RU1105078C

RU1105078C - Method of diffusion in making semiconductor strain-sensitive elements

Info

Publication number: RU1105078C
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Зеленцов; С.А. Козин
Original assignee: Zelentsov Yu A; Kozin S A
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1996-01-10

Abstract

The abstract is absent.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых тензочувствительных датчиков физических величин повышенной точности. The invention relates to measuring equipment and can be used in the manufacture of semiconductor strain-sensitive sensors of physical quantities of high accuracy.

При изготовлении полупроводниковых тензочувствительных элементов с диффузионными тензорезисторами, соединенными в мостовую схему Уитстона, повышенные требования предъявляются к внутрисхемному разбросу сопротивлений тензорезисторов, от которого зависит начальный разбаланс мостовой схемы. Этот разброс сопротивлений тензорезисторов определяется в основном низкой воспроизводимостью и значительным разбросом поверхностного сопротивления диффузионных слоев в пределах одной пластины и между пластинами в партии. In the manufacture of semiconductor strain gauge elements with diffusion strain gages connected to a Wheatstone bridge circuit, increased demands are placed on the in-circuit dispersion of the resistance of the strain gages, on which the initial imbalance of the bridge circuit depends. This dispersion of resistance of strain gages is determined mainly by low reproducibility and a significant dispersion of the surface resistance of diffusion layers within the same plate and between the plates in the batch.

Известен способ высокотемпературной диффузии легирующей примеси в полупроводниковую подложку для получения областей противоположного по сравнению с исходным полупроводником типа проводимости, включающий создание непосредственно из источника примеси на первой стадии на поверхности полупроводника относительно тонкого диффузионного слоя, а на второй стадии при нагревании в атмосфере, не содержащей примеси, перераспределение тех примесей, которые были введены в поверхностный слой в течение первой стадии. There is a method of high-temperature diffusion of a dopant in a semiconductor substrate to obtain regions of a conductivity type opposite to that of the original semiconductor, which involves creating a relatively thin diffusion layer directly from the impurity source on the semiconductor surface in the second stage and heating it in an atmosphere containing no impurity in the second stage , redistribution of those impurities that were introduced into the surface layer during the first stage.

Известен способ создания легированной полупроводниковой зоны в полупроводниковом теле, включающий создание сильнолегированной поверхностной зоны примеси из газовой фазы. A known method of creating a doped semiconductor zone in a semiconductor body, including the creation of a heavily doped surface zone of an impurity from the gas phase.

Известен способ проведения диффузии примеси в полупроводник, по которому пластины источники диффузии и полупроводниковые пластины, в которые проводится диффузия примеси, располагают параллельными рядами перпендикулярно газовому потоку. There is a method of conducting diffusion of an impurity into a semiconductor, in which the plate diffusion sources and the semiconductor wafer into which the impurity is diffused are arranged in parallel rows perpendicular to the gas flow.

Недостатками всех этих известных способов является значительный разброс поверхностного сопротивления диффузионных слоев в пределах одной пластины и между пластинами в партии, что не позволяет обеспечить минимальный внутрисхемный разброс сопротивлений при изготовлении диффузионных тензорезисторов. The disadvantages of all these known methods is the significant dispersion of the surface resistance of the diffusion layers within the same plate and between the plates in the batch, which does not allow for a minimum in-circuit dispersion of resistances in the manufacture of diffusion strain gages.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ диффузии при изготовлении полупроводникового тензочувствительного элемента, включающий размещение в лодочке партий полупроводниковых пластин и твердых источников диффузанта, окружающих пластины и расположенных рядом с ними, введение лодочки в реактор, нагревание полупроводниковых пластин и твердых источников диффузанта до температуры диффузии. The closest in technical essence to the proposed one is the diffusion method in the manufacture of a semiconductor strain gauge element, comprising placing in a boat batches of semiconductor wafers and solid diffusant sources surrounding the wafers and adjacent to them, introducing the boat into the reactor, heating the semiconductor wafers and solid diffusant sources to a temperature diffusion.

Недостатком этого способа также является значительный разброс поверхностного сопротивления диффузионных слоев в пределах одной пластины и между пластинами, обусловленный легированием рабочих полупроводниковых пластин непосредственно из твердого источника диффузанта, что не позволяет обеспечить минимальный внутрисхемный разброс сопротивлений диффузионных тензорезисторов и их воспроизводимость. The disadvantage of this method is the significant dispersion of the surface resistance of the diffusion layers within the same wafer and between the wafers, due to the alloying of the working semiconductor wafers directly from a solid source of diffusant, which does not allow for a minimum in-circuit dispersion of the resistance of diffusion strain gages and their reproducibility.

