Диффузия (987306), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Однако при больших дозах облучения происходит накопление зарядов на ловушках оксидного мас­кирующего слоя, для их ликвидации необходим низкотем­пературный отжиг при T~500°С. Сравнение импульсного ла­зерного и электронно-лучевого отжигов приведены в табл. 11.5.1.

11.5.4. Влияние технологических факторов

Диффузия имплантированных примесей

Д
иффузия имплантированных примесей в процессе высо­котемпературного отжига несколько отличается от диффузии в ненарушенных слоях материала подложки. Большое значе­ние при этом имеют разнообразные дефекты, которые могут играть роль стоков для атомов примеси или, наоборот, ускорять процесс диффузии.

Рис. 11.5.13. Зависимость концентрации атомов бора от темпе­ратуры изохорного процесса (35 мин) при энергии ионов бора 70кэВ и дозе Д=10¹⁵ ион*см^-2

Так при температуре 900° С диффу­зия имплантированного бора в кремнии протекает со ско­ростью, соответствующей ускоренному коэффициенту диффу­зии, определенному для монокристаллического кремния. При температурах более 1000° С «размытие» имплантированного слоя описывается в рамках обычной теории диффузии. Отступление от классической теории диффузии происходит в основном в области температур 700—800° С, когда основную роль играет не температура процесса, а наличие сильноде­фектных областей. При первоначальном распределении вве­денных методом ионной имплантации атомов примеси, соглас­но функции Гаусса, решение уравнения диффузии при гранич­ных условиях, соответствующих случаю ограниченного источ­ника примеси, имеет следующий вид:

(11.5.9)

В качестве примера на рис. 11.5.13 показаны профили распре­деления имплантированной примеси после отжига, в темпе­ратурном диапазоне 700-—1100° С.

Рассеяние ионов примеси на атомах мишени приводит к возникновению определенной концентрации примесных атомов под маскирующей пленкой. Если боковая диффузия по сте­пени проникновения атомов примеси под маску имеет срав­нимое значение с диффузией в перпендикулярном поверхно­сти пластины направлении, то боковое рассеяние имплантированных ионов значительно меньше глубины их пробегов в прямом направлении. Тем не менее этот эффект необходимо принимать во внимание при конструировании ИС с мелкими р—n-персходами (менее или равными 0,5 мкм).

Технология маскирования при ионной имплантации

Маскирование или защита участков кристаллических плас­тин от действия ионного пучка при создании элементов ИС производится пленками окиси кремния SiO; или Si₃N₄, фото­резистами или пленками металлов. Большие дозы импланта­ции в ряде случаев приводят к изменению физико-химичес­ких свойств маскирующих пленок. Так имплантация ионов алюминия в пленку окиси кремния приводит к образованию смешанных оксидов SiO₂—Аl₂Oз, обладающих повышенной химической стойкостью к действию растворителей по сравне­нию, с чистой окисью кремния.

Применение фоторезистов ограничивает температуру про­ведения ионной имплантации (не более 100° С). Фоторезист под действием доз более 10¹⁴ ион*см^-2 вследствие частичной полимеризации также становится труднорастворимым. Маскирование пленками металлов требует соблюдения особой осто­рожности, так как при имплантации возможно занесение ато­мов маски в полупроводниковые слои. В ряде случаев между слоями полупроводника и металлической маскирующей плен­ки создают тонкий слой диэлектрика, например окиси крем­ния.

Во всех перечисленных выше случаях к маскирующим пленкам предъявлен ряд одинаковых требований: они должны быть достаточно толстыми для полного торможения бомбардирующих ионов, иметь низкий коэффициент распыления ионным пучком и хорошо растворяться после облучения.

Гетерирование

Гетерированием называется удаление нежелательных при­месей и дефектов из области р—n-перехода. Процесс гетерирования состоит в следующем: высвобождение примесей из химических соединений или разложение протяженных дефек­тов на составные части, диффузия примесей или составных частей дислокаций к зонам захвата (стокам), поглощение примесей или междоузельных атомов стоком. Под стоками понимают области полупроводника, куда попадают примес­ные или собственные атомы, которые затем перестают влиять на физические свойства этого полупроводника. Сток обычно связан с нарушением кристаллической решетки, например на­личием плоскости сшивания двух монокристаллических бло­ков.

Диффузия фосфора в ряде случаев является эффективным методом гетерирования меди. Атомы меди в кремнии в основ­ном находятся в междоузлиях, забирая электроны у атомов фосфора они переходят в трижды ионизированное состояние Сu^3- и образуют пары Р⁺Сu^3-. При больших дозах имплантированных ионов (более 10¹⁶ ион*см^-2) последующая термо­обработка приводит к появлению дислокаций и поликристал­лических зон с образованием границ, зерен. Например, внед­рение в кремниевую пластину ионов инертных газов приводит к формированию при отжиге пузырьков газа, ограниченных кристаллографическими поверхностями. На этих поверхнос­тях происходит эпитаксиальное наращивание новых слоев, таким образом во время отжига формируется поликристал­лическая структура. На границах зерен при этом происходит аффективное гетерирование примесей.

11.5.5. Тенденции развития процесса ионной имплантации

Возможность создания мелких переходов является, пожа­луй, основным достоинством процесса ионной имплантации. В настоящее время технически осуществимым является сосре­доточение легирующих примесей в слое толщиной 20 нм, это значит, что р—n-переход будет заметен на глубине около 40 атомных слоев. Создание мелких переходов требует исклю­чения эффекта каналировапия, полное устранение которого достигается предварительной аморфизацией кремния.

Работа приборов с толщиной области обеднения 20 нм мо­жет быть основана на эффекте горячих электронов. При длине свободного пробега электронов 10 нм их продвижение проис­ходит без рассеяния и с большой скоростью, что позволяет существенно раздвинуть частотный предел использования ИС.

