Данилина Т.И., Смирнова К.И. и др. Процессы Микро и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

150

Рис.8.9. Зависимость

(

)

pns

для слоев

c erfc рас-

пределением примеси: а - =

исх

N 10

см

-3

; б - =

исх

N 10

см

-3

151

Однако при расчете времени диффузии следует учитывать, что при

высоких уровнях легирования, которые имеют место в эмиттерной

области биполярных транзисторов и в областях истока и стока МДП-

транзисторов, коэффициент диффузии помимо температуры зависит

еще от концентрации [11]. Как показали эксперименты, можно при-

нять, что среднее значение коэффициента диффузии в этом случае

описывается выражением

(

)

kTEDD

/exp5,1

-= , (8.23)

Используя диапазон температур от 800 до 1100

С, рассчитывается

время диффузии.

8.3. Расчет профилей распределения примесей при диффузии

Параметры элементов интегральных микросхем определяются

характером распределения примеси, который зависит от структуры

элемента и технологии его получения. Рассмотрим в качестве примера

расчет профилей распределения примеси в транзисторе биполярной

интегральной схемы, изготовленной по эпитаксиально-планарной тех-

нологии.

Рис. 8.10. Структура биполярного транзистора

Для транзистора, структура которого представлена на рис.7.10,

результирующий профиль распределения будет равен

(

)

(

)

(

)

(

)

xNxNxNxN

эбкрез

+-= , (8.24)

где

(

)

-xN

профиль распределения примеси в коллекторе;

(

)

-xN

профиль распределения примеси в базе;

(

)

-xN

профиль распределения примеси в эмиттере.

Поскольку в данной структуре коллектор изготовлен на основе

эпитаксиальной пленки, которая равномерно легирована по глубине,

152

то концентрация примеси в коллекторе равна концентрации эпитакси-

альной пленки

ЭП

N и не зависит от

(

)

constNxN

ЭПк

== . (8.25)

Профиль распределения примеси в базе подчиняется закону Гаус-

са, так как база обычно легируется в две стадии

()

exp

бб

NxN

, (8.26)

где -

поверхностная концентрация в базовом слое;

2б

D коэффициент диффузии примеси при температуре разгонки

базы;

2б

t время разгонки при диффузии базы.

При построении профиля распределения примеси в эмиттере сле-

дует учитывать, что эмиттеры являются высоколегированными облас-

тями, процесс диффузии в которых характеризуется рядом особенно-

стей. Существующая теория диффузии примесей в полупроводник

хорошо удовлетворяет целям расчета, если концентрация диффунди-

рующих атомов меньше эффективной плотности квантовых состояний

в соответствующей разрешенной зоне. В этом случае атомы примеси в

решетке полупроводника находятся на больших расстояниях и их

взаимодействием можно пренебречь. При сильном легировании кроме

взаимодействия атомов примеси с атомами основного вещества и со

структурными дефектами может появиться взаимодействие между

самими легирующими атомами. Предполагается, что при высокой

концентрации легирующей примеси часть атомов находится в ней-

тральном состоянии, в результате чего коэффициент диффузии приме-

сей зависит от концентрации.

Поскольку эмиттер чаще всего получают одностадийной диффу-

зией, то распределение примеси в эмиттере подчиняется закону инте-

грала функции ошибок

()

ээ

erfcNxN

= ,

где -

поверхностная концентрация в эмиттерной области;

D коэффициент диффузии при температуре диффузии эмитте-

ра;

153

t время диффузии.

Для учета концентрационной зависимости коэффициента диффу-

зии кривую распределения примеси аппроксимируют тремя участками

с коэффициентами диффузии

321

,, DDD (рис.8.11). Для каждого уча-

стка коэффициент диффузии усреднен и постоянен. Чем выше концен-

трация примеси, тем выше коэффициент диффузии. Экспериментально

установлено, что при диффузии фосфора границами участков следует

считать концентрации 4×10

и 4×10

см

-3

. Коэффициент диффузии при

концентрации примеси меньше 4×10

см

-3

(третий участок)

D зави-

сит только от температуры и определяется уравнением Аррениуса

(8.1). Коэффициент диффузии второго участка

D принимают равным

2DD = . Коэффициент диффузии

D определяется при расчете.

Распределение примеси на каждом участке описывается выражениями:

первый участок

(

)

(

)

2/1

101

ээ

tDxerfcNxN = ; (8.27)

второй участок

(

)

(

)

2/1

ээ

tDxerfcNxN = ; (8.28)

третий участок

(

)

(

)

2/1

ээ

tDxerfcNxN = , (8.29)

где -

, NN фиктивные поверхностные концентрации, обусловлен-

ные соответственно коэффициентами диффузии

D и

D .

