3 Inline Diffusion
3.3 Dotierstoffe für die Inline-Diffusion
3.4.1 Aufbringung des Dotierstoffs mit einer Sprühdüse
In den folgenden Versuchen wurde der Dotierstoff mit einer Zweistoffsprühdüse aufgetragen.
Abbildung 3.2 rechts zeigt eine Skizze der verwendeten Sprühdüse. Der Dotierstoff wird von einem Vorratsbehälter in die Sprühdüse gedrückt. An der Spitze der Düse zerstäubt die Druckluft bei geöffneter Nadel den Dotierstoff zu einem feinen Nebel. Die Nadel wird über eine separate Steuerluft angehoben (= Sprühen) und geschlossen. Die Menge des versprühten Dotierstoffs lässt sich über den Hub der Nadel einstellen. Die Form und Größe des Sprühbildes hängt von der Düse und ihrer Entfernung zur Oberfläche ab. Druck- und Steuerluft werden von einem Steuergerät geregelt.
Zunächst wurde eine Düse mit einem ellipsenförmigen Sprühbild (Durchmesser ~13 cm) gewählt und die Siliziumwafer wurden auf einer Unterlage von Hand unter der Sprühdüse durchgezogen (siehe Abbildung 3.2). Ein Problem bei den ellipsenförmigen Sprühdüsen war, dass diese leicht verstopften.
Vor allem wenn kurze Zeit (~1 min) nicht gesprüht wurde, bildeten sich aus dem Dotierstoff Polymere, welche die Düse verstopften. Dies führte zu einer weiteren Verschlechterung des Sprühbildes. Die Dicke des Sprühfilms variierte innerhalb der Ellipse und der Dotierstoff wurde auf einer Seite des Wafers stärker aufgesprüht.
Abbildung 3.2: Für die Versuche wurde eine Sprühdüse verwendet. Links der Versuchsaufbau, rechts die Skizze des Sprühsystems [30]
Um Aussagen über die Homogenität des gesprühten Filmes zu machen, wurde nach der Diffusion der Schichtwiderstand des Emitters bei einigen Wafern örtlich aufgelöst gemessen. Die Messungen mit der SPV-Technik (englisch: Surface Photo Voltage) wurden bei der Firma Semilab (Abbildung 3.2) in Ungarn und am IFE in Norwegen (Abbildung 3.5 und Abbildung 3.17) durchgeführt. Bei der SPV-Messung ist zu beachten, dass in den Randbereichen Abweichungen auftreten, da dort nicht mehr näherungsweise von einer unendlichen Fläche ausgegangen werden kann. Die Inhomogenität des aufgesprühten Dotierstoffs zeigt sich auch im Schichtwiderstand des Emitters. Abbildung 3.4 zeigt den ortsaufgelösten Schichtwiderstand eines so hergestellten Emitters. Deutlich ist die stärker dotierte rechte Seite (gelb/rot) zu erkennen.
32
28
24
20
Schichtwiderstand [Ω/Sq.]
Abbildung 3.3: Ortsaufgelöste Messung des Schichtwiderstands des Emitters auf einem 10x10 cm² Wafer, besprüht mit Filmtronics P509 nach einer Diffusion von 10 Minuten bei 920°C.
Für die weitere Automatisierung wurde das Sprühsystem in eine Rollentransportanlage eingebaut.
Jetzt wurde ein Sprühkopf gewählt, der ein rundes, kleineres Sprühbild (Durchmesser ~4 cm) hat.
Hierbei lässt sich der Dotierstoff wesentlich homogener auftragen als mit der ellipsenförmigen Sprüh-düse. Dies ermöglichte eine Optimierung der Diffusionsparameter. Da die besprühte Fläche nun kleiner ist, muss der Sprühkopf während des Sprühvorgangs über den Wafer geführt werden. Die Wafer werden auf Rollen durch die Sprühanlage transportiert, der Sprühkopf wird senkrecht zur Transportrichtung auf einer linearen Verschiebeeinheit oberhalb des Wafers bewegt. Die Verschiebe-einheit wird dabei von einem Computer angesteuert. Der Computer kann für verschiedene Wafer-größen programmiert werden und steuert gleichzeitig die Kontrolleinheit für die Sprühdüse. Die Anlage ist in Abbildung 3.4 gezeigt. Unten im Bild sind die Rollen zu erkennen, auf denen der Wafer transportiert wird, rechts der Verschiebetisch mit dem Sprühkopf und links davon das Ansteuergerät für die Sprüh- und Steuerluft. Die Luft in der Anlage wird abgesaugt, damit keine Dämpfe entweichen können.