При размерах затвора полевых транзисторов 0,1x 0,1 мкм и уровне легирования в области канала 10¹⁸ см^-3 появляются эффекты статистического легирования. При числе атомных слоев под затвором, равном 40, проявляются флуктуации ра­бочих режимов транзистора, определяемые отношением N/N и составляющие величину порядка 20%.

В заключение необходимо отметить, что ионная импланта­ция, обладая рядом преимуществ, будет играть в будущем основную роль в технологии создания ИС.

11.6. ЭПИТАКСИЯ

11.6.1. Основные положения и классификация. Принципы сопряжения решеток

Термин «эпитаксия» был введен в 1928 году Руане, изучав­шим явление ориентированного нарастания одного вещества на кристаллической поверхности другого, т. е. наиболее общий случай ориентированной кристаллизации. Можно классифи­цировать эпитаксию по видам конкретного фазового перехо­да. В этом случае говорят об эпитаксии из газовой (парогазовой) фазы, жидкофазной эпитаксии или даже о эпитаксиальном наращивании из твердой фазы, причем материал подложки служит затравочным кристаллом. В дальнейшем мы практически не будем касаться вопросов эпитаксии из твердой фазы, имеющей ограниченное практическое примене­ние, например при восстановлении решетки после процесса ионной имплантации или горцев лазерных элементов, требующих специальной обработки для устранения дефектов механической обработки. В современной литературе часто класси­фицируют процесс эпитаксии, исходя из кристаллографичес­ких параметров подложки и пленки, причем последнюю назы­вают эпитаксиальной. Если материал и кристаллическая структура подложки и пленки идентичны, процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным, хотя лишь в редких случаях на практике процесс строго соответствует вы­шеприведенному определению. Как правило, подложка и пленка даже в случае использования одного и того же ма­териала значительно отличаются по своим параметрам, либо вследствие легирования различными приемами, либо по уров­ню легирования и, как следствие, есть отличия в величинах констант решетки, наличии напряжений вокруг атомов при­месей, флуктуациях химического потенциала. Отметим далее, что даже при. полном соответствии кристаллографических структур подложки и пленки в зависимости от условий про­ведения процесса (скорости, температуры осаждения и т. п.) могут вырастать как монокристаллические, так и аморфные или поликристаллические пленки. В том случае, если хими­ческий состав подложки отличается от состава пленки, гово­рят о гетероэпитаксиальном процессе, однако и в этом случае структуры решеток пленки и подложки должны быть сход­ными для обеспечения роста монокристаллического слоя. В этом случае полностью бездефектного сопряжения решеток принципиально быть не может. В технологии микросхем часто используют ориентированное наращивание пленок на произ­вольно выбранную поверхность кристаллической подложки, полнокристаллическую или аморфную поверхности. В этом случае также оказалось возможным получать монокристалли­ческие или частично ориентированные (текстурированные) слои.

Речь идет об одновременной кристаллизации из большого числа зародышей, распределенных по всей площади макро­скопической подложки, и нам необходимо создать условия, при которых возникающие зародыши были бы одинаково ориентированы и достаточно совершенны. В этом случае при разрастании и последующем смыкании этих зародышей на поверхности подложки образуется определенным образом ориентированный первичный слой, на который и будет проис­ходить дальнейшее наращивание. Нетрудно представить, что при произвольной ориентации зародышей пленка будет сос­тоять из сросшихся поликристаллов, а в том случае, когда поступающие на поверхность частицы будут лишены возмож­ности мигрировать по ней мы можем получить аморфный слой. Все сказанное подтверждает, что выращивание эпитак­сиальных пленок является сложным, многофакторным процес­сом, требующим для получения качественных результатов не менее дорогостоящего оборудования, чем, например, уста­новки для роста монокристаллов. Проблемы, связанные с пол­ной автоматизацией этих процессов еще ждут своего реше­ния. Тем не менее, развитие технологии микроэлектроники не может быть эффективным без решения этих проблем. Наи­лучшие результаты в этом направлении достигнуты при по­лучении эпитаксйальных пленок кремния.

Первоначально широкое использование эпитаксиальной технологии было вызвано ростом требований к параметрам дискретных, кремниевых транзисторов. Их структуру форми­ровали в объеме подложки толщиной порядка 200 мкм методом двойной диффузии. Коллектором при этом служила часть подложки, примыкающая к базе, созданная диффузией с по­верхности, и, следовательно, величина коллекторного напря­жения задавалась удельным сопротивлением кремниевой подложки. А если так, то оказывались как бы заданными и другие параметры транзистора—емкость коллектора, со­противление насыщения, время рассасывания носителей за­ряда при переключении и т. д. Добавим к этому, что вся структура формировалась в слое подложки, не превышаю­щем 10—15 мкм, т.е. более 90% дорогостоящего кремния не использовалось. Это отрицательно сказывалось на КПД прибора, его частотных и импульсных характеристиках. Ис­пользование высокоомных эпитаксиальных слоев на подлож­ках с низким удельным сопротивлением позволило успешно решить эти проблемы. Практически одновременно был достиг­нут реальный успех при создании интегральных схем на бипо­лярных транзисторах, в которых подложка (р-типа) и эпитаксиальная пленка (n-типа) имеют различные типы проводимости для создания изоляции обратно смещенным р—n-пер-еходом. Перед проведением процесса эпитаксиального наращивания пленки в предполагаемых местах размещения транзисторов в подложке с применением процессов фотолитографии и диффузии создаются сильнолегированные слои n-тйпа (скрытые слои), обеспечивающие низкоомные коллекторные контакты.

Характеристики

Список файлов лекций