьа(Р0э)3 - ЬаР04 + Рг05- (7)

Метод неруйн1вного контролю ресурсу роботи'джерел якраз Сазуеться на використанн1 цих даних. Знапчи вм!ст УФЛ та ММ у продукт! синтезу та 1хн! процента! сп!вв!дношення п!сля дисоц1ац11, одержан1 за даними рентгено-фазового анал!зу (РФА), можна отримати втрату маси розрахунковим шляхом.

Експериментальним чином встановлено, що час стаб!льно! дифуяП 8 джерел, при якому не спостер!гаеться зм1на швид-кост! втрати маси дифуэантоы для температури 1173 К, становить не менте як 200 годин. В!дпов!дно для нижчих температур час стаб!льно! експлуатац!! буде б!льшим.

В четвертому розд!д! визначено розпод!л концентрацИ легуючо! дом!шки в простор! м!ж ТЦЦ 1 пластиною кремн!ю, в1дносну щвидк!сть масов!ддач! поверхнею джерела та проф!ль ро8под1лу легуючо! дом!шки в кремнП на основ! математичних побудов другого розд!лу.

В!нарний коеф!ц!ент дифузП Эдв для оксиду фосфору в а80т1, що входить у вираз (2), вивначено з формули статис-тично-механ!чного наближення Чепмена-Енского при 1173 К.

Ро8под!л концентрацИ дом!шки в газов!й £аз! показуе, що швидк!сть прем!щення молекул Р4О10. як! вид!ляються внас-л!док розкладу активного матер!алу джерела- 1 дифундують у напрямку пластини кремн!ю е великою; 8в!дси час встановлення р!вноважно! концентрацИ дом!шки над поверхнею пластини (2 -5 с в залежност! в!д 1нтервалу м!ж Т1Щ та пластиною 1 темпе-

ратури середовшца) в. пор1внянн1 8 тривалЮтю процес1в легу-вання (5 - 60 хв.) е малим, а, отже, дифуз1я дом1шки через газову фазу при температурах 1073 - 1200 К не е обмежуючим фактором для легування кремн!ю.

Шввдк!сть масов!ддач1 в1д поверхн! джерела визначалась на основ1 р1вняння (3) в валежноот! в!д сп1вв1дношеннь пар-дальних тиск1в над поверхнею ТЦЦ та пластини кремн1ю.

Досл1дження процес!в розкладу матер1ал!в дифузанта 8 використанням РФА та ДТА дали можлив1сть зробити висновок, що для 1нтервалу температур 1073 - 1200 К реакц1я розкладу 1^Р5014 (р1вн. (б)) е головною. 0ск1льки практично весь фосфор в гавов1й фаз1 внаходиться у вигляд! Р4О10, то його пар-ц1альний тиск эначно перевищуе тиск 1нших компонент!в систе-ми. Це дало можлив!сть експериментально вигначити за допомо-гою вагового методу тиск оксиду фосфору в систем1.

Парц1альний тиск на поверхн1 пластини кремн1ю отримано шляхом розв'язання зворотньо! до р!вняння (3) вадач!: по в!-домому потоку знайдено величину парц!алького тиску.

Мольний пот!к компонента А, виражений через швидк1сть росту фосфоросил!катного скла р1внянням, мае вигляд

Кпр (1х

Мдг---— . (8)

д ас

де х - товщини фосфоросил1катного скла; п - коеф!ц1ент переходу Р4О10 в Б Юг; К - коеф1ц1ент, що враховуе вм!ст Р4О10 в ФСС. р - густина БЮг; (1 - молярна вага 510г.

Швидк1сть росту ФСС, що входить в останню формулу, одержана також експериментальним шляхом. На основ! анал18у ф!8ико-х!м!чних процес!в дифувП фосфору в кремн1й 1 росту пл1вки фосфоросил!катного скла було встановлено, що основою для опису нелШйно! залежност! товщини ФСС в!д температури

- 15 -

та часу в експонешЦально-показникова функц1я

-!> п л-41 ( 15477.5 \

х - 5.51*10 2 10-431 ехр--. (9)

^ Т - 273 >

Продиференц!ювавши вираз (9) за часом та поставивши одержану валемЦсть у формулу (8), одержимо величину мольного потоку компонента А, з яко! в1дпов1дно вже визначено пар-дальний тиск на поверхн1 пластини.

