Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988), страница 5

В тех случаях, когда используется РОС!„ у поверхности кремниевых пластьн протекают следующие реакции: 31+ О, — 810з (кварцевое стекло), (1 3) 4РОС1а + 30, — 2Р,О, (фосфорное стекло) + 6С1,. (1.16) В результате на поверхности кремния образуется стекловидный слой, представляющий собой смесь фосфорного стекла и кварцевого стекла и называющийся фосфорносиликатным спзекяоле (ФСС).

При температурах диффузии это стекло представляет сооой вязкую жидкость. Подвижность атомов фосфора и содержание фосфора в таком стекловидном слое достаточны для того, чтобы в течение всего процесса диффузии поддерживать концентрацию фос- Гза«ч ! фора у поверхности кремния на уровне, соответствующем пределу растворимости в твердой фазе. Аналогичные процессы протекают н при диффузии других легирующнх примесей, например мышьяка.

В последнем случае на поверхности кремния образуется арсеносиликатное стекло. Диффузия при постоянной поверхностной концентрации приводит к тому, что атомы легирующей примеси «загоняютсяя в поверхностный слой кремниевых пластин на глубину, которая обычно составляет от 0,3 до 3,0 мкм. Такой тип диффузии часто называют вагонкой.

!,ЗА. Вторая стадия диффузии. За вагонкой часто следует вторая стадия диффузии, которая проводится после удаления внешнего источника легирующей примеси, т. е. стекловидного слоя. Таким образом, на этой стадии диффузии никакие дополнительные атомы примеси не поступают в кремний, а те атомы, которые уже в нем находятся, продвигаются дальше, так что профиль нх распределения изменяется. Глубина перехода увеличивается, в то время как поверхностная концентрация примеси уменьшается. Такой тип диффузии называется разгонкой нли перераспределением, пли диффузией из ограниченного источника. Чтобы найти профиль распределения примеси, получаемый в результате разгонки, следует решить второе уравнение Фика при граничном условии, что суммарная плотность атомов диффузанта (т е.

число атомов диффузанта на единицу площади) остается постоянной. Это условие можно представить математически как Я = ~ У (х, !) дх = сопз1, где !г — поверхностная плотность атомов днффузанта. Его можно записать и по-другому. Поскольку в данном случае нет никакого результирующего потока атомов диффузанта, проходящего через границу поверхности кремниевой пластины (х = 0) в кристалл илп из кристалла, то, как следует из первого закона Фика, О (дЖ/дх) ! « в = О.

Решив второе уравнение Фика при таком граничном условии, получим результирующее распределение примеси в виде у (х, () = я ~пИ)-'" ехр ( — хг(40(). (1.11) Это гауссово распределение, которое в нормированном виде показано на рис. !.!О. Отметим, что поверхностная концентрация диффузапта определяется выражением У (О, () = !г((пИ) н' и, следовательно, не является постоянной, а уменьшается в процессе диффузии. Следует также обратить внимание на то, что наклон кривой распределения концентрации примеси дЛ7дх у поверхности (х = 0) равен нулю, так что гауссово распределение действительно удовлетворяет граничному условию для стадии разгон к и.

Технология ыггопимления инямгрольнмх схем Г!рнведенное выше выражение для гауссова распределения концентрации получено в предположении, что при г *= 0 плотность диффузанта у самой поверхности кремния (х 0) равна Я. Если, однако, глубина перехода, полученная при загон«е (хг,), и)о1 л О ЙуРияа ас;ютила к - о (ле)геяхяесть иряления) л гуайлалееяа лг- ягалга Рис. 1.!б.

Профиль распределении примеси и диффуэиоииом слое после раа. сопки. У (х, О = 9 (пРО Иг екр ( — хг)4РЕ). значительно меньше глубины перехода после разгонки (хга), г так что хгг )) хгп конечное распределение концентрации будет с высокой степенью точности описываться гауссовой кривой. Профили распределения для такой двухстадийной диффузии показаны на рис.

!.15. Плотность диффузанта, получаемая при вагонке, определяется выражением я = 2Л'е (Ряп)иг, где (), и (, — соответственно козффициент диффузии и время диффузии для стадии загонки. Если за кратковременной загонкой следует разгонка, то результирующее распределение примеси приближенно описывается функ- Гаааа 1 г цией Гаусса, т. е.

У (х, Гг) = Ф(пОг!г)ы' ехр ( — х'/4Ог!г), где О, и 1г — соответственно коэффициент диффузии и время диффу. зии для стадии разгонки, Поверхностная концентрация в конце разгонки определяется выражением гУ (О, !г) = 0 (пОг(г) '" =- (2'и) (Огтг'Огт )ыг Уе (1 12) Таким образом, если температура и время диффузии на стадии разгонки значительно больнице, чем при вагонке, так что Ог(г Э) - гоя -э ° ю" Фъ 1 Ь 1й: том- ю" ! / — Ф ге. "цв хь нм Зон м ! даман ! ь)е Рас.

1.16. Профиль распределення примесей в ара-траяэвсторе, полученный с помощью двойной дн4фуэан. )~ ОА, то поверхностная концентрация по окончании двухстадииной диффузии может быть сушественно ниже предельной концентрации Ж„ соответствующей пределу растворимости в твердой фазе. На рнс. 1.!5 представлены профили распределения для нескольких значений времени разгонки. Как видно, суммарная плотность диффузанта на единицу площади 1~ не изменяется, происходит лишь перераспределение примеси, так что глубина перехода увеличивается, а поверхностная концентрация )меньшается. Такая двухстаднйная диффузия, состоящая из загонки и разгонки, часто используется для получения базовой области транзисторов.

