Формирование легированных слоев в технологии иэот

5 Формирование легированных слоев в технологии иэот.

Диффузионное легирование полупроводников. Механизмы диффузии. Распределение примесей при диффузии и неограниченного и ограниченного источников. Факторы, влияющие на процессе диффузии. Классификация методов диффузии. Многостадийная диффузия. Локальная диффузия. Виды диффузантов. Контроль параметров диффузионных слоев, и процесса диффузии. Физико-химические основы ионного легирования (ИЛ)Преимущества ИЛ перед диффузией. Аппаратное оформление процесса ИЛ и принципы построения технологических систем для имплантации. Послеимплантационный обжиг в инертной и окислительной среде.

6.1. Распределение примесей при диффузии и неограниченного и ограниченного источников.

При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников. Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине р-и-перехода (Рисунок 6.1.1).

При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация  примеси   со  временем уменьшается  (Рисунок  6.1.2).

Показанное на рисунке  распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.

Рисунок 6.1.1. Распределение примеси N(x) при диффузии из бесконеч­ного (постоянного) источника по толщине пластины х:

 N_o - поверхностная концентрация

Рекомендуемые материалы

Рисунок 6.1.2. Распределение примеси N(xj при диффузии из ограни­ченного   источника   по   толщине пластины х:

N₀₁, N₀₂,  N₀₃ - поверхностные концентрации в момент времени t₁, t₂, t₃ соответственно; N_o -исходная поверхностная концен­трация

6.2   Локальная диффузия

Рисунок    6.2.1.    Схема   локальной   диф­фузии:

1 - маскирующий оксид; 2 — диффузионная область; 3 — плас­тина; l₁ - размер окна в оксиде; l₂ — размер полученной диффузионной области; l - уширение диффузионной области за счет ис­кривления фронта диффузии; x_j — глубина p-n-перехода

При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (Рисунок 6.2.1), коте рое увеличивает размеры диффузионной области на Д/ и влияе на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерам] окон глубина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения l могут достигать 0,8 х_j

При создании активных и изолирующих областей ИМ< часто используют двухстадийную диффузию (Рисунок 6.2.2). Дл; этого вначале в поверхность полупроводникового материал 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводя определенное количество легирующей примеси из бесконечной источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацш при небольшой глубине диффузионной области ("загонка' примеси) (Рисунок 6.2.2, а, б).

Первую стадию проводят при сравнительно невысоки: температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекл; 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (Рисунок 6.2.2 ,б).

Вторую стадию — диффузионный отжиг, называемую "раз гонкой" (Рисунок 6.2.2, в), проводят предварительно удалив примесно-силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050 -1230° С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глуби на проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной x_j. Создается требуемая диффузионная об ласть 5. Температура и длительность второй стадии диффузии определяются заданными    параметрами  p-n-перехода.

Рисунок 6.2.2. Стадии "загонки" (а, б) и "разгонки" (в) примеси при

проведении двух стадийной диффузии:

1 - маскирующий оксид; 2 -пластина; 3 - объемный источник; 4  — примесно-силикатное стекло;   5  — диффузионная область

после  разгонки;   6  — маскирующая пленка для последующей литографии

Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку 6 для последующей фотолитографии.

6.3 Многостадийная диффузия

Необходимость про­ведения двухстадийной диффузии при легиро­вании бором связана с тем, что требуется по­лучать распределение со сравнительно невы­сокой поверхностной концентрацией, а с по­мощью одностадийной диффузии это не всегда удается. Для остальных примесей двухстадий-ная диффузия обеспе­чивает заданные пара­метры р-п- переходов и возможность получе­ния маскирующего ок­сида. Двухстадийную диффузию проводят различными способами

Рисунок 6.3.1. Схема процесса диффузии в откры­той трубе из газообразного или жидкого (а),  твердого   (б)   и поверхностного   (в)

источников:

1 — газовая система;  2 - источник приме­си; 3 — кварцевая труба; 4 - кремниевые пластины; 5 — нагреватель;  6 — выходное отверстие

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в откры­той трубе (Рисунок 6.3.1) . Он является основным для первой стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт.) загружают в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сооб­щающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой 1 подачи газа-носителя.

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровожда­ется реакциями

                                                     на поверхности Si      2Р₂О₅ + 5Si -> 5SiO₂ + 4Р

Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элемен­тов, например:

4РОС1₃ + ЗО₂ => ЗР₂О₅ + 6С1₂

Диффузия из газообразных и жидких источников проводит­ся в однозонной диффузионной печи с резистивными нагрева­телями 5 (Рисунок 6.3.1,а, в).