Реэультати розрахунку потоку Р4О10 добре узгоджуються з дан ими про швидк!сть розпод!лу концентрацП дом1шки в газо-в1й фаз! 1 показують, що тиск Р4О10 над поверхне» пластини досягав значения величини тиску над поверхнею дифузанта практично миттево, тобто в 1нтервал1 температур 1073 -1173 К та часу 5...60 хв., що в1дпов1дае межам заданих умов технолог1чних процес!в, тиск пари дом1шки практично в1дпов1-дае р1вноважному. Пот1к легуючого компонента в1ц джерел при вир1внюванн! тиск1в в1дпов1дно швидко буде гменшуватися. Зв1дси зроблено висновок, що основна маса оксиду фосфору по-кидае дифузанти п1д час 1х введения в реакц!йну зону, а тому тривалЮть роботи ТПЛ практично обмежуеться т1льки к1льк!стю 1х введень в реактор дифуэ!йно! печ1.

Використовуючи залежност! (4) та (5), отримано дифуз!й-ний проф1ль, що добре узгоджуеться з експериментальним. Константи, шо входять до р1внянь, а саме коеф!ц!енти дифузП "швидкого" та "пов1льного" дифузант!в, шввдк1сть зм1щення меж! фаз та концентрац!ю "швидкого" дифузанта на меж! м1ж д1лянкою з пост!йною концентрац!ею та перех1дною обласпо, визначено за в!ломими експериментальними проф!лями. Швид-к1сть v розрахована за часом дифузП та глибиною д!лянки э однаковою концентрацию.

Отриман! результат« показують, що дифуз!йний проф!ль

фосфору в кремни, одержаний при низьк!й температур! (до 1200 К) та невеликому час! (до 50 хв.), можна подати у виг-ляд! трьох областей, утвореннх одночасною дифуз!ею "шввдко-го" та "пов!льного" дифувант!в.

Швидк!сть V у нашому випадку приймалась сталою. Однак при тривал!й дифуэП вона буде зменшуватися. Обмежуючим чин-ником, щр визначав гниження швидкост! росту поверхневого шару, е дифуз!я фосфору через шар окислу, щр виростае на по-верхн! кремн1ю.

П'ятий розд!л показуе практичну ц1нн!сть розроблених джерел на осно&1 використання 1х в процесах виготовлення кремн1евих фотоперетворювач!в, елемент!в оптопари та 1нтег-ральних схем на Щдпривмствах ВАТ "ЦКБ Ритм" ы. Черн1вц1, АТ "РОДОН" м. 1вано-Фраик!вськ, ВО "КВАНТ" м. Москва.

ТПД дають гыогу створювати дифуз1йн1 шари, щр мають стр1мкий проф!ль 1 високий град1ент концентратI фосфору 61-ля поверхн!. ,

С, см"3

10"

10 й

10»

10 " | I I I 11 I и I 1 I I I I 11 X. мкм

17

0.0 0.1 0.2 0.3

Рис.2. ПрофШ Р08П0Д1ЛУ концентрацИ фосфору, отриман1 дифу8!ею при температур! 1123 К з ТЕЩ - 1 (час дифузИ 20 хв). з розчинних компо8иц!й - 2 (час дифузИ 60 хв.).

- 17 -

Пор1вняння концентрац!йних профШв, отркманих дифуз!ею в планарних джерел, 8 проф!лями, одержаними в роэчинних ком-П08ИЦ1Й (рис.2), показуе, то при легуванн! з ТПД в1дсутн1й характерний "завал" концентрат1 фосфору в поверхнев!й облает!, я кий присутн1й при дифузП 8 роэчинних кошюзиц! й 1 спричинюе зменшення часу життя нер!вноважних носПв, зокрема при виготовленн1 кремн!евих фотоперетворювач1в.

Таким чином, використання низькотемпературних твердих планарних джерел окр1м того, цо п1двищуе продуктивн1сть 1 в!дтворюван1сть процес1в дифузП та значно спрощ/е сам тех-нолог1чний процес виготовлення нап1впров!дникових прилад!в, також дав можлив!сть значно покращити 1хн1 параметри.

ОСЯОВШ РЕЗУАТАТИ ТА ВЯСЯОШП

1. Створено принципово новий тип низь кот емп ературного твердого джерела для дифузП фосфору в 1фемн1й з дискретним найесенням дифузанта, 8акр1пленого на кремн!ев!й пластин!, активним матер1алом якого е ультрафосфат лантану.

