СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ СКОРОСТИ ПОСЛЕДИФФУЗИОННОГО (ДИФФУЗИЯ МЫШЬЯКА) ОХЛАЖДЕНИЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ (~6В) КРЕМНИЕВЫХ ПЛАНАРНЫХ СТРУКТУР ПРЕЦИЗИОННЫХ СТАБИЛИТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL AND STABILISATION OF POST DIFFUSION (ANTINOMY DIFFUSION) COOLING OF LOW-VOLTAGE (~6 V) SILICON PLANAR STRUCTURES OF VRD AND DEVICE TO THIS END

Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, в частности к технологии изготовления p-n-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 p-n-переходов в кремнии для стабилитронов и ограничителей напряжения с напряжением стабилизации (пробоя) менее 7 В.
Известен способ диффузии методом закрытой трубы и устройство для его проведения [1-4], по которому пластины кремния 1 и источник диффузии 2 загружают в кварцевую колбу 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, с помощью кварцевой лодочки 9 ампулу извлекают из печи 8 на подставку 10 в боксе 11, примыкающем к диффузионной печи 8, охлаждают в условиях окружающей среды, извлекают из бокса 11 через дверцу 12, ампулу вскрывают (разрушают), извлекают кремниевые пластины с p-n-структурами 1 и проводят контрольные измерения электрических параметров полученных таким образом диффузионных p-n-структур.
В настоящее время ампульный способ диффузии легирующих примесей в кремний применяют преимущественно при формировании низковольтных (менее ~7 В) p-n-структур, используемых в производстве кремниевых стабилитронов и ограничителей напряжения, диффузией мышьяка в сильнолегированный кремний.
Недостаток известного способа диффузии легирующих примесей в кремний в герметизированной кварцевой ампуле - большой разброс (дисперсия) электрических параметров p-n-структур, в частности напряжения пробоя, от процесса к процессу. Особенно велик этот отрицательный эффект для кремниевых p-n-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 (Uст), напряжению пробоя (Uпроб) предъявляются жесткие требования: соответственно ΔUст≤(1÷5) %, ΔUпроб≤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 - отсутствие управляемого охлаждения ампул с пластинами после извлечения их из диффузионной печи. Физический механизм влияния скорости охлаждения ампул (и соответственно кремниевых пластин с p-n-структурами) и воспроизводимости ее от процесса к процессу на электрические параметры диффузионных p-n-структур и их дисперсию от процесса к процессу можно пояснить следующим образом.
Известно [5,6], что электрические параметры, в частности напряжение пробоя (Uпроб), p-n-переходов в кремнии в области Uпроб 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 котором 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 p-n-структур после завершения диффузионного процесса и извлечения их из диффузионной печи.
Наблюдаемый эффект объясняется наличием в диффузионном слое низковольтной p-n-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 основной (акцепторной) легирующей примеси в кремниевых подложках (Na), на основе которых получают p-n-переходы с Uпроб менее 7 В (кремний р-типа проводимости, марка КДБ), приближается к величине концентрации донорной легирующей примеси в диффузионном слое (Nd), величина Uпроб p-n-перехода определяется и тем (Na) и другим (Nd) значениями концентрации легирующих примесей. "Работает", так сказать, эффективная концентрация примесей (Ni) в p-n-переходе [9]:
~
При неконтролируемых условиях последиффузионного охлаждения p-n-структуры процесс перехода донорной легирующей примеси (мышьяка As) из одного состояния в другое (пассивное - сегрегация, активное - электрическая активация) - нестабилен [7,8].
Соответственно для одних и тех же стабильных условий высокотемпературной диффузии (температура, время) в условиях нестабильного процесса последиффузионного охлаждения ампул с кремниевыми p-n-структурами проявляется эффект невоспроизводимости значений Uпроб p-n-переходов от процесса к процессу: дисперсия значений Uпроб p-n-переходов, как правило, превышает 10-20%.
Особенно важно обеспечение воспроизводимости от процесса к процессу параметров диффузионных низковольтных p-n-структур в технологии изготовления прецизионных термокомпенсированных стабилитронов с напряжением пробоя основного p-n-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: ΔUпроб~±0.05 В - в так называемой области компенсации, фиг.3.
Целью изобретения является снижение разброса (дисперсии) основного электрического параметра (напряжение пробоя) p-n-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 условий охлаждения кварцевой ампулы с кремниевыми планарными p-n-структурами непосредственно после высокотемпературного диффузионного процесса.