Способы проведения двухстадийной диффузии примесей в поверхность полупроводниковых пластин

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (Рисунок6.3.1, б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с пластинами 4. Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носи­тель захватывает атомы примеси и переносит их в зону располо­жения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффун­дируют в глубь кремниевых пластин.

В качестве поверхностного источника используют легиро­ванные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллическо­го кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде.

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управ­лять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к плас­тине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположе­ния относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса и др.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10~² — 10~³ Па или заполняют инертным газом и запаивают (Рисунок 6.3.2). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200° С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1 диффузионной печи с нагревателем 3.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно провопить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирова­ния до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная ток­сичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.

После проведения процесса ампулу разрушают (вскры­вают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ при­меняют преимущественно при диффузии мышьяка.

Диффузия в по л у герметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диф­фузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем

Рисунок   6.3.2.  Схема  процесса диффу­зии в замкнутом объеме:

1  - кварцевая труба;   2 - ампу­ла;   3 - нагреватель;   4 — крем­ниевые пластины;   5   - источник примеси

Рисунок   6.3.3.  Схема процесса диффу­зии бокс-методом:

1 - кварцевая труба; 2 - ампула; 3   — нагреватель;   4  — кремние­вые    пластины;    5    -   источник примеси;    6   —  выходное   отвер­стие;      7     —     пришлифованная крышка

лучае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в квар­цевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (Рисунок 6.3.3). Ампулу помещают у выходного от­верстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крыш­кой и проводят диффузионный процесс.

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную кон­центрацию примеси. Преимуществом перед ампульным спосо­бом является возможность многократного применения квар­цевой ампулы.

6.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Преимущества ионной имплантации позволили этому методу выйти за рамки исследовательских лабораторий и шагнуть, в промышленность. Ионная имплантация позволяет не только существенно повысить эффек­тивность, снизить себестоимость и процент брака при производстве некоторых существующих типов полупроводниковых приборов, но и соз­давать принципиально новые приборы. Например, при создании высокоомных резисторов обычной технологией возникали трудности из-за больших размеров этих резисторов. Если же использовать ионное ле­гирование, то можно довольно легко получить высокоомные слои с небольшими размерами. В последнее время ,применяя ионную технологию ,были получены, а затем качественно улучшены варакторы, IMPATT -диоды, МОП-транзисторы.

Наряду с легированием полупроводников, ионные лучи находят при­менение и для осуществления травления материалов. В основу положен факт приблизительного равенства объемов веществ различной природы, распыляемых частицами малых энергий. Следовательно, распыление плен­ки фоторезиста и материала в окнах этой пленки происходит примерно с одной скоростью. В данном процессе полностью отсутствует подтрав фигур травления и потому очень точно воспроизводится рисунок фото­резиста.

Новые возможности применения ионного луча, такие ,как ионолитография, селективное осаждение пленок из ионных пучков и др., откры­вает широкие перспективы ионнолучевой технологии для создания полу­проводниковых приборов и ИС.

Технологическое оборудование, использующее ионные лучи, разли­чается по своему конструктивному решению, мощности, степени авто­матизации, однако все это основано на одинаковом принципе дейст­вия - ионизация атомов, сепарация и ускорение ионов до необходимой энергии и внедрение их в образцы.

КОНСТРУКЦИЯ АВТОМАТА ИОННОЛУЧЕВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

Автомат ионнолучевого  легирования "Иолла-2" имеет следующие ос­новные технические данные:

энергия ионов - 10-75 кэВ;                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

максимальная температура мишени-    600°С;

предельное давление в рабочей камере - I-T0    мм рт.ст.;

рабочее давление в источнике ионов  - 10-10    мм рт.ст.;

угол отклонения ионного пучка   -  60°;                                                                                                                                                               

точность измерения введенной дозы     -    5%;

плотность тока пучка ионов     - до 10 мкА/мм; 

размер обрабатываемых пластин    - 15x15  тг                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Принципиальная схема автомата представ; на рисунке 1.

Схема полностью соответствует рассмотренному принципу построе­ния ионнолучевых установок. Смесь газа, содержащая легирующий элемент, вводится в источник ионов (ИИ) в ионизационную камеру, где молекулы газа ионизуются электронами, эмиттируемыми катодом. Магнитное поле постоянного магнита обеспечивает большую степень ионизации. Образовавшиеся положительно заряженные ионы вытягивают­ся из щели ионизатора напряжением I-5 кВ и предварительно ускорен­ные поступают в камеру масс-сепаратора, а оттуда в рабочую камеру. Щелевая диафрагма, которая располагается перед входом в камеру, пропускает отсепнрированный пучок ионов на образец. Контроль тока пучка осуществляется тонким зондом, помещенным на его пути, а весь ток можно определить с помощью заслонки, которая препятствует пучку попадать на образец. Зонд регистрирует порядка 1% полного тока.

