Диссертация (1091199), страница 17
Текст из файла (страница 17)
3.4 представлены результаты расчёта утечки между двумя соседними областями,разделенными щелью, в зависимости от режимов формирования противоинверсной области.Указанное напряжение – пороговое напряжение на поликремнии изоляции, при которомнаблюдается возрастание тока утечки [314]. Данный метод сравнения режимов формированияпротивоинверснойобластипоказал:увеличениеэнергииимплантацииприводиткнезначительному снижению порогового напряжения повышения утечки, тогда как увеличениедозы существенно повышает пороговое напряжение.81Рис. 3.4 Зависимость напряжения на области изоляции при плотности тока утечкиI = 10–10 А/мкм2 для различных режимов формирования противоинверсной областиСтоит отметить, что результаты, представленные на рис. 3.4 получены для пленки SiO2.В технологическом процессе, применяемом в АО "НИИМЭ" для заполнения щели используетсядвойная пленка: SiO2 (50 нм)/ Si3N4 (120 нм).
Для представленной комбинации материаловмоделирование показывает, что аналогичные значения напряжения достигаются прииспользовании меньших значений дозы имплантации противоинверсной области (например,Q = 9,375e13 см–2, E= 30 кэВ – U>50 В).Однако, использование противоинверсной области, приводит к снижению UПРОБперехода n–/p-подложка. Результаты исследования UПРОБ в зависимости от режимовимплантации бора (E = 30 кэВ) представлены на рис. 3.5. Зависимость представлена длятолщины эпитаксиальной пленки 2 мкм.
При этом для глубины d = 4,5 мкм расстояние междудном щели и краем области n– составляет ≈ 1,25 мкм. Таким образом, в случае использованияглубины травления = 8 мкм (глубина, применяемая в высоковольтных КБТП НПП "Пульсар"),UПРОБ n–/p-подложка составит не менее 100 В, что существенно больше напряжения n–/p+.Рис. 3.5 Зависимость пробивного напряжения перехода n–/p-подложкаот параметров области боковой изоляции823.1.2 Область коллектораВ данном разделе представлены результаты моделирования конструкций областиколлектора КБТ с учетом специфики исследуемого технологического процесса.
Для расчётасопротивлений отдельных конструктивных элементов БТ применялся метод моделированияэлектрического сопротивления между двумя контактами к конкретной области, полученной спомощью удаления остальных элементов конструкции транзистора.Низкое сопротивление скрытого слоя может быть обеспечено как диффузией из газовойфазы, так и ионной имплантацией. Моделирование показывает, что применение указанныхметодов позволяет добиться одинаковых значений поверхностного сопротивления скрытыхслоев, при незначительной разнице по глубине. Тем не менее, для создания скрытого слоя p+ вработе будет рассматриваться только метод ионной имплантации, что связано с возможностьюболее точного контроля глубины слоя p+ и, соответственно, значения напряженияпробоя/прокола области изоляции.3.1.2.1 Особенности системы слаболегированный слой/скрытый слойОсновной причиной обратной диффузии в традиционной планарно-эпитаксиальнойтехнологии является процесс эпитаксиального роста.
Было проведено моделированиеэпитаксиальногоростапленкикремнияn-типапроводимости(КЭФ)сразличнымсопротивлением над скрытыми слоями КБТ при минимальной скорости роста каждого израссмотренных в таблице 1.3 источников кремния для 3-х температур (рис. 3.6, а). Такаязависимость соответствует наихудшему случаю эпитаксиального роста с точки зрения обратнойдиффузии. Сопротивление для n+ составляло RS = 25 Ом/кв.; для p+ – RS = 175 Ом/кв.а)б)Рис. 3.6 Зависимость глубины обратной диффузии от: а) сопротивления эпитаксиальной пленкии температуры роста для КБТ при времени роста t = 12,5 мин.; б) времени роста пленкитолщиной 5 мкм для pnp-транзистора при температуре T = 1200 oCОчевидно, что использование эпитаксиальной пленки с меньшим сопротивлениемпозволяет снизить величину обратной диффузии, а значит повысить точность контроляизменения параметров КБТ. Стоит также отметить, что при температуре T = 1250 oC глубинаобратной диффузии как для n+, так и для p+ слоев более чем на 50 % превышает величину83обратной диффузии для температуры T = 1200 oC.