Указанная цель обеспечивается способом, по которому пластины полупроводника 1 и источник диффузии 2 загружают в кварцевую ампулу 3, закрывают вход ампулы кварцевой шлиф-пробкой 4, заваривают круговым швом 5 по месту соединения ампулы 3 с шлиф-пробкой 4, ампулу вакуумируют, подсоединяя ее с помощью штенгеля 6 к вакуумному посту, отпаивают по штенгелю (фиг.1), помещают в кварцевую трубу 7 диффузионной печи 8 (фиг.4), выдерживают ампулу 3 в диффузионной печи 8 в течение заданного времени при заданной температуре, извлекают из печи 8 с помощью кварцевой лодочки 9 на металлическую подставку 10, ампулу вскрывают (разрушают) после охлаждения в условиях окружающей среды до комнатной температуры, извлекают из нее кремниевые пластины 1 и проводят измерение электрических параметров полученных таким образом диффузионных p-n-структур, в котором согласно изобретению извлеченную из диффузионной печи 8 после высокотемпературного диффузионного отжига ампулу 3 без промедления принудительно охлаждают потоком холодной воды, управляемым по скорости и температуре.
При охлаждении раскаленной ампулы холодной водой герметичность ампулы сохраняется, так как кварц отличается чрезвычайно низким коэффициентом температурного расширения.
Цель изобретения обеспечивается также тем, что предложено устройство 13, фиг.4, содержащее емкость 14 с определенным количеством воды, термостат 15, трубопровод 16 с вентилем 17 для подачи воды в другую емкость с отверстиями (душ) 18, представляющую собой металлическую коробку 19 с отверстиями 20, фиг.5, непосредственно под которой помещается ампула 3 после извлечения ее из кварцевой трубы 7. В предпочтительной форме выполнения устройства 13 изготовление душа 18 предусмотрено в виде прямоугольной металлической коробки 19 с отверстиями 20, фиг.5, длина и ширина которой соответствуют габаритам охлаждаемой ампулы 3. Количество и величина отверстий в душе 18 определяют скорость подачи воды.
На фиг.6 представлены зависимость и дисперсия напряжения пробоя диффузионных p-n-структур, полученных в условиях естественного и принудительного последиффузионного охлаждения ампул с кремниевыми пластинами, от удельного сопротивления кремния (режим диффузии 1150°C, 60 мин).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена откачанная до низкого давления вакуумированная кварцевая ампула с кремниевыми пластинами и источником диффузии:
1- кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая ампула; 4 - кварцевая шлиф-пробка; 5 - место спая ампулы 3 с шлиф-пробкой 4; 6 - штенгель.
На фиг.2 изображена схема типового устройства для диффузии легирующих примесей в кремний в замкнутом объеме:
1 - кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - ампула; 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 диффузионная печь 8 с устройством 13 для стабилизированного (воспроизводимого) процесса диффузии легирующих примесей в кремний в замкнутом объеме с управляемым охлаждением кварцевой ампулы 3 с кремниевыми пластинами 1 после высокотемпературного диффузионного отжига:
1 - кремниевые пластины; 2 - источник диффузии; 3 - кварцевая ампула; 4 - кварцевая шлиф-пробка; 5 - место спая ампулы 3 с шлиф-пробкой 4; 6 - штенгель; 7 - кварцевая труба; 8 - диффузионная печь; 9 - кварцевая лодочка; 10 - металлическая подставка; 11 - бокс; 12 - дверца бокса; 13 - устройство для стабилизированного (воспроизводимого) процесса диффузии легирующих примесей в кремний в замкнутом объеме с управляемым охлаждением кварцевой ампулы 3 с кремниевыми пластинами 1 после высокотемпературного диффузионного отжига; 14 - термостатированная емкость с водой; 15 - термостат; 16 - трубопровод; 17 - вентиль; 18 - металлический душ.
На фиг.5 изображена металлическая емкость с отверстиями (душ 18), в которую подается определенный объем воды из термостатированной емкости 14 (фиг.4):
16 - трубопровод; 18 - металлический душ; 19 - металлическая коробка; 20 - отверстия в металлической коробке.
На фиг.6 изображена зависимость и дисперсия напряжения пробоя диффузионных p-n-структур, полученных в условиях естественного и принудительного последиффузионного охлаждения ампул с кремниевыми пластинами, от удельного сопротивления кремния (режим диффузии 1150°C, 60 мин):
• - принудительное охлаждение холодной водой; ° - охлаждение в естественных условиях окружающей среды.
Пример осуществления предлагаемого изобретения.
В полированных кремниевых пластинах р-типа проводимости (марка - КДБ) с низким удельным сопротивлением ρv (0.001÷0.06) Ом·см диффузией мышьяка в эвакуированной кварцевой ампуле в режиме 1150°C, 60 мин формировали планарные p-n-структуры с различными напряжениями пробоя.
-4
Для этого в кварцевую ампулу 3 (см. фиг.1) загружали кремниевые пластины 1 и источник диффузии 2 - кристаллы мышьяка. Ампулу 3 закрывали шлиф-пробкой 4 и заваривали с помощью кислородно-водородной горелки по месту ее соединения 5 с шлиф-пробкой 4. Затем ампулу 3 подсоединяли к типовому откачному посту с помощью штенгеля 6, откачивали до давления ~10 мм рт.ст. и отпаивали по штенгелю 6.