Целью изобретения является повышение точности изготовления элемента путем уменьшения разброса поверхностного сопротивления диффузионных слоев в пределах партии пластин и повышения воспроизводимости сопротивлений слоев. The aim of the invention is to improve the manufacturing accuracy of the element by reducing the spread of surface resistance of the diffusion layers within the batch of plates and increase the reproducibility of the resistance of the layers.

Поставленная цель достигается тем, что в способе диффузии при изготовлении полупроводникового тензочувствительного элемента, включающем размещение в лодочке партии полупроводниковых пластин и твердых источников диффузанта, окружающих пластины и расположенных рядом с ними, введение лодочки в реактор, нагревание полупроводниковых пластин и твердых источников диффузанта до температуры диффузии, предварительно в лодочке вдоль ее продольной оси между твердыми источниками диффузанта располагают вспомогательные полупроводниковые пластины, при этом в начале лодочки располагают только твердые источники диффузанта, после введения лодочки в реактор выдерживают вспомогательные пластины и твердые источники диффузанта в атмосфере смеси инертного газа и газа-окислителя до насыщения вспомогательных пластин легирующей примесью, после извлечения лодочки из реактора удаляют твердые источники диффузанта, расположенные рядом с вспомогательными пластинами, затем рядом с вспомогательными пластинами в лодочке размещают рабочие полупроводниковые пластины поверхностью со вскрытыми в маскирующем слое окнами к вспомогательным пластинам, вводят лодочку в реактор и легируют рабочие полупроводниковые пластины в атмосфере газа-носителя. This goal is achieved by the fact that in the diffusion method in the manufacture of a semiconductor strain gauge element, comprising placing in a boat a batch of semiconductor wafers and solid diffusant sources surrounding the wafers and adjacent to them, introducing the boat into the reactor, heating the semiconductor wafers and solid diffusant sources to a diffusion temperature , preliminary in the boat along its longitudinal axis between the solid sources of the diffusant are auxiliary semiconductor plasmas otherwise, only solid sources of diffusant are located at the beginning of the boat, after the boat is introduced into the reactor, auxiliary plates and solid sources of diffusant are kept in an atmosphere of a mixture of inert gas and oxidizing gas until saturation of the auxiliary plates with dopant, after removing the boat from the reactor, solid sources of diffusant located next to the auxiliary plates, then next to the auxiliary plates in the boat place the working semiconductor wafers with an open surface The windows to the auxiliary plates are washed in the masking layer, the boat is introduced into the reactor and the working semiconductor plates are doped in the atmosphere of the carrier gas.

Данный способ поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 и 2 показана соответственно лодочка с вспомогательными пластинами и источниками диффузанта и лодочка с вспомогательными пластинами и рабочими. This method is illustrated by graphic material, where in FIG. 1 and 2 show, respectively, a boat with auxiliary plates and diffusant sources and a boat with auxiliary plates and workers.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
кварцевая лодочка 1,
твердые источники 2 диффузанта нитрида бора, необходимые для создания постоянного потока примеси в начале лодочки,
вспомогательные полупроводниковые пластины 3 из кремния n-типа без маскирующего слоя двуокиси кремния (SiO₂),
твердые источники 4 нитрида бора, необходимые для насыщения вспомогательных пластин,
рабочие полупроводниковые пластины 5 из кремния n-типа со вскрытыми в маскирующем слое SiO₂ окнами под тензорезисторы,
0-0-продольная ось кварцевой лодочки.In FIG. 1 the following notation is accepted:
quartz boat 1,
solid sources of 2 boron nitride diffusants necessary to create a constant flow of impurities at the beginning of the boat,
auxiliary semiconductor wafers 3 of n-type silicon without a masking layer of silicon dioxide (SiO ₂ ),
solid sources of 4 boron nitride necessary for saturation of the auxiliary plates,
working semiconductor wafers 5 made of n-type silicon with windows open under the strain gauge SiO _2, for strain gages,
0-0 longitudinal axis of the quartz boat.