Рисунок 6.4.1 Принципиальная схема ионнолучевого автомата “Иолла-2”.

Рабочая камера сконструирована таким образом, чтобы обеспечить автоматическую работу установки. Во-первых,предусмотрена загрузка и выгрузка образцов без разгерметизации объема рабочей камеры. Для этого служат шлюзовые устройства загрузки (ШЗ) и выгрузки (ШВ) и механизм захвата образцов для последующей его обработки. Для равно­мерной обработки по всей площади образца предусмотрено сканирова­ние, которое осуществляется механической разверткой обрабатываемого предмета с помощью механизма сканирования (Рисунок 6.4.2). Поскольку обра­батываемая под ложка находится под высоким потенциалом (до 80 кВ), весь механизм должен быть надежно изолирован от корпуса. Поэтому к фланцу I он крепится на высоковольтном керамическом держателе-вводе, а привод механизмов от двигателя 8 осуществляется через диэлектрические оси 10. На керамическом стакане закреплен механизм вилки 4, где размещается оправка с подложкой и подогреватель под­ложки 5. Механизм качания вилки включает храповое колесо 13,собач­ки 12,15, кулачок 14, продольную направляющую 6. Ведомый вал 7, приводящийся в движение двигателем 8 через вильоновское уплотне­ние 9 и ось 10, приводит в движение вилку, которая совершает коле­бательное движение вместе с валом и поступательное относительно направляющих, жестко связанных с валом, что обеспечивает равномер­ную  обработку подложки ионным лучом. Управление работой двигателя осуществляется с помощью контактной группы 3 и блока микропереклю­чателей II с кулачками 16.

После окончания легирования вилка поворачивается и выгружает оправку с образцом  кассету шлюза выгрузки и переходит к шлюзу загрузки для приемки нового образца. Загруженный образец поворачи­вается в положение для прогрева и легирования. Так повторяемся цикл, пока вся серия загруженных заготовок не будет пролегирована. Авто­мат останавливается и производится смена кассет в шлюзах.

Рисунок 6.4.2. Механизм сканирования:

Рекомендация для Вас - 51 Плюралистическая теория демократии.

I-фланец; 2-высоковольтный керамический держатель; 3-контактная группа; 4-вилочный держатель образцов; 5-раддационннй подогреватель образцов; 6- продольная направляющая; 7-ведомый вал; 8-двигатель; 9-вильсоновское уплотнение рабочей оси; 10-рабочая ось; II-блок микро­переключателей; 12-собачка; 13-храповое колесо; 14-кулачок; 15-собачка.

ВАКУУМНАЯ СХЕМА

Для нормальной работы источника ионов требуется создавать доста­точно высокий вакуум. Поскольку в лоточнике напускается газ, то это приводит к необходимости создавать отдельную мощную линию откачки ионного источника.

Вакуумная схема установки приведена на рисунке 3.Она состоит из линии предварительного разряжения и линии выcокого вакуума. Пред­варительное разряжение создается механическим насосом I (BH6-2) с производительностью 5 л/сек. Откачка на высокий вакуум осуществляет­ся диффузионным насосом H5C-MI (ДНИ и ДНП). Откачка рабочей камеры и источника ионов производится через электромагнитные краны ЭМ1 и ЭМ2 и форвакуумную ловушку ФЛ-I, которая необходима для предотвра­щения попадания паров масла их механического насоса в откачную си­стему. Электромагнитные краны ЭМЗ и ЭМ4 позволяют откачивать шлюзы загрузки (ШЗ) и выгрузки (ШВ) и систему напуска газов на форвакуум при включенных диффузионных насосах. С помощью: крана ЭМ-5 проводит­ся разгерметизация шлюзов. Напуск газа в источник ионов осуществля­ется с помощью натекателей HI и Н2.

Высокий вакуум создается диффузионными насосами со скоростью откачки 500 л/сек при давлении 0.001  мм pт.ст. Предельное давление 2-5*10(-7)  мм рт.ст. обеспечивается этими насосами благодаря использованию масла с высокой упругостью паров. Вакуум контролируется известными методами. Давление в форвакуумной части и в системе на­пуска измеряется термопарными манометрами ПМТ-4М, а высокий вакуум ионизационным манометром ПМИ-2.

Для предотвращения попадания паров масла в рабочий объем у на­сосов ДНП и ДНИ имеются водяные ловушки Л1 и Л2.