2. Розроблена ! оптим1зована технолог!я синтезу ЬаРбОгд та розрахунковий спос1б вианачення його вм!сту (~ 85 X) у продукт! синтезу; проведено п!дб1р !нертних добавок до мате-р!алу дифузанта, досл!джено 1хн! КЛТР та термомехан!чн1 властивост1 ТПД з р1аним складом; обгрунтовано виб1р складу матер1ах1в дифузанта, його як!сн! та к!льк1сн1 сп!вв!дношен-ня, спос!б нанесения на п1дкладку та режими сп!кання.

3. Встановлено швидк1сть терм!чно! дисоц!ацП ! тепло-вий ефект реакцП розкладу ЬаР4014. Визначено ресурс роботи ТПД. Одержано эалежност! питомого поверхневого опору дифу-з1йних шар!в в1д режим!в процес1в, виконано статистичну об-робку ревультат!в легування.

- 18 -

4. Роароблено метод неруйн!вного контролю ресурсу робо-ти ТПД, що баауеться на визначенн! втрати маси активним ма-тер1алом за процентними сп!вв1дношеннями продукт1в його ди-соц1ац11, отриманими к1льк!сним рентгенофазовим анал1зом.

5. Одержано результати роврахунку розпод1лу концентра-цП дом1шки в простор1 м1ж джерелом та пластиною п!д час 1х введения в температурну гону. Визначено швидк1сть попшрення Р4О10 в1д поверхн1 дифуаанта до поверхн! пластини. Отриман! дан1 дають можлив!сть стверджувати: оск1льки час досягнення концентрацП дом1шки близько! до меж1 розчинност1 е малий в пор1внянн! з тривалХстю дифу81йних процес1в, то дифуэ1я черев газову фазу не е обмежуючим фактором для дифувП фосфору в кремн1й.

6. Отримано емп1ричну залежн1сть величини парц1ального тиску пари оксиду фосфору над поверхнею твердого джерела в!д температури в зон1 реакцП.

7. Визначено швидк1сть потоку легуючого компонента в!д поверхн1 дифузанта в валежност! в1д сп!вв1дношень парц1аль-них тиск1в над поверхнями ТПД та пластини. Встановлено, що при вир1внюванн1 цих тиск1в пот!к Р4О10 буде поступово вмен-шуватися до певного вначення, необх!дного для п1дтримання концентрацП дом!шки б1ля поверхн1 пластини, блиэько! до ме-ж1 розчинност1 фосфору в кремнП. Отже, тривал!сть роботи ТПД значно валежить в!д к!лькост1 1х введень у температурну зону реактора дифуз1йно! печ1.

8. Одержано неглибок! дифуз1йн! шари фосфору в кремнП з крутим проф1лем розпод!лу концентрацП дом!шки. Роэрахова-но теоретичний дифу81йний проф1ль розпод1лу фосфору в кремнП, во добре узгоджувться 8 експериментальним. Встановлено, що розпод1л дом1шки в кремнП при низьких температурах та

малому час! легування можна ефективно описати двома дифуз1й-ними р1вняннями другого вакону Ф1ка 8 р!зними коеф1ц!ентами дифузП.

9. Показана ефективн1сгь розробки для виготовлення кремн1евих фотоперетворювач1в, фототранзистор1в та формуван-ня ем1тер1в б1полярних 1нтегральних м!кросхем.

0СН0ВН1 РОБОТИ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЩ!

1. Застосування твердих планарних джерел для нивькотем-пературно! дифузП фосфору у виробництв! кремнгевих фотопе-ретворювач1в / Ю.М. Богдановський, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько 1 1н. // Ф1зична електрон1ка. - 1992. - вил. 42. - С. 98-100.

2. Буджак Я.С., Богдановський Ю.М., Бойко Т.Г. Масопе-ренос легуючих дом 1 шок при експлуатацП твердих планарних джерел фосфору // В1сник Держун1верситету "Льв1вська пол1-техн1ка", "Елементи теорП та прилади твердот!ло! електрон!-КИ". - 1995. - N 297. - С. 34-43.

