Коледов Л.А. - Технология ИС, страница 81

При расчете разделительной диффузии за глубину диффузии принимают толщину эпитаксиального слоя, для гарантии ее увеличи. вают на !0 ... 20 %. Значение поверхностной концентрации выбирается, исходя из оптимального пробивного напряжения изолирую. щего р-и перехода у поверхности кристалла. Результирующее примесное распределение в транзисторной ' структуре показано на рис. !1.50. Эффективные концентрации ' примесей того или иного типа проводимости на любом расстоянии,. от поверхности пластины вычисляются как алгебраическая сумма .' концентраций примесей и- и р-типа проводимостей: ) й(,„! =) Хй7,— Хй7,! .

(!!.16) Концентрации примесей в подложке и эпитаксиальном слое постоянны по глубине. В базовой области распределение описывается уравнением (11.5), в эмиттерной - уравнением (11 2). Однако при высоких уровнях легнрования коэффициент диффузии эмнттерной примеси зависит не только от температуры, но и от концентрации. Начиная с 19'= (4 .. 6) ° ! 09" атомов/ем~, коэффициент диффузии растет с увеличением ионцентрации.

Причины этого явления окон- цгм з !уз! тм а) 7!7!7 7а!9 а я рсьсл з 7(7'7 .Щ 7()г\ а г 9 Р Ю 7Р х,мкм Рис.ы !.50. Распределение концентрации примесей в структуре интегрального и"- транзистора (а! и распределение аффективных концентраций (б) збо чательно не установлены, но, вероятнее всего, это связано с появлением путей ускоренной диффузии при высоком уровне легирования (например, с появлением дислокаций). Кроме того, при высоком уровне легирования часть атомов примеси размещается в междуузлиях. Они не поставляют электронов в зону проводимости, электрически нейтральны. По этим двум причинам теоретически рассчитанный по (!!.2) профиль эмиттерной примеси при концентрации М)5.10"см ' не совпадает с действительным.

Практическое осуществление процессов диффузии. Чаше всего диффузия примесей проводится в проточном реакторе в потоке газа-носителя (см. рис. 11.18, 11.19), который доставляет к поверхности полупроводниковых пластин примесесодержащее вещество из внешнего источника. Для нанесения локальных, расположенных на поверхности полупроводника источников диффузии, применяют газообразные, жидкие и твердые внешние источники примеси. Газообразными источниками служат, в основном, гидриды примесей (РНз, В9Нь и др.). Они поставляются в баллонах малой емкости в виде сильно разбавленных инертным газом смесей, в диффузионную печь вводятся через вентиль и смеситель вместе с газом-носителем и окислителем (кислородом) Несмотря на очень высокую токсичность газообразных источников они перспективны в связи с их высокой технологичностью.

Условно к методу нанесения локального источника из газообразного внешнего источника можно отнести развиваемые в последнее время методы: плазмохимическнй н реактивного катодного распыления (см. $11.2). Жидкие внешние источники (находящнеся при нормальных условиях в жидком состоянии) диффузии применяют в настоящее время наиболее широко. Имея высокую упругость паров и находясь в дозаторе (см. рис. 11.18) при фиксированной температуре, они позволяют точно регулировать содержание примеси в газовой фазе, поступающей в диффузионную печь.

Локальный источник формируется в виде тонкой (около 0,1 мкм) пленки окисла примеси. Процесс переноса примесей через границу раздела стеклообразный окисный источник — полупроводник сложен и до конца не изучен. Он включает в себя следующие стадии: 1) взаимодействие полупроводникового материала с окислом примесесодержащего вещества; 2) окисление полупроводникового материала диффундирую!цим через пленку источника кислородом газовой фазы; 3) формирование стекла, состоящего нз окислов полупроводника н примеси; 4) образование (в связи с протеканием стадии!) на границе раздела атомов примеси, их растворение и диффузия вглубь полупроводника; 5) перемещение границы раздела источник — полупроводник вглубь полупроводникового материала (за счет протекания процессов! н 2); 6) образование в окнсной фазе вблизи границы раздела промежуточных окислов в связи с дефицитом кислорода в этой области; 7) увеличение толщины окисной фазы в связи с продолжающимися зб! Разпйая фида ВВгз 02 псам нный о ~„ВВ„.

° 5~0,,',и о « и, мг» , 5~0ил,, лип «гоо» е и Взуз' л «а ои о ол 5!0 'Ул~~~~~~~р~~~~~й: ~~~~у~ з 0'5~0 50х ~~ наина шшиноросм о милн нн лиф фуги онныи пипи Ионпнриоталли. негнио нренний и-51 Рис. 11.51, Схематическое представление диффузионного очага при локальной диф- фузии бора в кремний осаждением прнмесесодержащего окисла н окислением полупровод-, никового материала. Все этн стадии состоят нз ряда достаточно ' сложных этапов, протекают одновременно н комплексно определяют результат процесса диффузии.

Для случая локальной диффузии бора в 51 схема диффузионного очага изображена на рнс. 11.5!. ' Прн изготовлении микросхем процесс разделительной н базовой диффузии, как уже отмечалось, обычно проводят в две стадии. ' На первой стадии (вагонке) на поверхпостн кремния создается тонкий днффузнонный слой с ег(с-распределением примеси. Загонку осуществляют прн невысоких по сравнению с собственно днффузней температурах. После вагонки пластины вынимают нз печи н с нх поверхности удаляют слой БСС н 5102.