Вакуумированную ампулу 3, загруженную кремниевыми пластинами 1 и источником диффузии 2, помещали с помощью специальной кварцевой лодочки 9 (см. фиг.4) в диффузионную печь 8 и проводили диффузионный отжиг в режиме 1150°C, 60 мин. Затем ампулу 3 на кварцевой лодочке 9 извлекали из высокотемпературной рабочей зоны диффузионной печи 8 в примыкающий к диффузионной печи 8 бокс 11 на специальную металлическую подставку 10 так, чтобы ампула 3 находилась непосредственно под металлическим душем 18 для подачи воды. Далее без промедления закрывали дверцу 12 бокса 11 и открывали водяной вентиль 17 на трубопроводе 16, соединяющем емкость с водой 14 и душ 18, для подачи определенного количества воды (2 л и 4 л), термостатированной в емкости 14 при температуре 30±3°C, с расходом воды 400 мл/мин.
Охлажденную таким образом ампулу 3 извлекали из бокса 11, помещали в типовой технологический скафандр, разбивали по месту спая 5 с шлиф-пробкой 4, выгружали из ампулы кремниевые пластины 1 и проводили измерение напряжения пробоя p-n-структур, сформированных в кремниевых пластинах в процессе диффузионного отжига. Таким образом проведено по 3 процесса с расходом воды соответственно 2 и 4 л.
Также для сравнения проведено 3 процесса с естественным охлаждением ампул 3, оставленных на металлической подставке 10 в изменяющихся условиях окружающей среды. Колебания температуры окружающей среды при проведении этих процессов составили ~7°С.
Результаты измерения напряжения пробоя полученных таким образом диффузионных p-n-структур приведены в табл.1 и на фиг.6. Видно, что по способу диффузии As с контролируемыми стабилизированными условиями последиффузионного охлаждения ампул (кремниевых пластин с p-n-структурами) дисперсия напряжения пробоя p-n-структур (ΔUпроб) на ~50% ниже по сравнению с дисперсией Uпроб p-n-структур, полученных в условиях естественного последиффузионного охлаждения ампул, что свидетельствует об эффективности предлагаемого способа управления электрическими характеристиками низковольтных p-n-структур, в частности, используемых в конструкции термокомпенсированного низковольтного стабилитрона, диффузией легирующих примесей по методу закрытой трубы.
Значимое различие результатов, полученных для разных стабилизированных условий охлаждения ампул с кремниевыми пластинами (2 и 4 литра воды) свидетельствует также о возможности управления электрическими параметрами низковольтных (менее 7 В) p-n-структур, получаемых методом закрытой трубы, не только за счет температуры и времени процесса диффузии, но также и скорости последиффузионного охлаждения кварцевых ампул с кремниевыми p-n-структурами.
Таблица 1
Разброс (дисперсия) напряжений пробоя p-n-структур, изготовленных диффузией мышьяка в режиме 1150°C, 60 мин в кремний марки КДБ 0.005 методом закрытой трубы с "естественным" и принудительным последиффузионным охлаждением кварцевых ампул
Условия охлаждения ампул
Среднее значение Uпроб, В
Значения ΔUпроб (отклонение от среднего значения Uпроб), В, p-n-структур в зависимости от условий охлаждения ампул
1 процесс
2 процесс
3 процесс
Естественное охлаждение
5.4
0.41
0.54
0.59
Охлаждение водой
2 литра
5.1
0.12
0.16
0.14
4 литра
4.9
0.09
0.05
0.06
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. М.: Техносфера, 2010, ч.1, стр.134-192.
3. Зи С.М. Технология СБИС. М.: Мир, 1986, 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-n-переходах. - Радиотехника и электроника, 1965. Т.10, №1, с.104-111.
6. В.К. Аладинский. Пробой в узких германиевых р-n-переходах. - Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы, 1967.  №5, с.87-97.
7. Schwenker R., Pane S., Leverr F. Arsenic clustering in Silicon. - J. Appl. Phys., 1971, v.42, №8, pp.3195-3200.
8. Александров О.В. Диффузия, сегрегация и электрическая активация легирующих примесей в диффузионных и имплантационных слоях кремния. Диссертация к.т.н. г.Минск, 2003.
9. В.К. Аладинский. Теоретическое и экспериментальное исследование электронных процессов при пробое р-n-переходов и некоторые аспекты их практического применения. Диссертация д.ф.-м.н., М., 1974.
10. Скорняков С.П. Патент на изобретение №2162622. Низковольтный термокомпенсированный стабилитрон и способ его изготовления. Опубл. 27.01.2001.