Рис. 8.11. Аппроксимация распределения примеси в эмиттере

154

Расчет профиля распределения примеси следует начинать с

третьего участка, для которого можно записать равенство концентра-

ций в эмиттере и базе при

эб

xx =

exp

бб

эб

ээ

эб

erfcN , (8.30)

где -

эб

x глубина залегания

перехода эмиттер-база.

Отсюда можно определить

N .

На границе II и III участков при

xx = концентрация примеси

равна 4×10

см

-3

. Учитывая закон распределения примеси на III участ-

ке, можно записать

104

×=

ээ

erfcN . (8.31)

Отсюда можно определить

x . Для этой же точки

x концентрацию

примеси можно выразить, используя закон распределения примеси на

втором участке

104

×=

ээ

erfcN . (8.32)

Вычислив фиктивную концентрацию

N , можно записать вели-

чину концентрации для второй границы участка II со стороны высокой

концентрации

104

×=

ээ

erfcN , (8.33)

откуда можно определить

x .

Для точки

x концентрацию можно выразить и через параметры уча-

стка I

104

×=

ээ

erfcN . (8.34)

155

Определив значения

1э

D из уравнения (8.34), можно представить

профиль распределения примеси в эмиттере тремя уравнениями

xx £<

()

ээ

erfcNxN

= ;

21 cc

xxx ££

()

ээ

erfcNxN

= ; (8.35)

эбc

xxx ££

()

ээ

erfcNxN

= .

8.4. Технология получения диффузионных

переходов

При изготовлении полупроводниковых ИМС локальную диффу-

зию примеси проводят с использованием маски из оксида кремния,

окна в которой получены методом фотолитографии. Как уже отмеча-

лось, диффузию чаще всего проводят в две стадии. Вначале на поверх-

ности пластины создают относительно тонкий диффузионный слой с

высокой концентрацией примеси, а затем пластину нагревают в атмо-

сфере кислорода, не содержащей примесь, в результате происходит

перераспределение примеси из приповерхностного слоя в пластину. На

поверхности пластины протекает реакция кремния с кислородом с об-

разованием пленки

SiO , которая препятствует обратной диффузии

примеси.

Для получения легированных областей использовать чистые ле-

гирующие элементы обычно трудно: бор тугоплавкий и при темпера-

туре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара, фосфор при

нагреве легко воспламеняется, мышьяк высокотоксичен. Поэтому в

качестве источников примеси применяют различные соединения (ан-

гидриды, галогениды, гидриды) легирующего элемента, обладающие

достаточной летучестью и позволяющие обеспечить нужную концен-

трацию примеси. Такие соединения получили название диффузантов.

В зависимости от состояния при температуре 20

С различают

твердые, жидкие и газообразные диффузанты. В зону диффузии, где

располагают кремниевые пластины, диффузант вводят в газообразном

или (твердые и жидкие) в парообразном состоянии. Источники твер-

дых и жидких диффузантов должны содержать регулируемые нагрева-

тели для создания нужного давления пара.

156

Общим недостатком твердых диффузантов

(

)

5232

, OPOB являет-

ся трудность регулирования давления паров и, как следствие, пони-

женная воспроизводимость результатов диффузии. Кроме того, для их

испарения требуется высокая и стабильная температура, что усложня-

ет и удорожает оборудование. Обычно используют двухзонные диф-

фузионные печи с камерой источника и камерой диффузии, каждая из

которых имеет автономную систему нагрева и регулирования темпера-

туры.

При работе с жидкими диффузантами (

, PClBBr и др.), обла-

дающими высокой упругостью пара при невысоких температурах,

применяют более простые, однозонные печи. Для транспортировки

паров диффузанта в зону диффузии (реактор) используют аргон и дру-

гие газы, не взаимодействующие с кремнием и практически не диф-

фундирующие в него.

Наиболее технологичны газообразные диффузанты

(

362

, PHHB и др.), регулирование концентрации которых достигается

наиболее простыми средствами. Источником в этом случае является

баллон со сжатым газом (обычно гидридом). Результаты диффузии

характеризуются высокой воспроизводимостью. Недостатком гидри-

дов, ограничивающим их применение, является высокая токсичность,

что требует более тщательной герметизации элементов установки,

сбора продуктов реакции на выходе установки, контроля производст-

венной атмосферы. Предельно допустимые концентрации в помеще-

ниях следующие (мг/м

): диборана - 0,5, фосфина - 0,1, арсина

(

)

AsH 0,3 и стибина

(

)

SbH 0,05.