На второй стадия (разгонке) пластнны нагревают в диффузионной печи в окислительной атмосфере, не содержащей атомов днффузанта. Результатом является диффузионное перераспределение примеси. Вторая стадия соответствует диффузии нз источника ограниченной моп,ности. Двухстаднйная диффузия в технологическом плане имеет два основных преимущества по сравнению с одностаднйной: разделение процесса на две стадии делает его более управляемым, что повышает воспронзводнмг)сть н упрощает его контроль; облегчается маскирование, так как первая стадия кратковременная н относительно низкотемпературная, а на второй стадии нет паров днффузанта н маска не нужна.

Эмнттерная диффузия проводится в одну стадию. вещество, остающееся в исходном растворе. Раствор, содержащий вещества с легируюшими пленку добавками (тоже в виде гидролизующихся соединений), может быть нанесен на покрываемую пленкой поверхность кремниевой пластины методом центрифугирования (как фоторезист) или пульверизацией.

Этот астворный способ получения пленок ФСС и БСС, содержащих диффузант, р имеет целый ряд преимушеств высокая точность дозировни примеси в окисле и возможность плавной регулировки поверхностной концентрации примеси в иремнии за счет изменения се в источнике; высокая однородность толщины пленки от пластины к пластине в партии пластин; малая длительность процесса нанесения источнина, простота и недефицитность используемого оборудования. Преимушества данного способа заключаются еще и в том, что процесс нанесения источника диффузии проходит при низких температурах (нанесеиие пленки осуществляется при комнатной температуре, ее сушка при температурах порядка 60 'С), и в том, что изменение количества и содержания легируюших примесей в источнике может быть легко осуществлено изменением состава исходной растворной композиции с сохранением всех остальных операций нанесения источника неизменными Безусловно, рассматриваемому способу нанесения окисных источников диффуэанта присущи и определенные недостатки, К ним относятся: старенне, желатинизация р астворов; нестабильность свойств растворов во времени; высокие требования по чистоте к исходным компонентам композиции применение твердых планарных источников (тпи) диффузаита.

пластины кремния и ТПИ устанавливают в кварцевой кассете (рис 11 52) параллельно друг другу, вводят в реакционную зону диффузионной печи и выдерживают в ней заданное время. Газообразный окисел легирующего элемента, выделяющийся твердым источником, переносится на поверхность кремния и взаимодействует с нич, образуя слой стекла, из которого происходит диффузия примесей вглубь пластины. Параметры диффузионных слоев определяются температурой и временем лиффузии, а танже упругостью паров газообразного окисла легирующего элемента Поскольку последний образуется непосредственно в реакционной зоне в результате физико-химических процессов, происходящих в материале источника при нагревании, параметры диффузии практически не зависят от скорости газа-носителя. Таким образом, способ диффузии с использованием ТПИ имеет ряд существенных достоинств: высокая производительность зв счет большой плотности загрузки пластин кремния и возможности использования всей рабочей зоны диффузионной печи, хорошая воспроизводимость параметров диффузионных слоев благодаря сведению к минимуму числа влияющих на иих технологических факторов и простоте управления процессом; лг,'нт) 5 563 Применение источников примеси, осаждаемых из растворов.

Сущность получения из растворов окисных пленок, содержащих диффундирующую примесь, заклю~ается в том, что гидролизуюшееси пленкообразующее вещество (например, тетраэтоксисилан, 5~(ОСхНз),), растворенное в органических полярных жидкостях, под действием незначительных количеств влаги превращается в результате гндролиза в нерастворимое, формирующее пленку вещество (например, БЮх) и 362 Рис. !! 52. Установка твердых плаиарных источников и пластин кремния в кварцевой кассете à — в риони нвссета; и†твердые ноонарнио ос «анхо; 3 в плот ею; плнородность уровня легирования по поверхности, что особенно существенн в связи с тенденцией перехода на пластины большого диаметра; простота используемого технологнческогп оборудования; дешевизна Согласно расчетам применение ТПИ на основе ингрида бора снижает стоимость операции диффузии в 7 ... 8 раз.

Потребление твердых источников в производстве микросхем за последние годы возросло в 4...5 раз, увеличиваясь ежегодно примерно на 20. 25~. Твердые плаиарные источники для диффузии бора создают в диффузионной зоне нары ВзОз- Основным материалам для изготовления твердых источников бора является нитрнд бора В!ч. Благодаря физико-химическим и механическим свойствам этого материала твердые источники на его основе отличаются стабильностью н длительным сроком службы. Перед эксплуатацией их окисляют с целью образования поверхностного тонкого слоя ВгОл который при температурах диффузии находится в жидком состоянии.

Переход ВхОз в газовую фазу происходит в результате нс. парения. Другое направление в создании ТПИ бора — использование материалов, содержащих окись бора в связанном виде, которая выделяется при нагревании непосредственно в процессе диффузии. Твердые источники такого типа могут применяться без предварительного окисления. Твердые плаиарные источники фосфора при нагревании выделяют пятнокись фосфора РзОз в газовую фазу, молекулы которой переносятся на поверхность кремниевых пластин и образуют слой ФСС, из которого происходит диффузия фосфора в объем кремния. В качестве ТПИ фосфора используется нитрнд фосфора, фосфид кремния или материалы, содержащие РзОз в связанном виде, которая выделяется при термическом разложении (фосфоросиликатные стекла, метафосфат алюминия, пнрофосфат кремния нли другие соединения).