Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 80

Эти характеристики для основных примесей в 31 приведены на рис. 11,43 и 11 46 и в таблд 11.3. Неприемлемо использование примеси, коэффициент диффузии которой в защитной маске сравним или больше коэффициента диффузии ее в полупроводнике. В связи в этим при использовании окисной маски на 31 не применяются Па, 1п, А1 Это ограничение снимается при использовании нитридной маски. Из-за малой растворимости в О! практически не используется В!.

Для диффузионных слоев, формирующихся на начальных этапах производства микросхем, во избежание перераспределения продиффундировавшей примеси на последующих высокотемпературных операциях, желательно применение примеси с малым коэффициентом диффузии. Именно З54 10 /04 00 0,7 00 т /ааа //00 1700аоа /400 104 Т,'С т,'в б! а/ рис. 11.45. Зависимость коэффициеитов диффуиии примесей от температуры в моно- кристаллическом кремами: р — О /(Ч/г/; а О /(г! рр к рор ь; — О=/(г! ь кч р Х 577 /ргг 10г! /0/а /рм 10!в 10/7 10/в й/,см в Рис. !! .4б.

Зависимость предел ьиой растворимости примесей в кремиии ог температуры поэтому для формирования скрытых слоев в О1 используются Аз и ВЬ, а из этих двух примесей предпочтение отдают Аз, имеющему большую растворимость в Б! и обеспечивающему большую электропроводность скрытого слоя. При формировании скрытого и эмиттерного диффузионных слоев, областей истока и стока требуется достижение максимальной концентрации, в то время как в базовом 12* З55 слое или в области кармана комплементарного МЛП-транзистора концентрация примеси должна быть существенно ниже предела ее растворимости. В первом из этих двух случаев проводится односта дийная диффузия, во втором — двухстадийная.

Одностадийная диф. фузия так же, как и первая стадия двухстадийной диффузии осуществляется из неограниченного (неистощимого, бесконечного) источника примеси, наносимого на полупроводник заранее или в процессе диффузии (см. рис.

11.18) и обеспечивающего постоян. ную высокую концентрацию примеси на границе раздела источник— полупроводник. Профиль распределения примеси по глубине диффузионного слоя в этом случае иллюстрируется графиком рис. 11.47 и описывается выражением Х х М(х, 1)=М,( ! — ег!' =М,ег(с 21) 01 2 х((эг (11.2) где У(х,() — концентрация примеси на глубине х в момент времени 1; й/, — поверхностная концентрация; ег1 (от еггог (цпс()оп) — функция ошибок; а ег1с (еггог !цпс(!оп согпр!егпеп(агу) — 'дополнительная /1х) 1,а функция ошибок, значения которых в зависимости от аргумента ) П!1! / хз М(х, 1)= — '2! -Π— ехр~ — -4)з — 1 22 2 2/ (! 1.4) где индексы 1 и 2 относятся к параметрам первой и второй стадии соответственно, а величина Я определяется из формулы — приводятся на рис. 11.48.

2чгп! ° В двухстадийном процессе диффузии первую стадию проводят из неограниченного источника с целью введения в поверхностный слой полупроводника определенного количества примеси. На второй стадии производится перераспределение примеси, загнанной в полупроводник на первой стадии. Профиль распреде- ления примеси при диффузии из ограниченного источника опи- сывается графиком рис. 11.47,б и выражением М(х, 1) . ехр2Х вЂ” — ), / х (11.3) 4(зг где Я вЂ” количество атомов примеси под единицей площади поверх- ности после первой стадии диффузии. Профиль распределения примеси после двухстадийного процесса диффузии подчиняется выражению х 2М' !) ~ М(х, г~й=~ М,ег(с — Их = — '-(('/2,1, (! ! 5) о о г 2~3>1, 1 ! ! Скрытый слой с мышьяком в качестве легирующей примеси формируется одностадийно при 1160 'С в течение 2,5 ч.

Разделительная и базовая диффузии проводятся в две стадии. На первой при 850 ... 950 'С в течение 15 ... 30 мин в диффузионной трубе проводится вагонка бора из парогазовой смеси, содержащей ВВг,, кислород и инертный газ (см. рис. 11.18). Вторая стадия разделительной диффузии проводится после снятия боросиликатного стекла в окислительной атмосфере (кислород и инертный газ) при температурах 1150...1220 'С в течение нескольких часов на глубину 3...10 мкм, в зависимости от толщины эпитаксиального слоя.

Вторая стадия базовой диффузии проводится аналогично второй стадии разделительной диффузии, но при более низких температурах 1100 ... 1200 'С в течение 0,5...2,0 ч на глубину 2,0 ... 3,0 мкм, Змиттерная диффузия с использованием парогазовой смеси, содержащей РС(з, 02 и инертный газ, осуществляется в одну стадию при температурах 900 ...