Для температуры T = 1200 oC также былопроведено моделирование эпитаксии над p+ слоем с различными временами и скоростьюэпитаксии (рис. 3.6, б). Увеличение температуры с T = 1150 oC до T = 1250 oC соответствуетувеличению времени эпитаксии с 5 до 30 мин. Полученные данные позволяют определитьвеличину обратной диффузии и, соответственно, точно управлять сопротивлением коллектора.Однако, в большинстве случаев, эпитаксия проводится отдельно от операций формированияосновных конструктивных элементов БТ и точные режимы её проведения неизвестны. Этовызывает значительные сложности в контроле обратной диффузии. Поэтому, с точки зренияобеспечения запасов к варьированию режимов, выгодно формировать профиль, максимальнонезависимый от величины обратной диффузии, каким является равномерный профиль.Дальнейшие результаты расчётов будут представлены для температуры эпитаксии T = 1200 oС.Представленные выше результаты по определению обратной диффузии для процессаэпитаксии соответствовали сопротивлению скрытого слоя p+ Rs = 175 Ом/кв.
Помимосопротивления коллектора и значения UПРОБ выбор Rs был обусловлен следующими факторами:- повышение поверхностного сопротивления приводит к росту как обратной диффузии,так и диффузии в область n–, что влияет на толщину слоя n–, ограниченную глубинойтравления боковой изоляции, величиной паразитной емкости и напряжением пробоя/прокола.- режим температурной обработки слоя p+ должен приводить к симметрии значенийемкости p+/n– c емкостью n+/p-подложка npn-транзистора.3.1.2.2 Формирование области коллектора при диэлектрической изоляцииСтоит отметить, что глубина обратной диффузии из скрытых слоев коллектора для КНИподложек больше, чем для объемной подложки.
Это связано с тем, что диффузия примеси идеттолько в область кремния. С увеличением дозы легирования скрытого слоя глубина обратнойдиффузии для КНИ-подложек в сравнении с объемной подложкой возрастает (рис. 3.7).а)б)Рис. 3.7 Зависимость глубины обратной диффузии от дозы имплантации слоя p+:а) для КНИ- и объемной подложки при толщине эпитаксиального слоя 2 мкм;б) для КНИ-подложки при различных толщинах эпитаксиальной пленки84Соответственно, для процесса изготовления БТ на КНИ-подложках, необходимоиспользовать режимы формирования скрытых слоев, отличные от режимов для объемнойподложки.
Важно отметить, что отсутствие области изоляции n– позволяет: во-первых,корректировать режим с учётом отсутствия для данных структур эффекта прокола изоляции, аво-вторых, травление областей щелевой изоляции может производиться на меньшую глубину,определяемую только толщиной эпитаксиальной пленки и начальной пленкой кремния надзаглубленным оксидом кремния. Толщина начальной пленки кремния влияет не только наглубину щелевой изоляции, но и на режим эпитаксии. Как представлено на рис.
3.8 в случаероста эпитаксиальной пленки толщиной 5 мкм над слоем p+ с сопротивлением RS ~ 20 Ом/кв.толщина начальной пленки кремния над заглубленным оксидом должна составлять не менее 4мкм, после которой обратная диффузия практически не влияет на параметры области базы.а)б)Рис. 3.8 а) Профили распределения примеси при различных толщинах пленки Si (2–7 мкм, шаг1 мкм) и б) зависимость пробивного напряжения UКБ0 от толщины пленки SiОпределившись с зависимостью глубины обратной диффузии от дозы имплантациискрытого слоя p+ (рис. 3.8, б), можно определить значения толщины начальной пленки кремния,послекоторойсниженияпробивногонапряженияUКБ0pnp-транзисторанебудет.Соответственно, выбор толщины начальной пленки кремния позволяет выбирать междуформированием равномерного или неравномерного профиля распределения примеси.3.1.2.3 Параметры эпитаксиальной пленки n-типаУчитывая, что величина обратной диффузии для рассмотренных выше режимовэпитаксиального роста, в основном, не превышает 2 мкм, то оптимизация параметров КБТначалась с указанного значения.
