Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 68
Текст из файла (страница 68)
5.!5 приведена классификация методов легирования полупроводников. Дадим краткий анализ этих методов. Высокотемпературное легировение уезлод высокотштературиои' диффузии состоит в том, что легирующая примесь приводится в соприкосновение с поверхностью монокристалла кремния.
Монокристалл разогревается, и атомы примеси проникают внутрь монокристалла, замещая атомы кремния в решетке. Метод высокотемпературной диффузии является одним из наиболее развитых и широко используемых процессов создания локальных областей с заданныч типом проводимости в полупроводниках. Существует несколько механизмов внедрения примесей, При диффузии заиетеиил (диффузия по вакансиям) решетка испытывае~ при нагреве сильную тепловую вибрацию. Некоторые атомы покидают свои места и замещаются другиии. Если поблизости окажется атом причеси с приблизительно теми же размерами и валентностью, то может произойти замещение ушедшего атома в узле рецзетки атомом примеси.
Атомы примесей движутся по узлам решетки стохастически во всех направлениях, но в целом их движение направлено в сторону снижения концентрации причеси. Скорость лиффузии зачезцения зависит ог скорости возникновения вакансий в решетке. При диффузии внедрения атом примеси находит себе место в кристаллической решетке в междоузлиях, нс замещая атома исходного элемента. При высоких температурах атомы примеси могут перепрыгивать с одного междоузлия на другое.
распространяясь с большей скоростью, чем при диффузии замещения. Для изготовления барьеров и р- — и-переходов используется процесс диффузии примесных атомов, которые внедряк>тся в кристаллическую решетку полупроводника и меняют ее электрофизические свойства. Процесс изотропной диффузии описывается с почощью коэффициента диффузии 0 " определяется из первозо закона Фила: У -- -0 згд'1 г1х, (5.!) гдеу — плотность потока диффундирующих атомов, А — концентрация атомов,.т — ко ордината. Этот феноменологический закон был сформулирован в !855 год> А.Фиком цо аналогии с уравнением теплопроводности.
Коэффициент диффузии 0 зависит от температуры Т следующим образом: 0 =0о ех!й — ь'! Ю где 0а — постоянная величина, с — энергия активации для скачка атома, А — посто"' иная Больцмана. Изменение концентрации диффундирующего вещества во времени при одномерной д нф фузии определяется ишорьы~ законом Фика: згу 6 Технология производства интегральных схем (5 '7) дегируюшая примесь в полупроводник может быть введена из газообразного, жидкого нли твердого источника. Поэтому по способу подведения примеси из внешнего источника к среде, в которой необходимо создать неоднородности концентрации примесей, различают три метода В процессе г|роведения дзнффуз7ш в згм7кпуто77 сасл7еие (метод "закрьпой трубы") пла„тины проводника и источники примеси (диффузант) загружают в кварцевую ампулу, вакуул7ируют, герметизируют и помещают в печь (рис. 5.!6, а).
В качестве диффузанта могут быть использованы вещества в любом агрегатном состоянии. Закрытая труба снацала разогревается до температуры разложения газообразного источника. Па легируемых пластинах формируется локальный источник диффузии, место которого определяется соответствующей маской. Затем температура повышается, благодаря чему создаются неооходимые условия диффузии легирующей примеси в объеме полупроводника. В результате формируются области с заданной концентрацией примеси и заданным типом проводимости.
Метод имеет ряд недостатков: 0 электрофизические параметры легированных областей существенно зависят от соста- ва атмосферы в изолируемом рабочем объеме; (3 двухступенчатый процесс термообработкн увеличивает продолжительность процесса легирования; 0 подготовка закрытой трубы требует много времени; ьз получение образца сопровождается разрушением трубы; ЬЗ низкая воспроизводимость электрофизических паралзетров при низкой поверхностной концентрации прнлзеси.
