This work introduces an approach to solve the problems encountered in semiconductor device fabrisation, difficulties of low concentration control, complexity and toxicity of traditional impurity diffusion processes.
Doped silicon dioxide film as a diffusion source was formed through heat-treatment of mixture of dimethylpolysiloxane which was dissolved in $CCl_4$ and phosphorus pentoxide which was dissolved in ethanol, coated on the surface of a semiconductor wafer with a spinner. The heat-treatment temperature and time were 700℃ and 7 minutes, respectively. And then diffusions were performed at the temperature of 1000℃, 1050℃, 1100℃, 1150℃, and 1200℃.
As results, the spinning speed of 4000 RPM and the gas composition of 10% $O_2$ - 90% $N_2$ in the heat-treatment atmosphere were the best conditions to obtain the phosphorus-doped silicon dioxide film of about 2000$A^\circ$ - thick as a diffusion source. And the total gas flow rate was at 1000 CC/min.
The doped oxide gave constant surface concentration of $2\times10^{18}/cm^3$ for 10 hour diffusion time in the range of diffusion temperature of 1000℃ to 1200℃ in $N_2$ diffusion atmosphere.
The diffusivities for surface concentration of $2\times10^{18}/cm^3$ were
$(6.75\pm1.75)\times10^{-15} cm^2/sec$ at 1000℃,
$(3.26\pm0.39)\times10^{-14} cm^2/sec$ at 1050℃,
$(7.35\pm0.88)\times10^{-14} cm^2/sec$ at 1100℃,
$(3.05\pm0.36)\times10^{-13} cm^2/sec$ at 1150℃,
and $(8.14\pm0.65)\times10^{-13} cm^2/sec$ at 1200℃,
The most powerful advantages over the present method over traditional diffusion method are
1) the fact that it is easy to control very low surface concentration (down to $5\times10^{15}/cm^3$) and
2) uniformity of the impurity distribution.
The diffusivity for surface concentration of $5\times10^{15}/cm^3$ was $(1.35\pm0.27)\times10^{-13}cm^2/sec$ at 1150℃ in $N_2$ diffusion atmosphere.
종래의 확산방법이 낮은 표면농도를 얻기 힘들었기 때문에 여러 연구자들은 doped oxide 를 실리콘 위에 얹어서 표면농도를 독립적으로 조절하였는데, 그들이 사용한 방법으로는 $5\times10^{18}/cm^3$ 이하의 낮은 표면농도를얻지 못하였고, 사용한 장치들이 복잡하였다.
본 논문에서는 아주 간단한 장치로써 phosphorus 가 첨가된 용액을 실리콘 위에 발라서, $5\times10^{15}/cm^3$ 까지 낮은 표면농도를 얻을 수 있었다. 이와같은 방법에 사용될 수 있는 용액은 몇가지 조건을 갖춰야 하는데, 실리콘 표면과의 접착성이 좋고 증기압이 낮아서 열처리 할 때 전부 증발해 버리지 말아야하고, 실리콘과 산소를 동시에 포함하고 있어서 열처리 할 때에 $SiO_2$ 로 변하고 나머지는 증발해 버려야 한다. 또한 그 용매는 첨가물질들에 대한 용해도가 충분히 커서 용액 속 내지는 doped oxide 내에 불순물의 농도를 일정하게 할 뿐만 아니라 열처리 할 때는 아무 손상없이 증발해 버려야 한다. 마지막으로, 용액의 점도는 희석에 의해 조절할 수 있어서 실리콘 표면에 고르게 발려지도록 해야한다.
이러한 조건에 부합되는 물질이 여러가지가 있지만 본 연구에서는 dimethylpolysiloxane 을 썼고, 불순물로서는 오산화인, 용매로서는 알콜과 사염화 탄소를 준비했다. 그러나 오산화인이 사염화 탄소에 많이 녹지않기 때문에 높은 농도를 얻기 보다는 낮은 농도를 얻는데 본 연구는 기여하게 되었다.
이와같은 물질을 잘 섞은 후에 spinner 로 실리콘 표면에 바르고 말린 후 700℃에서 7분간 열처리한 결과 $2,000A^\circ$ 정도의 Doped Oxide 를 얻을 수 있었다. 또한 이 doped oxide 는 spinner 의 회전속도와 열처리 분위기에 의해 그 두께와 표면의 균일성이 좌우되는데 가장 좋은 조건은 4000 RPM 의 spinning 속도와 $10 % O_2-90% N_2$의 gas 를 매분 1,000cc씩 흘려 줬을 때가 제일 좋았다.
이와같은 공정을 통해 실리콘 표면에 doped oxide 를 붙인후 온도를 1,000℃에서 1,200℃ 까지 50℃ 간격으로 변화시키고 질소 분위기에서 10시간 확산시킨결과 $2\times10^{18}/cm^3$ 의 표면농도를 얻을 수 있었고 또한 용액을 섞을 때 첨가하는 불순물의 양을 작게 조절하기만 하면-낮은 표면농도를 얻을 수 있으므로 그결과 $5\times10^{15}/cm^3$ 까지 낮출수 있었다.
확산분위기를 조절하면 이보다 더 낮은 표면농도를 얻을 수 있을 것이다.
이와같이 간단한 방법과 공정을 통해서 확산 source 를 만들었는데 가장 큰 잇점은 독립적으로 표면농도를 조절하여 아주 낮은 농도까지 얻을 수 있다는 점과 모든 공정이 아주 단순하다는 점이다.
용매가 첨가물들을 아주 잘 용해시킬 수 있다면 표면 농도를 조절할수 있는 범위는 더욱 더 넓어지고 그 균일성도 또한 훨씬 좋아질 것으로 예상한다.
