А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника (1088520), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Следовательно, при легировании из парогазовой фазы реализуется модель постоянного источника (см, формулу (5.58) и рис. 5.10). 2. Легнрование нз поверхностных источников. В полупроводниковой технологии используют следующие типы поверхностных источников. Легирование из напыленного металлического слоя проводят при температуре, превышающей температуру плавления предварительно напыленного металла-примеси.
Расплав металла растворяет в себе атомы полупроводника, создавая жидкий раствор-расплав состава с . Наряду с этим. в приповерхностном слое полупроводника в результате вхождения в его решетку атомов металла (донора или акцептора) возникает твердый раствор состава с'. В соответствии с диаграммой плавкости системы металл †полупроводн, при данной температуре устанавливается вполне определенное значение коэффициента распределения примеси К(Т) = с'/с . Условие Т = сопз1 обеспечивает постоянную поверхностную концентрацию с, растворенного в полупроводнике металла-примеси, а именно: се=с.
'=К(Т)с" = соцзы Следовательно, при легировании из напыленного металлического слоя реализуется модель постоянного источника (см, формулу (5.58) и рис. 5.10). Легирование из зпитаксиального слоя происходит за счет управляемой или неконтролируемой диффузии примеси, присутствующей в эпитаксиальном слое, в смежный с ним кристалл. Как правило, толщина слоя превышает диффузионную длину примеси, Хд,ф = ~Ъг, так что в данном случае работает модель полуограниченного источника. В многослойных эпитаксиальных структурах обычно подложка содержит наибольшее количество примесей, которые могут нежелательным образом легировать эпитаксиальные слои. Закономерность легирования для гомоэпитаксиальных структур (в которых материал эпитаксиальных слоев и подложки один и тот же) подчиняется соотношению (5.63), показанному на рис.
5.11, в отличие от гетероэпитаксиальных структур, для которых применимы более 5.У. Приняипы диффузионного легирования полупроводников 269 сложные зависимости (5.66) и (5.67), качественно изображенные на рис. 5.12. Легирование из ловерхиостных окислов в кремниевой технологии выполняют, используя в качестве источников бора В (акцептор) и фосфора Р (донор), соответственно, боросиликатное стекло тВ90з п5109 (БСС) и фосфорно-силикатное стекло тР906 пВЮз (ФСС). Окислы В«Оз и Р«Оь взаимодействуют с кремнием по реакциям 2В90з+ 351- 35109+ 4В и 2Р«06+ 551 - 55109+ 4Р с образованием свободных атомов бора и фосфора, легирующих приповерхностный слой кремния.
Поскольку толщина слоев БСС и ФСС велика по сравнению с диффузионной длиной, Е,ф= = хгЪг, бора и фосфора в кремнии, то к этому случаю применима модель полуограниченного источника в гетероструктуре, описываемая зависимостями (5.66) и (5.67), качественно показанными на рис. 5.12. Легирование из рекристаллизованного и ионна-имллантированного слоев проводят следующим образом. Рекристаллизованный слой образуется на поверхности полупроводника в результате расплавления предварительно напыленного металла или сплава, содержащего легирующую примесь, с последующей рекристаллизацией раствора-расплава, Возникающий на поверхности полупроводника легированный слой достаточно тонкий (измеряемый единицами микрон), и в дальнейшем требуется разгонка примеси в глубь полупроводника.
Операция формирования рекристаллизованного слоя соответствует «вагонке примеси«н Цель вагонки может быть также достигнута применением ионной имплантации, заключающейся во внедрении в кристаллическую решетку полупроводника высокоэнергетических ионов примеси, бомбардирующих его поверхность. Толщина ионноимплантированных слоев определяется средней длиной пробега ионов в твердом теле. Ее величина измеряется десятками и сотнями ангстрем в зависимости от энергии ионов, что на 1 — 2 порядка меньше толщины рекристаллизованных слоев.
Операция вагонки примеси является первым этапом комбинированного процесса легирования. Заключительному этапу разгонки предшествует операция окисления кремния с целью создания на его поверхности окисла 5Юв, моделирующего отражающую границу, которая должна предотвращать диффузию атомов примеси из кристалла. Модель отражающей границы может быть реализована только для тех примесей, коэффициент 270 Гл. 5. Управление диффузионными и кинегпи пескими процессами диффузии которых в двуокиси кремния существенно меньше, чем в кремнии, Ориентировочные отношения этих коэффициентов для основных легируюших примесей в кремнии при 1100'С составляют Рзю,,7Рз, = 2,5 10 4 для бора и Рзю,/Рз, = 1,2 х х 10 2 для фосфора.
Однако не для всех примесей справедливы такие соотношения: например, галлий и алюминий диффундируют в оксиде кремния в 400 — 500 раз быстрее, чем в кремнии, что исключает их практическое использование в качестве легирующих примесей. Таким образом, после окисления поверхности кремния заключительная стадия разгонки примеси реализуется в рамках модели поверхностного источника с отразкающей границей, при этом рекристаллизованный слой соответствует источнику конечной толщины (см. формулу (5.70)). а ионноимплантированный слой — бесконечно тонкому источнику (см.
формулу (5.72) и рис. 5.13). Подведем итог вышеизложенным сведениям. 1. Модель диффузии из постоянного источника, описываемая уравнениями (5.33) и (5.56) — (5.58) (см. рис. 5.10), реализуется при легировании из парогазовой фазы и напыленного металлического слоя.