Рис. 8.12. Схема однозонной диффузионной печи

1 - источник жидкого диффузанта; 2 - кран; 3 - ротаметр;

4 - кварцевая труба; 5 - газосмеситель; 6 - нагреватель;

7 - кварцевая кассета с пластинами

157

На рис.8.12 представлена схема однозонной диффузионной печи с

источником жидкого диффузанта. Зона диффузии располагается в

кварцевой трубе, снабженной резистивным нагревателем. Длина трубы

должна быть такой, чтобы можно было создать рабочую зону (зону

загрузки) длиной 40-60 см и поддерживать в ней температуру до

1250

С с точностью ±0,25-0,5

С, а также чтобы имелись нерабочие

зоны по обе стороны от зоны загрузки с достаточно малым градиентом

температуры. Диаметр трубы должен примерно вдвое превышать диа-

метр обрабатываемых пластин. Кварцевые трубы сохраняют прочность

до 1250

С. При более высоких температурах предпочтительнее ис-

пользовать трубы из корунда

(

)

OAl .

Операционный цикл двухстадийной диффузии включает в себя

следующие переходы:

1) "промывка" реактора аргоном с расходом до 150 дм

/час;

2) вывод реактора на заданный температурный режим;

3) загрузка кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин с

подачей аргона для удаления десорбирующихся газов;

4) подача аргона с парогазовой смесью (диффузант, кислород);

5) выдержка при постоянной температуре в течение контролируемо-

го времени (собственно этап загонки);

6) прекращение подачи смеси;

7) вывод реактора на заданный температурный режим разгонки;

8) подача аргона с кислородом;

9) выдержка при постоянной температуре в течение контролируемо-

го времени разгонки;

10) прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с подложками.

Весьма важную роль в диффузионном процессе играет окисляю-

щая среда. Добавление небольшого количества кислорода в парогазо-

вую смесь на этапе загонки (п.4) приводит к образованию тонкой

пленки

SiO на поверхности пластины, что предохраняет поверхность

кремния от эрозии. Проведение этапа разгонки в окисляющей среде

(п.8) предотвращает, как уже указывалось, выход примеси, введенной

на этапе загонки (создание конечного источника), за счет образования

толстой пленки

SiO .

8.5. Контроль параметров диффузионных слоев

Так как диффузия является одним из основных технологических

процессов при изготовлении полупроводниковых ИМС, то после каж-

дой операции диффузии производится контроль пластин. Контроли-

158

руемыми параметрами являются глубина залегания

перехода

x и поверхностное сопротивление

(поверхностная концентрация

N ). Поскольку значение этих параметров не зависит от площади

диффузии, измерять их можно на пластине - "свидетеле", которую од-

новременно с рабочими пластинами вводят в зону диффузии.

Величину

x определяют методом сферического шлифа (рис.

8.13).

Рис. 8.13. Измерение сферического шлифа.

На поверхности пластины вышлифовывается лунка с помощью

вращающегося шарика диаметром

на глубину больше глубины за-

легания

перехода. Для четкого выявления

перехода

применяют химическое окрашивание шлифа. При обработке шлифа в

растворе 20 ч

+ 100 ч

CuSO

области покрываются медью, а

при обработке в плавиковой кислоте

с добавлением 0,1 %

HNO

области темнеют. Измеряя с помощью инструментального микро-

скопа геометрические параметры шлифа

d и

d , рассчитывают глу-

бину залегания

перехода по следующему выражению

= .

Поверхностное сопротивление слоя

может быть измерено с

помощью мостовой схемы (рис.8.14) четырехзондовым методом.

159

Рис.8.14. Схема измерения удельного поверхностного

сопротивления полупроводниковых материалов

четырехзондовым методом.

Установив ноль гальванометра

, определяют величину напряжения

и протекающего в схеме тока

. Величина поверхностного сопро-

тивления

определяется по формуле

53,4=

. (8.36)

Эта формула справедлива при расстоянии между зондами

много

больше глубины залегания

перехода и при диаметре пластины

много больше

. Обычно величина

выбирается порядка 1 мм.

Между поверхностным сопротивлением слоя

и поверхностной

концентрацией

N существует жесткая связь. Зная

по методике,

приведенной в подразделе 8.2, можно определить

N , воспользовав-

шись кривыми на рис. 8.5, 8.6, 8.8 и 8.9.