Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Распределение концентрации примесей для разных температуры ивремени – рис. 2.48, а. Это так называемая загонка примесей, назначение которой– ввести дозу легирования Nл=Nпред Dt . Окончательное формированиедиффузионного слоя происходит на втором этапе – разгонке примесей, при этомподача диффузанта прекращается, примеси распространяются вглубь приNл=const, поверхностная концентрация Nпов. уменьшается, а глубина растет – рис.2.48, б (1–загонка, 2–разгонка). Диффузия производится многократно длясоздания нескольких слоев с разной электропроводностью и различными типамиэлектропроводности. Например, при первой диффузии в пластине n–типа можносформировать р–слой, затем, при второй диффузии формируется донорный n–слой на меньшую глубину, получается структура n–р–n-типа.
Концентрациякаждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей,чтобы образовался p–n-переход. Предельная растворимость (тоже параметрпримеси, как и коэффициент D) увеличивается с повышением температуры не такрезко, как величина D, в 2…3 раза при увеличении температуры на 3000С.Последующие диффузии из–за высокой температуры вызывают нежелательнуюразгонку примесей предыдущих этапов, поэтому число последовательныхдиффузий не превышает трех.Ионное легирование (имплантация) – один из современных методовизготовления р–n-переходов при создании БИС и СБИС.
По сравнению сдиффузией он позволяет создавать легированные слои с горизонтальнымиразмерами менее мкм и глубиной залегания меньше 0,1 мкм с высокойвоспроизводимостью параметров. Он занимает меньше времени, происходит применьшей температуре и не меняет распределение примесей предыдущих этапов.108109Метод мало зависим от параметров примесей, могут быть внедрены любые.Высокая степень чистоты обеспечивается вакуумом и магнитным сепарированиемионов. Получение ионов, их фокусировку и ускорение производят в вакуумныхустановках (рис.
2.49). Пары легирующих элементов поступают в ионизационнуюкамеру, в область электрического разряда. Ионы (Р+, As+, B+ и др.) вытягиваютсяэкстрагирующим электродом (–20 кВ) и поступают в масс–сепаратор 3 (рис. 2.49).Принцип действия последнего основан на зависимости траектории движения впостоянном поперечном магнитном поле от массы иона, на выходную щелькоторого посторонние атомы не поступают. Далее ионы ускоряются (поле до –300кВ) и фокусируются в пучок, система сканирования обеспечивает перемещениепучка. Обычно легирование осуществляется через маску (рис. 2.50).
Сравнениерис. 2.46 и 2.50 показывает преимущество ионного легирования – можнополучить области меньших размеров. Принципиально возможно легирование безмаски остросфокусированным пучком с перемещением последнего по программе.После ионного легирования проводится отжиг (температура 600…9000С) дляснижения радиационных дефектов решетки и активации примесей (перемещениеатомов примеси в вакантные узлы решетки для того, чтобы они стали донорами иакцепторами).Вариантионноголегирования:ионнаязагонкаи0высокотемпературная (900…1000 С) диффузионная разгонка, совмещенная сотжигом.
Недостатки процесса: сложность оборудования, малая глубина идефекты структуры, не полностью устраняемые отжигом.Концентрация и характер примесей, введенных в полупроводник, определяютего свойства, поэтому способов легирования разработано множество, начиная спростого сплавления полупроводника с примесным элементом. По сути все способы получения монокристаллов и синтеза полупроводниковых соединенийсопровождаются легированием.
Выше отмечалось, что выход готовых ИС измонокристалла Si составляет 5…7%, хорошим считается результат 10% . Однойиз причин брака является разброс концентрации примеси в исходном слитке.Например, в слитке кремния диаметром 100 мм и длиной 500 мм, выращенногометодом БЗП (более совершенный, чем метод Чохральского), разбросконцентрации примесей составляет 25%. Для современных СБИС требуетсяоднородное и точное легирование.
Традиционные методы легированияобеспечить этого не могут. В 50-е годы ученые США предложили способтрансмутационного легирования германия (потоком нейтронов): а) ядро изотопа7 07 017 13 2 Ge захватывает нейтрон: 3 2 Ge+0 n→3 2 Ge+γ – лучи, б) образующийсянестабильный изотоп Ge распадается: 3721Ge+–10e→3711Ga, распад Ge привел кобразованию галлия, являющегося мелким акцептором для Ge, электрон захваченядром с ближайшей К–орбиты (К–захват).Легирование производится в ядерных реакторах, где плотность потока нейтронов и время облучения контролируются очень строго. Поток нейтронов – высокопроникающее, равномерное облучение и, в результате, неоднородность того жеслитка составила всего 5 %.