Abbildung 3.4: Die Aufnahme zeigt die Aufsprühanlage mit dem schwarzen Ansteuergerät für die Druckluft, der linearen Verschiebeeinheit mit dem Sprühkopf und dem Rollentransport für die Wafer.
Abbildung 3.5 zeigt den ortsaufgelösten Schichtwiderstand eines so hergestellten Emitters. Im Bild sind noch die Bahnen des Sprühkopfs zu erkennen, der sich von oben nach unten und zurück bewegt.
Bei der letzten Bahn wurde der Sprühnebel etwas zu früh abgestellt, der Emitter ist an diesen Stellen deshalb schwächer dotiert (gelb/rot). Am oberen und unteren Rand des Wafers, wo der Sprühkopf seine Richtung ändert, ist etwas mehr Dotierstoff auf dem Wafer, was man an der stärkeren Dotierung sieht (blau).
55
50
45
40
35
Schichtwiderstand [Ω/Sq.]
Abbildung 3.5: Ortsaufgelöste Messung des Schichtwiderstands des Emitters auf einem 10x10 cm² Wafer, besprüht mit Filmtronics P509 nach einer Diffusion von 10 Minuten bei 870°C.
Nach dem Aufsprühen des Dotierstoffs wurden die Wafer in einem Durchlaufofen bei 200°C getrocknet, hierbei verdunstet das Lösungsmittel.
3.4.1.1 Schichtdickenbestimmung
Die Dicke des aufgesprühten Phosphorglasfilms hängt zum einem von der verwendeten Dotierstoff-lösung und zum anderen von den Sprühparametern (Hub, Sprühzeit, Sprühdruck) ab. Eine Skizze der Sprühdüse findet sich in Abbildung 3.2. Der Hub beträgt bei den Experimenten zwischen 0,5 und 1 mm, der Sprühdruck 1,5 bar. Die Sprühdauer ist durch die Geschwindigkeit der Rollen, die den Wafer transportieren, und der Geschwindigkeit, mit der der Sprüharm über den Wafer fährt, gegeben.
Nach dem Sprühen ist eine deutliche Verfärbung des Siliziums zu erkennen. Die Wafer hatten nun einen graublauen Schimmer. Die Messung der Schichtdicke gestaltete sich als schwierig, da der Brechungsindex des aufgesprühten Glases nicht genau bekannt ist. Zur Bestimmung der Schichtdicke wurden polierte FZ-Wafer mit verschiedenen Dotierstoffen besprüht. Die Reflexion der Proben wurde in Abhängigkeit der Wellenlänge im Bereich zwischen 300 nm und 1200 nm gemessen (mit Varian Cary 5 UV-Vis-NIR Spectrophotometer). Die Reflexionsmessungen sind in Abbildung 3.6 gezeigt.
400 600 800 1000 1200
Abbildung 3.6: Reflexionsmessungen mit dem Spektralphotometer Cary an besprühten FZ-Wafern.
Aus der Reflexionsmessung kann die Schichtdicke abgeschätzt werden. Laut Hersteller lassen sich Schichtdicken zwischen 0.04 μm und 1 μm im Spin-On-Verfahren herstellen. Der Brechungsindex wird mit 1.38-1.48 angegeben [31]. Unter der Annahme, dass sich der Brechungsindex des aufgesprühten Glases zwischen zwei benachbarten Minima und Maxima nicht ändert und n=1.48 beträgt, lässt sich die Dicke der aufgesprühten Schicht berechnen.
Zwischen zwei benachbarten Maxima und Minima gilt [32]:
(
minmin maxmax)
n d 4
λ λ
λ λ
⋅ = ⋅
⋅ − . (3.7)
Die mit Gleichung (3.7) und den Reflexionsmessungen aus Abbildung 3.6 berechneten Schichtdicken sind in Tabelle 3.2 zusammengefasst.
Dotierstoff abgeschätzte Schichtdicke
Filmtronics P506 1,3 μm
Filmtronics P509 1,8 μm
Merck Siodop 1,2 μm
Tabelle 3.2: Abgeschätzte Schichtdicken der gesprühten Filme.
Die Sprühparameter (Hub, Sprühzeit, Sprühdruck, s.o.) wurden beim Aufsprühen der Dotierstoffe nicht verändert. Durch eine Variation der Sprühparameter lässt sich die Dicke des aufgesprühten Films für die einzelnen Dotierstoffe verändern und optimieren.