з! Г кнакогня мягно оокгноя нноггграягнык схем На рис. !.15 показан (без соблюдения масштаба) топ чный профиль распределения примеси в про-гранзисзоре, пзггпосленном методом двойной диффузии. Сначала в подложку из кремния и-типа проводится вагонка бора. Затем образовавшееся прп такой диффузии боро.силикатное стекло удаляется с поверхности кремния и производится разгонка, при которой поверхностная концектрация бора уменьшается, а глубина перехода увеличивается.

В результате получается область базы транзистора с проводимостью р-типа. Следующая операция — вагонка фосфора при высокой поверхностной концентрации, в процессе которой часть диффузионного слоя р-типа снова приобретает проводимость п-типа. Таким образом получается сильно легированная и+-область, которая должна служить эмиттером транзистора. После завершения всех процессов диффузии получается транзисторная структура с глубиной перехода коллектор — база х~!сгы ж 3 мкм и глубиной перехода эмиттер — база хг !ев, ж ж 2 — 2,5 мкм.

Ширина базы транзистора определяется как Ррв = ха<св~ — хг!ев, и обычно лежит в пределах от 0,3 до 1,0 мкм, хотя у некоторых транзисторов, отличающихся очень высоким коэффициентом усиления, ширина базы всего 0,1 — 0,2 мкм. Поверхностная концентрация примеси в эмиттере обычно составляет по порядку величины 10'" см ', а поверхностная концентрация базовой примеси после разгонки снижается до 3 Х х 10" см '. Концентрация примеси в переходе зчиттер— база обычно лежит около 3 10'" см ', а концентрация примеси в коллекторе находится в пределах от 10м до 1О" см ', что соответствуетнудельному сопротивлению от 5 до примерно 0,5 Ом см.

Метод двойной диффузии, предусматривающий проведение сначала базовой, а затем эмиттерной диффузий, используется для изгоговлення почти всех кремниевых транзисторов, а также для создания практически всех транзисторов, входящих в состав биполярных ИС, !Хб, Пггеерхнсстное сспротпвленпе. Для оценки и характеристики диффузионных слоев используются два основных параметра: глубина перехода хг н поверхностное сопротивление Рв. Сопротивление слоя материала, показанного на рис. !.17, а, определяется нзвестньги выражением )7 = рУ.!А = р!./!)гг, где р — среднее удельное сопротивление слоя, а Е, ! и ))г' — соответственно длина, толщина п ширина слоя.

Вели Е = !)а, т. е, образец представляет собой квадрат, тп выражение для сопротивления принимает вид раааа 7 Как видно из этого выражения, сопротивление квадрата не за висит от линейных размеров 7. и их. Такую величину налываялт аопе7тхногтная гопрогпигогениел н часто выражают в Омрквадрат ряс. 1,17, Поверхиостиое сопро!ивлеиие: а — геочетрпя образца; 6 — четырех- зоилоаая головка аля изчереиия поверхисстиого сопротавлеиия.

или Ом Д. Таким образом, сопротивление слоя материала может быть выражено через поверхностное сопротивление как 11. Н) Для измерения поверхностного сопротивления тонких слоев, в том числе диффузионных слоев, удобно использовать четырехзоидовое устройство, показанное на рис.

1.17, б. Если толщина слоя 1 мала по сравнению с расстоянием между зондами, т. е 1 ~( з„и край образна находится на достаточно большом расстоя- Технология ггзготоеленая инглегральныл схем 33 нии от зондов, то поверхностное сопротивление определяется с помощью приближенного выражения )тз = 4Д324 ()г)/). Ток ! пропускается через два внешних зонда, а падение напряжения )г измеряется между двумя внутренними зондами с помощью вольтметра с высоким внутренним сопротивлением. Благодаря точу что для пропускания тока и измерения падения напряжения используются различные пары зондон, контактное сопротивление зондов не влияет на результат измерения.

Такая четырехзондовая головка может применяться для измерения поверхностного сопротивления различных типов диффузионных слоев, а также для определения удельного сопротивления кремниевых пластин. Значения поверхностного сопротивления диффузионных слоев обычно лежат в пределах от ! до примерно !000 Ом,гквадрат.

ш' 1о'в оь ф го" 1 !о' Рнс. 1,18. Средняя проволимость лийфузионных слоев в кремнии: а — зависимость между средней проьолнмостьш и поверхностной концентрацией лля слоев р-типа с гауссовым распределением примеси; б — зависимость средней проводимости от поверхностной концею рации Лля слоев и-типа с распределением примеси, описываемыы функцией лополнения к интегралу ошибок; г — зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации примеси.

!а и б— с разрешения л' С.!гшп, Неыз1ьепу о1 ЬШ!г Мпсоп апб о1 б!11нзеб 1ауегз, Ве!1 вуз1ьт Тесьп!са1 донгпа1, 41, рр. 387 — 4!О, !962, !ср 1962, АТ апб Т, и 3. К. Йаапгп, ТЬеогу апб Ргас11се о1 М1стое!ес!гогисз, %Псу, 1968; г — с разрсШення .1. С.!го!п, Нези!!т!11 О1 Ьннл зп1соп апб о1 81!!плед !ауегз !п зп1соп, Веп 8!Мега Тес!писа! зоигпа!, 41, рр. 387 — 410, 1962, 1с! 1962, АТ апб Т.! 2 соклоф с, Гаааа 7 104 1О' 30' В=(х~яс) ~(()м см) с б 1о' 1о' 1о" 100 1оо юа 10" Иеи)(енса)(ия примеси, см е Рос 1!8, б, а.