К концу 80-х годов освоено легирование кремния:3 013 13 13 101 4 Si+0 n→1 4 Si+γ ; 1 4 Si→1 5 P+–1 e (β–излучение). В самое последнее время освоено трансмутационное легирование и GaAs.110Получение и свойства пленки SiO2. Обычный способ создания пленки –окисление кислородом или водяным паром в диффузионных или эпитаксиальныхпечах при температуре 1000…13000С, со скоростью 0,05…1,00 мкм/час. Пленкапрозрачная (стекло), окраска – в зависимости от толщины (интерференция света,отраженного от поверхностей SiO2 и Si). При толщине 0,27 мкм – цвет зеленый.ТКЛР обоих материалов одинаков и при колебаниях температуры пленка неотслаивается.
Концентрация примеси у поверхности изменяется (разгонка исегрегация примесей). Основа сегрегации – различная растворимость примеси в Siи SiO2. Если растворимость примеси в SiO2 меньше, то растущий внутрь пластиныдиоксид вытесняет примесь и ее концентрация у границы растет. Часто вмикросхеме слои SiO2 необходимо выращивать локально, для чего используетсямаска Si3N4 (рис. 2.51, а). Слой SiO2 растет вверх, вниз и вбок (под маску) – рис.2.51, б. Это используется для изоляции соседних слоев: после удаления маскиSi3N4 если произвести легирование донорами, то получим изолированные друг отдруга слои n–типа (рис.
2.51, в). Пленка SiO2 служит в качестве маски длядиффузии примесей (Р, В, Аs, Sb) и при ионном легировании (длина пробегаионов меньше толщины пленки). Слой SiO2 защищает также поверхность Si отпроникновения посторонних химических веществ и влаги.Травление – удаление поверхностных слоев химическим способом для получения ровной бездефектной поверхности (механическими способами недостижимо),удаления слоев (SiO2, Si3N4 и др.). Локальное травление (через маску рис. 2.52)применяется для получения рельефа, рисунка пленочных слоев, масок.
Оно можетбыть изотропным (одинаковым во всех направлениях рис. 2.52), анизотропным иселективным (часто используется для контроля, разная скорость травления материалов различающегося химсостава).Жидкостное травление – реакция жидкого травителя (кислоты, щелочи и т.д.)с материалом, с образованием растворимого соединения. Параметры процесса:химсостав травителя, концентрация, температура, избирательность; режим(скорость травления ∼0,1 мкм/мин.), толщина удаляемого слоя.
Избирательностьколичественно оценивается отношением скоростей травления требуемого слоя(например, SiO2) и других слоев (фоторезиста 1 на рис. 2.52). Скоростьхимической реакции некоторых травителей зависит от кристаллографическогонаправления: для кристаллов с алмазной решеткой (Ge, Si, GaAs и др.) онаминимальна в направлении [111], так как в перпендикулярной к нему плоскости(111) максимальное количество атомов. Скорость реакций в направлении [100] в10…15 раз больше. Если поверхность пластины имеет ориентацию (100), токанавка будет иметь форму (рис. 2.53, а) при малом времени процесса, а с ростомвремени становится V–образной (рис.
2.53, б). Если же поверхность имееториентацию (011), то стенки канавок получаются вертикальными (рис. 2.53, в),шириной менее 1 мкм и глубиной до 10 мкм.Сухое травление производится в вакууме в плазме газового разряда, применяется в основном для очистки поверхностей от загрязнений. Более широко применяется ионное травление, сопровождающееся химическими реакциями. Ономожет производиться через маску резиста, причем размер вытравленной области111112точно соответствует размеру отверстия в маске (нет поднутрения, как прижидкостном травлении).
Для травления SiO2 применяется CF4 (газ), в результатеобразуются SiF4 и CO2 (газы, испаряющиеся в вакуум). Для травления Siприменяют CF4 с добавлением О2.Поликристаллический кремний находит все более широкое применение приизготовлении БИС, в структурах “поликристаллический Si–SiO2 –монокристаллSi” (рис. 2.54). При этом, на поверхность монокристаллической пластины,покрытой пленкой SiO2, осаждается поликристаллический Si разложением силанаSiH4 при температуре 700…10000С (рис. 2.54, а). Сопротивление ρнелегированного поликристаллического Si (104…106 ом⋅м) на несколько порядковвыше ρ собственного монокристалла Si, что обусловлено влиянием границ междузернами. Это используется для создания диэлектрической изоляции междуэлементами ИС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