Результаты моделирования зависимости граничной частоты ипробивного напряжения комплементарного npn-транзистора от параметров эпитаксиальнойпленки, при использовании оптимизированных параметров областей базы и эмиттера, окоторых будет сказано далее, приведены на рис. 3.9. Видно, что оптимальное значениетолщины эпитаксиальной пленки, при котором наблюдается максимальное значениепроизведения fT × UКЭ0, составляет 2 мкм, что соответствует ограничениям данной работы.85Варьирование концентрации примеси также приводит к максимуму значения fT × UКЭ0 (рис. 3.9,б).
Существование максимума обусловлено различной степенью влияния концентрации на fT иUКЭ0. Таким образом, для исследуемого процесса оптимально использование эпитаксиальнойпленки с параметрами: d = 2 мкм, N = 8 × 1015см–3.а)б)Рис. 3.9 Зависимость а) fT, UКЭ0 и fT×UКЭ0 npn-транзистора от толщины эпитаксиальной пленки;б) fT×UКЭ0 npn-транзистора от концентрации эпитаксиальной пленки n-типа3.1.2.4 Методы управления обратной диффузииДля управления глубиной обратной диффузии при эпитаксии пленки с параметрами,определенными в предыдущем разделе, рассмотрены следующие методы:– дополнительное травление кремния;– отжиг в окисляющей атмосфере;– «тормозящее» легирование.Метод травления подложки позволяет управлять сопротивлением и, соответственно,величиной обратной диффузии за счёт удаления тонкого слоя кремния перед процессомэпитаксии.
Результаты сопоставления расчётов для травления и варьирования дозыимплантации слоя p+ при фиксированном времени отжига показаны на рис. 3.10. Видно, что всравнении со снижением дозы данный метод не имеет преимуществ, поэтому данный методцелесообразно использовать только в случае, когда нет возможности корректировать режимыформирования скрытых слоев.а)б)Рис. 3.10 Зависимость сопротивления и толщины нелегированной пленки n-типа приа) различных толщинах стравленного слоя;б) различных дозах имплантации скрытого p+ слоя без травления86Для метода отжига в окисляющей атмосфере, описанного в главе 1, результатыисследования системы p+/эпитаксиальный слой при различных атмосферах дополнительногоотжига представлены на рис.
3.11 и 3.12.а)б)Рис. 3.11 Зависимость глубины обратной диффузии и поверхностного сопротивления отвремени дополнительного отжига для КНИ-подложки: а) Q = 1e15 см–2; б) Q = 6,25e15 см–2а)б)Рис. 3.12 Зависимость глубины обратной диффузии и поверхностного сопротивления отвремени дополнительного отжига для объемной подложки: а) Q = 1e15 см–2; б) Q = 6,25e15 см–2Из графиков видно, что использование окисления позволяет добиться увеличениятолщины нелегированной области на величину ~ 0,1 – 0,2 мкм при одинаковом значении RS.Также видно, что увеличение времени отжига в 2 раза для сухого кислорода позволяет добитьсясхожих значений толщины нелегированной области с отжигом в парах воды.
При этомобеспечивается существенный выигрыш по величине RS. На рис. 3.13 представлены результатыизменения толщины и сопротивления слоя n– при отжиге в различных атмосферах.а)б)Рис. 3.13 Зависимость параметров слоя n– (толщины и поверхностного сопротивления) отвремени дополнительного отжига: а) Q = 1e15 см–2; б) Q = 6,25e15 см–287Из рисунков следует, что толщина слоя n– слабо зависит от изменения атмосферыдополнительного отжига. Однако, при двукратном увеличении времени отжига толщина слояn– изменяется существенно, кроме того, меняется и сопротивление слоя n–.
Таким образом,стоит сделать вывод, что в случае комбинированной изоляции для уменьшения обратнойдиффузии выгоднее использовать дополнительное окисление в парах воды. Также стоитотметить, что использование окисления позволяет практически полностью исключить влияниесопротивления эпитаксиальной пленки на глубину обратной диффузии при сопротивленияхобласти p+ более 200 Ом/кв.В качестве альтернативы предложен метод «тормозящего» легирования, основанный навведении в приповерхностную область скрытого слоя p+ примеси противоположного типапроводимости. При этом происходящая перекомпенсация примеси снижает скоростьраспространения в эпитаксиальную пленку.Результаты моделирования процесса тормозящего легирования представлены нарис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