3. Богдановский Ю.Н., Бойко Т.Г., Гасько Л.З. Дилато- . метрические исследования бинарных сирьевых смесей для ТЛИ фосфора // Вестник Львовского политехнического института, "Теория и проектирование полупроводниковых и радиоэлектронных устройств". - 1990. - N 245. - С. 119-121.

4. Низькотемпературне тверде планарне джерело для дифувП фосфору ТДФ-20 / Ю.М. Богдановський, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько, В. I. Демб1цький // В1сник Льв1вського пол!тех-н1чного 1нституту, "Теор1я 1 проектування нап!впров1дникових та рад1оелектронних пристроХв". - 1991. - N 254. - С. 88-91.

5. Процеси терм1чно! д!соц1ацП ЬаРэО^ п!дчас експлуатацП твердих планарних джерел / Ю.М. Богдановський, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько та 1н.// В1сник Держун1верситету "Льв1в-ська пол1техн!ка", "Теор1я I проектування нап1впров1дникових

-гота радiоедектронних пристроив". - 1994. - N 280. - С. 12-16.

6. Заявка N 94052083 на патент Укра1ни, МКВ5 H 01 L 21/00. CnociO виготовлення твердого пленарного джерела для дифуз11 фосфору/ Ю.М. Богдановський, Л.З. Гасько, Т.Г. Бойко // 0ф1ц. бюлетень "Промислова власн1сть". - 1995. - N 3.

7. Твердые пленарные источники фосфора для технологических процесов легирования кремния / Ю.Н. Богдановский, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько и др. // Тезисы докладов 1 Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники" г. Ленинград, 22-24 ноября 1989. - Ленинград: Изд. ЛЭТИ, 1989. - С. 60-62.

8. Твердый источник для создания мелких диффузионных слоев фосфора / Ю.Н. Богдановский, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько, и др. // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф. с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", г.Таганрог, 26-29 июня 1994.: Матер, конф. - Таганрог: Изд. ТРТУ, 1994. - С. 43-45.

9. Особенности разложения пирофосфата кремния в диффу-зантах с инертным наполнителем / Ю. Н. Богдановский, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько, C.B. Фадеев // Там же. - С. 42-43.

10. Исследование процессов дисоциации А1(Р0з)з в процессах эксплуатации твердих' источников фосфора / Ю.Н. Богдановский, Т.Г. Бойко, Л.З. Гасько, и др.// Там же.- С. 45-46.

И. Гасько Л.З., Бойко Т.Г. Твердый планарный источник для диффузии фосфора ТДФ-20 (рекламний проспект). - Симферополь: Ред. отдел Крым, облполиграфиздата, 1990. - 4с.

Бойко Т.Г. Низкотемпературная диффузия фосфора в кремний с твердых пленарных источников. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.27.03 - Технология, оборудование и производство материал-лов и устройств электронной техники. Государственный университет "Льв1вська пол!техн1ка", Львов, 1996.

Защищается 11 научных работ, которые содержит результаты разработки и исследования оригинального твердого планерного источника для диффузионных процессов легирования кремния фосфором в интервале температур 1073-1200 К с целью получения неглубоких диффузионных слоев. Математически описан механизм распространения легирующей примеси от источника к поверхности кремниевой пластины и во внутрь кремния. Установлено, что использование созданных диффузантов дает возможность улучшить параметры полупроводниковых приборов.

Во]ко Т.6. Low-temperature diffusion of phosphorus in silicon from the solid planar sources. Dissertation for the scientific degree of candidate of engineering in 05.27.03 speciality - Technology, equipment and production of materials and devices of electronic engineering. State university "Lvivska politekhnika", Lviv, 1996.

Eleven scientific publications which contains results of eleboratlon and research of the original solid planar sources for diffusant processes of a low-temperature phosphorus doping of silicon to achieve shallow diffusant leyers is defended. Mechanism of spreding of the dopant admexture from the source to the silicon plate sourface and into the silicon is mathematicaly described. It was ascertained that usage of created diffusant enables improving paramétrés of finished semi-conductive devices.

Ключоз1 слова: гверде планарне джерело (SPS), дифуз!йне лёгування, коеф1ц!ент дифузП, фосфор в кремнП.

Шдпис. до друку 23.10.1996. Формат 60x84/16. liant рдрукарсысий. Друк офсетний. 1.2 ум.-вид. арк. 1.4 друк. арк. Тир. 100. Зам.5

290601. Льв1в, пл. М!цкевича, 8. УкрДПР!