Способ осуществляли следующим образом. В пазах кварцевой лодочки 1 в ее начале располагали пластины твердого источника 2 диффузанта нитрида бора (см. фиг. 1) на расстоянии 4-5 мм друг от друга. В остальных пазах вдоль продольной оси 0-0 размещали вспомогательные полупроводниковые пластины 3 из кремния n-типа, а по обе стороны от них на равном расстоянии (4-5 мм) размещали пластины нитрида бора (источники 4, см. фиг. 1). Вспомогательные пластины 3 проходили такую же механическую обработку (шлифовку и полировку) и химическую обработку, как и рабочие полупроводниковые пластины 5, но на них не создавали маскирующего слоя двуокиси кремния. Кварцевую лодочку 1 со вспомогательными пластинами 3 и пластинами нитрида бора (2 и 4) помещали в реакционную зону трубы (на чертежах не показано) с температурой 1050± 1^оС, одновременно в реакционную зону трубы подавали смесь газов аргона и кислорода с расходом Q_Ar 40-50 л/ч и Q

= 30-40 л/ч соответственно. Выдерживали лодочку при заданных температуре и расходах газа в течение 60-70 мин и производили насыщение вспомогательных пластин бором. Затем кварцевую лодочку извлекали из реакционной зоны трубы, пластины нитрида бора, размещенные около вспомогательных пластин, удаляли, а на их место размещали рабочие полупроводниковые пластины 5 из кремния n-типа с предварительно созданным маскирующим слоем двуокиси кремния и сформированными в нем окнами под тензорезисторы (см. фиг. 2). Рабочие полупроподниковые пластины 5 размещали к вспомогательным пластинам 3 основной поверхностью, на которой сформированы окна под тензорезисторы. Кварцевую лодочку 1 со вспомогательными пластинами 3, пластинами нитрида бора (2) и рабочими пластинами 5 помещали в реакционную зону трубы с температурой 1050±1^оС и одновременно подавали газ-носитель аргон с расходом Q_Aг 40 ±5 л/ч в течение 5± 0,5 мин. Затем в реакционную зону трубы подавали кислород с расходом Q

= 30±5 л/ч и рабочие пластины выдерживали в потоке смеси газов аргон + кислород в течение 5± 0,5 мин. Завершали первую стадию диффузии бора в рабочие пластины в атмосфере аргона с расходом Q_O2 40± 5 л/ч в течение 55± 5 мин. В результате первой стадии диффузии на поверхности рабочих пластин создавался тон-кий диффузионный слой бора с величиной поверхностного сопротивления 8±0,5 Oм/□ Промежуточная обработка слоя примесно-силикатного стекла в атмосфере кислорода упростила процесс удаления этого слоя после проведения первой стадии диффузии бора. Кварцевую лодочку из реакционной зоны трубы извлекали, удаляли вспомогательные пластины 3 и пластины нитрида бора (2), а с рабочих пластин 5 снимали боросиликатное стекло в 20%-ном растворе плавиковой кислоты. Вторую стадию диффузии проводили при температуре 1150± 1^оС в реакционной зоне трубы сначала в потоке сухого кислорода в течение 10±0,5 мин, а затем во влажном кислороде в течение 20± 1 мин при расходе кислорода Q_O2= 65± 5 л/ч. После второй стадии диффузии величина поверхностного сопротивления диффузионных слоев, измеренная четырехзондовым методом, составила 16 ±1,0 Ом/□ Номиналы сопротивлений диффузионных тензорезисторов, изготовленных по данному способу, при количестве квадратов резисторного слоя, равном ≈32, составили 500± 30 Ом, а внутрисхемный разброс тензорезисторов полупроводникового тензочувствительного элемента ±1,5% от среднего значения.The method was carried out as follows. In the grooves of the quartz boat 1 at its beginning were plates of a solid source 2 of boron nitride diffusant (see Fig. 1) at a distance of 4-5 mm from each other. In the remaining grooves along the longitudinal axis 0-0, auxiliary n-type silicon semiconductor wafers 3 were placed, and boron nitride wafers (sources 4, see Fig. 1) were placed on both sides of them at an equal distance (4-5 mm). The auxiliary plates 3 underwent the same machining (grinding and polishing) and chemical processing as the working semiconductor plates 5, but they did not create a masking layer of silicon dioxide. Quartz boat 1 with supporting plates 3 and the plates boron nitride (2 and 4) were placed in a reaction tube area (not shown) to a temperature of 1050 ± 1 ^{° C,} while the reaction tube area was fed a mixture of argon and oxygen gas with the flow rate Q _Ar 40-50 l / h and Q

= 30-40 l / h, respectively. The boat was kept at the set temperature and gas flow rates for 60-70 min and the auxiliary plates were saturated with boron. Then the quartz boat was removed from the reaction zone of the pipe, the boron nitride plates placed near the auxiliary plates were removed, and working semiconductor plates 5 of n-type silicon with a pre-created masking layer of silicon dioxide and windows formed under it for strain gages were placed in their place (see Fig. 2). The working semiconductor plates 5 were placed to the auxiliary plates 3 by the main surface on which the windows for strain gages were formed. Quartz boat 1 with supporting plates 3, the plates boron nitride (2) and the working plate 5 placed in a reaction tube area with a temperature of 1050 ± 1 ^{° C} and simultaneously fed to the carrier gas, argon at a flow rate Q _AH 40 ± 5 L / h for 5 ± 0.5 min. Then, oxygen was supplied to the reaction zone of the pipe at a rate of Q