1100 'С в течение 1О ... 60 мин на глубину 0,8 2,0 мкм. Если диффузия из бесконечного источника идет в среду, равномерно легированную той же самой примесью с концентрацией й/о, то профиль распределения определяется формулой збг /П П /П гП П,П х а) гух/ 1,П (х) П,П Пб а 1,П г,а г б) Рнс. ! !.48. Фувкпнн ег(с 2 (1). еп(с (2') (2) а полулогарнфмнчес (а) н линейном (б) масштабах б) к Рнс. ! !.47.

Профили распределения примесей прн диффузии нз неограннченнога (а) н ограннченного (б) нсточ- ников Збб (пг),ч,=~я' ,вгг,. (11.7) !=1 3тим выражением можно воспользоваться для приближенных оценок эффек~ивной диффузионной длины одной и той же примеси ° при многократной диффузии, если температуры каждого этапа различаются не очень сильно. Практически при формировании транзисторных структур каждая термическая операция, следующая за процессом диффузии какой-либо примеси, приводит к изменению профиля ее распределения, и эти изменения можно оценить с помощью формулы (11.7).

Глубина залегания диффузионных р-а переходов. Если идет ' диффузия примеси р-типа в материал и-типа с исходной концентрацией Мо (или наоборот), то р-и переходу соответствует равенство М(х,!) = Ма. При диффузии из бесконечного источника х. М,еггс — ! =М (!1.8) 2т/Ж где х, — глубина залегания р-и перехода.

Втэтом случае глубину залегания р-и перехода очень легко определить по рис. 11.49, основанному на соотношении Мо — = ег!с 2~(й хю лнч ггго Цифры вблизи прямых линий — отношения Л'о/Л',. Если проводится вторая диффузия примеси противоположного первой типа проводимости, то услови расположения второго перехода со ответствует равенству х. х., М ег1с — ' — + М = М ег!с тх г О х! (11.9 Рис. ! ! Л9.

Заенеииость положения ри яерехо ди ст иелнчииы ч/Ш для различных знзченн юги отношения Мч/М* 40 338 М(х, 0= М,+(М,— М,) еггс (11.6) 2чгй Квадратный корень произведения ххг, входящий в приведенные ':, выше формулы, имею!гний размерность длины, называют «диффузион- ' ной длиной>. Если диффузионный процесс проводится при одной и той же температуре многократно, то где М„и Л'т!, 1)з и О!т — поверхностные концентрации примесей и коэффициенты диффузии второй примеси и первой примеси при температуре второй диффузии соответственно. Для случая диффузии в равномерно легированную среду из ограниченного источника условие формирования р-п перехода выражается равенством х. ° ( — —,') =М,. (11.10) Если обозначить Я/-~ пЗ~ через М*о, то можно записать, что р-и переход будет залегать на глубине хг=2ч/Ж з/!пМ о/М„ (!!.! 1) отиуда можно сформулировать два практически важных следствия: если при диффузии из ограниченного источника за время 6! р-л переход формируется на глубине х,!, то при идентичных условиях (та же температура, тот же источник) для формирования перехода на глубине хгз требуется время (з, равное !д=(хгз/хг!)з!г, Боковая диффузия под окисел.

При локальной диффузии примесь мигрирует как перпендикулярно поверхности пластины, так и под край маскирующего окисла, так как процесс диффузии примеси в кремнии изотропен. Для оценочных расчетов можно считать, что хл (1,0 ... 0,8) хг Параметры двухстадийной диффузии. Исходными данными для расчета времени базовой или разделительной диффузии являются: поверхностная концентрация примеси М(01) (см, ф-лы (!!.4, 11.5)(, которую необходимо получить после диффузии, температуры диффузии на первой и второй стадиях (вагонка и разгонка), заданная глубина залегания р-и перехода х; и концентрация примеси Мо в кремнии (при базовой диффузии — это концентрация примеси в эпитаксиальном слое). Зная эти величины и используя данные рис.

1!.45, определяют время второй стадии диффузии по формуле 1г=х~1/~4Рг!п (Лг(0 1) / Мо)1. Из выражения (11.4) при х=О получают М(0, !'дгт/ бз)з=2М-~ Ж, (11.14) (!! .15) 339 поскольку в большинстве практических случаев М,о превосходит Мо в 10...100 раз, то с точностью около 10 % положение р-и перехода можно оценить по приближенной формуле х!= 5,4 Л( В1, (11.13) откуда находят время первой стадии диффузии, используя для определения Рь Рз и Д7, графики рис. 11.45 и 11.46 при соответ ствующих значениях температуры первой стадии (прн нахождении значении Р1 и й( + н второй стадии (при определении Рз).