Чаще всего этот метод применяется с целью глубокого легирования. б) а) Рве. 8.18. схема способов проведения диффузии 7 — открытая диффузионная труба; 2 — закрытая диффузионная труба, 3 — пластины; 4 — вьняжка; 5 — выходной конец для введения газа-носителя, б — диффузионная печь; т — ампулы с диффузантсм; 8 — твердый диффузант, 9 — жидкий диффузант Ваиболее широкое применение получил метод лиг/н)бенц и открытой сас777еме (метод открытой трубы"). Диффузия в этом случае мозкет проводиться из твердых, жидких нли газообразных источников. Основными диффузанталзи при диффузии в кремний являются "ор и фосфор.
Создание локальных неодгюродностей проводится в двс стадии. Па первой згг Часть П,Микроалектрони~ стадии (стадия заеснкн) в необходимых местах поверхности при невысоких по сравн . нию с диффузией температурах создают тонкий диффузионный слой примеси. На втор й стадии ~сягаоии разделки) пластины нагревают в атмосфере, не содержащий диффузантоа При этом происходит диффузионная перераспределение примесей, приводящая к созд нию локальной области в объеме пластины, двустадийная диффузия в этом методе имеет два основных преимущества. Во-первых разделение процесса на две стадии делает технологический процесс более управляемым повышает воспроизводимость результатов и упрощает контроль.
Во-вторых, низкотемпе рагурный процесс стадии вагонки облегчает маскирование будущих статических неодн„ родностей. Стадия разгонки происходит в отсутствии паров диффузанта. Вьюокоя1снпературяая диффузия возможна с использованием твердых планарных истов ников легирующей примеси. Существует несколько способов использования твердых источников. Наиболее привлекательным является расположение источника примеси па раллельно между легнруемыми полупроводниковыми пластинами. Расстояние между пластинами и диффузантом определяется соотношением б > 2Ч2Л, где!Э вЂ” коэффициент диффузии примеси в газовой среде, г — время обработки пластин.
Обычно значение б (пластина-диффузант) подбирают близким к размеру полупроводниковых пластин, а материалом служит стеклокерамическая композиция с использованием окиси бора (ВзО,), ингрид-бора ГВХ), фосфата алюминия (Л!зО, ЗР О,). Использование твердых планарных источников позволяет улучшить однородность легирования, поднять процент выхода годных структур, рационально использовать рабочий объем диффузионной печи, исключить токсичные продукты реакции и т. д. Метод высокотемпературной диффузии из твердой фаза позволяет также сократить в 2— 4 раза длительность высокотемпературной обработки, вводить донорные и акцепторные примеси одновременно, сократить трудоемкость операции легирования в 2 — 3 раза при одновременном улучшении электрофизнческих параметров структур.
Решение второго закона Фика для заданных начальных и граничных условий имеет вид; б'(х,г) = Л' егус— (5.3) 2~/гэг где у(х, г) — концентрация примесей на расстоянии х от поверхности, Ф вЂ” поверхностная концентрация примесей, г — время диффузии. Формирование областей транзистора происходит путем задания концентрационных " временных параметров диффузионного процесса. На рис. 5.17 приведены расчетные кривые (а) и полученный профиль распределения пр" месей (б) в областях биполярного транзистора. Подводя итоги анализа методов высокотемпературной диффузии, отметим, что эти технологические процессы обеспечивают создание локальных неоднородностей в полупр водниковых континуальных средах в виде областей с широким диапазоном концентрац ации и глубин залегания примесей.
Вместе с тем, методам высокотемпературной дифф> зии присущ ряд недостатков: ности изотропность, приводящая к ограничению размероа формируемой неоднородно в кремниевой пластине; б Технология производства интегральных схем згз С) изменение электрофизических характеристик, а также генерация дислокаций и механических напряжений в континуачьной среде из-за обработки пластин при высоких температурах; ,-) ограниченный набор диффузантов, в диапазоне температур 900 †12 'С, обладаю- щих высоким коэффициентом диффузии и хорошей растворимостью; 12 появление используемых примесей в активной области при формировании структуры вследствие протекания газов-носителей или проникающих через трубы газов из окружающей среды; , З трудность получения тонких легированных слоев и редких р — п-переходов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