2. Модель диффузии из полуограниченного источника в гомогенной структуре, описываемая уравнениями (5.33) и (5,61)— (5.63) (см, рис, 5,11), реализуется для процессов взаимного легирования слоев в гомоэпитаксиальных структурах, 3. Модель диффузии из полуограниченного источника в гетерогенной структуре, описываемая уравнениями (5.33), (5,61), (5.62) и (5.64)-(5.67) (см, рис, 5.12), реализуется при легировании из гетероэпитаксиальных слоев и поверхностных окислов. 4.
Модель диффузии из поверхностного источника конечной толшины с отражающей границей, описываемая уравнениями (5.33) н (5.68) — (5.70), реализуется при легировании из рекристаллизованных слоев. 5, Модель диффузии из бесконечно тонкого поверхностного источника с отражающей границей, описываемая уравнениями (5.33), (5.69), (5.71) и (5.72) (см. рис. 5.13), реализуется при легировании из ионно-имплантированных слоев.
Кратко рассмотрим схемы создания диффузионных р — и- переходов на основе модели легирования из постоянного источника, часто реализуемой в полупроводниковой технологии. На рис. 5.14 показаны распределения донорной и акцепторной примесей для трех случаев: а — диффузия акцепторной примеси 5.9. Принципы диффузионного легироаанця полупровог)ников 27! Ло Лл)) ЛА Зуо, Мо,йл1 Л'о, Л'л й Мл, г гл г — злого Лог х О зто-Лглд х О Лго — Л'лй 1Лг чдг ) Лг Ло — Л'л1 О х п1 р и б 6 Лгот Лгл.
Р1 в кристалл с однородной концентрацией Хгзо исходных доноров, б — то же при одновременном испарении исходных доноров из кристалла, в — комбинированная диффузия акцепторной и донорной примесей в однородно легированный полупроводник и-типа. Для сравнения на рис. 5.14 а пунктирными кривыми показан случай легирования из бесконечно тонкого источника с отражающей границей. Точки пересечения кривых на верхних графиках, обозначенные цифрами 1, дают положение р — и- перехода хр, показанное на нижних графиках, изображающих ход разности концентраций )Лгп(ш) — Хл(х). Для вычисления глубины залегания р — и-перехода воспользуемся формулами предыдущего параграфа, Случай 1. Лееирование полупроводника с однородной кониентраг)ией доноров Хпо акчепторной примесью из постоянного источника (сплошные кривые на рис, 5.14 а).
В этом случае применение формулы (5.58) при са = Хла позволяет записать Рис. 5.!4. Картины распределения донорной и акцепторной примесей для трех случаев легирования полупроводника и-типа с однородным распределением Лгро исходных донорных центров. а — легирование акцепторами из постоянного источника (сплошные кривые) и из бесконечно тонкого поверхностного источника с отражающей границей (пунктирные кривые), б — легирование акцепторами из постоянного источника с одновременным испарением исходных доноров, в — комбинированное яегирование акцепторами и донорами из постоянного источника 272 Гл. 5.
Управление диффузионными и кинетическими процессами условие образования р — и;перехода в виде з'?Агхр и, сА) = з1Ав ег1с Д00 2л?Р~7~ где Рл и 1А — коэффициент диффузии и время введения акцепторной примеси. Тогда глубина залегания р — п-перехода равняется .'гр и: 2зо? л, при этом ег)зо — — 1 —, (5.?3) ззне зхЛ где ?А = лсРА1А — длина диффузии акцепторной примеси, а величина зо находится как корень второго уравнения 15.73).
Случай 2. Легирование полупроводника с однородной концентрацией доноров зчгзо акцепторной примесью из бесконечно тонкого поверхностного источника с отражающей границей гпунктирные кривые на рис. 5.14а). В этом случае применение формулы 15.72) позволяет записать условие образования р — и- перехода в виде 2 СС'А Г хи — и звА1хр — и 1А) = Рхр ) = Хгзо л/хРА1А 4Рлбл ~ где ЯА — количество акцепторов на единицу площади, введенных в полупроводник на этапе загонки примеси, Отсюда получаем уравнение для нахождения глубины залегания р — и;перехода: х„и = 4Рлгл1п е Мэо хсскРА сл Из выражения 15.74) следует, что с ростом времени 1А величина х „сначала возрастает, а затем начинает убывать, когда максимум функции Гаусса снижается до значений, близких к величине Хгзо.
Нетрудно найти максимальное удаление р †пперехода от поверхности полупроводника: хийвх 2Р вазах — Я 7,1ивх три АА=Л при этом 1 (ЯА 1~ О 1!7 ЯА 2,?2 хРА ~,Хгзо! Рл Хгзо Случай 3. Легирование полупроводника акцепторной примесью из постоянного источника с одновременным испарением исходной донорной примеси грис. 5.14б). В этом случае применение формул 15.47) и 15.58) при со = ?кггзо и св = = Хл, позволяет записать условие образования р — и-перехода 5.9. Принципы диффузионного легировонин полупроводников 273 в следующем виде Л7А(хр — п »А) = Л7А» сг(с 2,7РА1А = Лггзо егг — = Лргз(хр-п, ~А).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
