Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой трубе. Кремниевые пластины (от 50 до 200 штук) загружают в кассете в кварцевую трубу через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с системой подачи газа- носителя.
Источниками примеси (диффузантами) являются твердые, газообразные, жидкие, стеклообразные соединения, в состав которых входит легирующий элемент. Примеси в элементарном состоянии для диффузии не применяют.
При проведении диффузии с использованием твердого источника применяют двухзонные печи.
1- газовая система
2 - источник примеси
3 - кварцевая труба
4 - п/п пластина
5 - нагреватель
6 - выходное отверстие
В низкотемпературной зоне помещают контейнер с порошком источника примеси (В2О3 - борный ангидрид; Р2О5 - фосфорный ангидрид), в высокотемпературной зоне помещают кассету с пластинами.
Газ-носитель (смесь инертного газа и кислорода), поступая из системы подачи газа, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через выходное отверстие. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает молекулы источника примеси и переносит их в зону расположения пластин. Молекулы источника примеси адсорбируются на поверхности пластин. На поверхности идут химические реакции с освобождением элементарной легирующей примеси, которая и диффундирует в глубь полупроводниковой пластины:
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В (1)
2 Р2O5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р (2)
При проведении диффузии с использованием газообразного источника
газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в кварцевую трубу смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь, которая диффундирует в глубь пластины.
Например, процесс диффузии фосфора при использовании фосфина РН3 сопровождается реакциями:
4 РН3 + 5 O2 → 2 Р2О5 + 6 H2 - в трубе
2 Р2О5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р - на поверхности кремния
А процесс диффузии бора при использовании диборана B2Н6 сопровождается реакциями:
2 B2Н6 + 3 O2 → 2 B2О3 + 6 H2 - в трубе
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В - на поверхности кремния
Диффузия проводится в однозонной печи.
При проведении диффузии с использованием жидкого источника применяют однозонную печь.
Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и в зоне реакции, расположенной перед зоной диффузии, образуются оксиды соответствующих легирующих элементов:
В трубе: 4 POCl3 + 3 O2 → 2 P2O5 + 6 Cl2
или
4 BBr3 + 3 O2 → 2 B2O3 + 6 Br2
А на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь:
2 Р2O5 + 5 Si → 5 SiO2 + 4 Р
или
2 В2O3 + 3 Si → 3 SiO2 + 4 В,
которая диффундирует в глубь пластины.
Преимуществами способа диффузии в открытой трубе являются легкая управляемость составом паро-газовой смеси и скоростью газового потока, атмосферное давление.
После проведения процесса диффузии контролируются следующие параметры:
1. глубина залегания диффузионной области,
2. удельное поверхностное сопротивление,
3. дефектность диффузионной области.