3.4.2 Diffusionsprozess
Nach dem Aufsprühen des Dotierstoffs und dem Trocknen findet die Diffusion der Wafer statt. Dies geschieht in einem Durchlaufofen, dem Sinterofen RTC LA 310. Die Wafer werden für die Diffusion auf einen Gürtel gelegt und durchlaufen nach einer kurzen Eingangszone eine ungefähr 76 cm lange, isolierte Heizkammer. Sowohl oben als auch unten in der Kammer befinden sich Infrarotlampen, welche diese auf bis zu 990°C aufheizen können. Im Anschluss folgt eine Abkühlzone, so dass die Wafer den Ofen in etwa mit Raumtemperatur verlassen. Die Diffusionen fanden bei Temperaturen zwischen 870°C und 970°C statt. Die Diffusionszeit ist dabei proportional zur Gürtelgeschwindigkeit.
Bei der langsamsten Geschwindigkeit von 7,6 cm pro Minute des Gürtels lässt sich eine Diffusionszeit von 10 Minuten realisieren. Längere Diffusionszeiten waren mit dem vorhandenen Sinterofen leider nicht möglich. Der Schichtwiderstand des Emitters lässt sich im Gürtelofen sowohl durch die Diffusionszeit als auch durch die Diffusionstemperatur verändern.
Zunächst wurde der Sinterofen profiliert. Dazu wurden mehrere Cz-Siliziumwafer (5x5 cm²) mit Dotierstoff besprüht. Die Diffusion im Gürtelofen fand im Anschluss mit verschiedenen Parametern (Diffusionszeit und –temperatur) statt. Nach der Diffusion wurde der Schichtwiderstand durch Vier-punktmessungen an neun verschiedenen Stellen auf einem Wafer bestimmt. In Abbildung 3.7 sind Schichtwiderstände für verschiedene Diffusionszeiten bei gleicher Diffusionstemperatur aufgetragen.
1 2 3 4 5 6
20 40 60 80 100 120
Dotierstoff P854 SF TDiff= 960°C
Schichtwiderstand [Ω/Sq.]
Diffusionszeit [min]
Abbildung 3.7: Schichtwiderstand in Abhängigkeit von der Diffusionszeit.
In Abbildung 3.8 sind die Schichtwiderstände für verschiedene Temperaturen gezeigt. Für verschiedene Diffusionstemperaturen erhält man bei gleicher Diffusionszeit unterschiedliche Schichtwiderstände des Emitters. Damit lässt sich über die Diffusionstemperatur der Schicht-widerstand des Emitters einfach einstellen.
870 880 890 900 910 20
25 30 35 40 45 50
Dotierstoff P 509 tDiff=10 min.
Schichtwiderstand [Ω/Sq.]
Diffusionstmperatur [°C]
Abbildung 3.8: Schichtwiderstand in Abhängigkeit von der Diffusionstemperatur.
Von den Emittern bei den Diffusionen mit 870°C, 890°C und 910°C wurden die Dotierprofile mit der ECV-Methode gemessen. Zum Vergleich ist das Referenzdotierprofil eines POCl3-Emitters in dem Schaubild in Abbildung 3.9 aufgetragen.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
1017 1018 1019 1020
POCl3-Profil 50 Ω/sq Inline P Profil
25 Ω/sq 33 Ω/sq 47 Ω/sq
Ladungsträgerkonzentration [cm-3 ]
Tiefe [µm]
Abbildung 3.9: ECV-Messung des Dotierprofils der verschiedenen Emitter.
Bei der Diffusion fällt auf, dass der erste Wafer einer Reihe immer einen höheren Schicht-widerstand hat, bzw. schwächer dotiert ist als die folgenden Wafer, unabhängig von der Diffusionstemperatur bzw. Diffusionszeit. Dies legt die Vermutung nahe, dass während der Diffusion im Gürtelofen ein Teil des Dotierstoffes in die Umgebung entweicht. Deshalb werden den zu prozessierenden Wafern in der Regel bei der Diffusion auch ein oder zwei besprühte Dummies vorweggeschickt. Für die folgenden Wafer, die den Gürtelofen durchlaufen, enthält die Atmosphäre im Ofen schon den ausdiffundierten Dotierstoff der vorherigen Wafer. Zwischen Aus- und Eindiffusion aus der Ofenatmosphäre muss sich also ein Gleichgewicht einstellen.