= 30 ± 5 l / h and the working plates were kept in a stream of an argon + oxygen gas mixture for 5 ± 0.5 min. The first stage of boron diffusion into working plates in an argon atmosphere was completed with a flow rate of Q _{O2 of} 40 ± 5 l / h for 55 ± 5 min. As a result of the first stage of diffusion, a thin boron diffusion layer with a surface resistance of 8 ± 0.5 Ohm / сопротивления was created on the surface of the working plates. Intermediate treatment of the impurity-silicate glass layer in an oxygen atmosphere simplified the process of removing this layer after the first stage of boron diffusion. A quartz boat was removed from the reaction zone of the pipe, auxiliary plates 3 and boron nitride plates (2) were removed, and borosilicate glass in a 20% hydrofluoric acid solution was removed from the working plates 5. A second diffusion step is carried out at a temperature of 1150 ± 1 ^{° C} in the first zone of the reaction tube in a stream of dry oxygen for 10 ± 0.5 minutes, and then in a wet oxygen for 20 ± 1 minute at an oxygen flow rate Q _O2 = 65 ± 5 liters / h After the second stage of diffusion, the surface resistance of the diffusion layers, measured by the four-probe method, was 16 ± 1.0 Ohm / □ The resistance values of the diffusion strain gauges manufactured by this method, with the number of squares of the resistor layer equal to ≈32, were 500 ± 30 Ohm, and in-circuit dispersion of strain gauges of a semiconductor strain-sensing element ± 1.5% of the average value.

Сравнительные данные по разбросу поверхностного сопротивления диффузионных слоев одновременено обрабатываемой партии рабочих пластин в количестве 8 штук и внутрисхемному разбросу сопротивлений тензорезисторов, изготовленных по базовому, за который взят способ-прототип, и данному способам, со средним значением R_s 16 Ом/□ представлены в таблице.Comparative data on the spread of the surface resistance of the diffusion layers of the simultaneously processed batch of working plates in the amount of 8 pieces and the in-circuit spread of the resistance of the strain gauges made according to the base, for which the prototype method is taken, and this method, with an average value of R _s 16 Ohm / □ are presented in the table .

Данный способ диффузии при изготовлении полупроводникового тензочувствительного элемента по сравнению с базовым объектом обеспечивает следующие дополнительные преимущества:
разброс величины поверхностного сопротивления диффузионных слоев в пределах одной партии пластин уменьшается в 2,0-2,5 раза, а внутрисхемный разброс сопротивлений тензорезисторов уменьшается в 1,5-2,0 раза;
упрощается процесс травления примесно-силикатного слоя стекла после проведения первой стадии диффузии;
исключается образование нерастворимых соединений в диффузионных слоях.This diffusion method in the manufacture of a semiconductor strain-sensing element in comparison with the base object provides the following additional advantages:
the spread of the surface resistance of the diffusion layers within one batch of plates decreases by 2.0-2.5 times, and the in-circuit spread of the resistance of the strain gauges decreases by 1.5-2.0 times;
the etching process of the impurity-silicate layer of the glass after the first stage of diffusion is simplified;
formation of insoluble compounds in diffusion layers is excluded.

Claims

METHOD OF DIFFUSION IN THE PRODUCTION OF A SEMICONDUCTOR SENSITIVE SENSITIVE ELEMENT, including placing in a boat a batch of semiconductor wafers and solid diffusant sources surrounding the wafers and adjacent to them, introducing the boat into the reactor, heating the semiconductor wafers and solid diffusant sources to a diffusion temperature that differs from the purpose of increasing the accuracy of manufacturing an element by reducing the spread of surface resistance of diffusion layers within the batch of plates and higher In order to reproduce the resistances of the layers, previously in the boat along the longitudinal axis between the solid sources of the diffusant there are auxiliary semiconductor plates, at the beginning of the boat only solid sources of diffusant are placed, after the boat is introduced into the reactor, the auxiliary plates and solid sources of diffusant are kept in an atmosphere of an inert gas mixture and oxidizing gas until saturation of the auxiliary plates with an alloying impurity, after removing the boat from the reactor, solid sources are removed the diffusant, located next to the auxiliary plates, then next to the auxiliary plates are placed the working semiconductor wafers with the windows open to the auxiliary plates in the masking layer, the boat is introduced into the reactor and the working plates are doped in the atmosphere of the carrier gas.