Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В результате образуются мезоструктуры. Более точный контроль геометрических размеров диффузионного перехода был достигнут за счет использования изолирующей пленки, которая препятствует диффузии большинства донорных и акцепторных примесей в глубь подложки [7]. Рисунок 1, в иллюстрирует типичный пример такого процесса. На поверхности кремниевой подложки при высокой температуре выращивают тонкий слой двуокиси кремния толщиной -1 мкм. Литографическими методами (например, фотолитографией, рентгенолитографией, электронной литографией) удаляют определенные участки окисла, образуя в нем окна или более сложные рисунки.
Примеси диффундируют в открытые участки поверхности кремния, и р †и- переходы образуются только в местах окон в окисле. Этот процесс, получивший название планарного [8), является основой технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральиых схем'). Эпитаксиальные структуры типа показанного на рис. 1, в [9[ обычно используются в планарной технологии для уменьше- 1) В планарном процессе используются такие давно известные технологические методы, как окисная защита при диффузии. Принципиальная особенность планарного процесса заключается в сочетании методов, позволяюшем получить большую точность контроля размеров, формы электродов и диффузионных областей приборов.
Однако в этом случае требуется, чтобы поверхность пластины была гладкой без рельефа, в противном случае слой фоторезиста ие будет ровным и появятся дефекты. 72 Гла«п 2 ния последовательного сопротивления. Слово «эпитаксия» имеет греческое происхождение: «эпи» означает «на» и «таксис» — «расположено в порядке». Эпитаксией называют метод выращивания путем химической реакции на поверхности кристалла тонких слоев полупроводниковых материалов с сохранением кристаллической структуры исходного кристалла. Таким методом на поверхности сильнолегированной низкоомной подложки выращивают высокоомные эпитаксиальные слои, добиваясь желаемых электрических свойств и механической прочности.
На рис. 1, г показан р — п-переход, полученный с помощью ионной имплантации 110). В настоящее время этот метод позволяет наиболее точно контролировать распределение примесей. Ионную имплантацию можно производить при комнатной температуре, а возникающие в процессе имплантации дефекты кристаллической решетки устраняют путем последующего отжига при температуре 700'С и ниже. Следовательно, ионная имплантация является относительно низкотемпературным процессом по сравнению с диффузией, которая обычно проводится при температуре 1000 'С и выше. Рассмотрим кратко четыре основных процесса планарной технологии: эпитаксиальное выращивание, окисление, диффузию примесей и ионную имплантацию. Эпитаксиальные слои можно получать методом выращивания из газовой фазы 141.
Основная реакция, в результате которой на подложке наращиваются кремниевые слои, состоит в восстановлении тетрахлорсилана в водороде: ЫС1, + 2Н, — ~ Я (твердый) + + 4НС! (газ). Обычно кремниевые слои выращивают со скоростью 1 мкм/мин при температуре 1200'С и выше. Молярная концентрация ЫС14, т.
е. отношение числа молекул 81С1, к общему числу молекул газовой смеси, составляет 0,01 %. Эпитаксиальные слои также получают выращиванием из жидкой фазы [11), что широко используется при работе со сложными полупроводниками. При молекулярно-лучевой эпитаксии удается контролировать с большой точностью состав полупроводниковой пленки в слоях толщиной порядка атомных размеров 112, 13). Для создания пленок двуокиси кремния наиболее часто используют метод термического окисления 114) кремния, сопровождающийся химической реакцией Я (твердый) -+ О» (сухой кислород) — 31О, (твердый) или Я (твердый) +. 2Н,О (пар) -+ 510, (твердый) -1- 2Н,.
Можно показать, что в начале реакции толщина слоя окисла растет линейно со временем, а при длительном окислении — как квадратный корень из длительности 115). При образовании слоя двуокиси кремния толщиной д расходуется слой кремния толщиной 0,45д. Экспериментальные зависимости толщины окисла от времени и температуры реакции при выращивании в сухом кислороде и в парах воды приведены на рис. 2. Плоскостные диоды 1,Р 1Р Вуемя акислеиия, у ~3 1Р Р,1 1Р 1Р 1РР Раемя акислеиия, ч Рис. 2. Экспериментальные зависимости толщины окисла от времени окисления и температуры для двух ориентаций подложки 1161: а — окисление в сухом кислороде; б — окисление в парах воды.
Для заданной температуры скорость окисления в парах воды в 5 — 10 раз выше, чем в сухом кислороде. Кроме того, при низких температурах скорость окисления зависит от ориентации кристалла 116 ), Простой одномерный диффузионный процесс описывается законом Фика 117) дС(х, ~) деС(х, О) (1) д1 дхв > где С вЂ” концентрация примеси, .0 — коэффициент диффузии. Это уравнение аналогично уравнению (9ба) (гл. 1), но в нем от- 74 ка-' ~с-' "~п-' а' П 0 ! 3 Ю 4 Р х/г/юг ,к,!ЩТ~ Рис. 3. Нормированные распределения концентрации для функции Гаусса и дополнительной функции ошибок (емс) в полулогарифмическом и линейном масштабах (!71.
(2б) сутствуют члены, связанные с генерацией, рекомбинацией и электрическим полем. При выполнении условий диффузии из «ограниченного источника», содержащего общее количество примеси Я, решением уравнения (1) является функция Гаусса 5 ха С (х, 1) = = — ехр ~ —— При выполнении условий «постоянной поверхностной концентрации», равной С„решением уравнения (1) является дополнительная функция ошибок С(х, 1) = С,ег1с( ~ 2~/Ш / Зависимости нормированной концентрации от нормированного расстояния для обоих решений приведены на рис.
3. Диффузионные профили многих примесей действительно хорошо аппроксимируются полученными выражениями, Вместе с тем распределение многих примесей, например Аз в 51, имеют более сложные профили вследствие сильной зависимости процесса диффузии от концентрации примеси 118). Коэффициент диффузии В в общем случае зависит от температуры и концентрации примеси. При низкой концентрации величина О не зависит от концентрации. (Концентрация примеси считается низкой, если она меньше, чем концентрация собственных носителей при температуре диффузии, например при 1100 'С, п~ = 10"см ', как это следует из рис.
11 гл. 1.) В ограниченном температурном диапазоне и при низкой концентрации коэффициент диффузии может быть представлен в виде О (Т1 = Во ехР ( — йЕ!ИТ), (3) Плоскосиьаыа диоды где .Оа — коэффициент диффузии при высокой температуре, ЛŠ— энергия активации процесса диффузии. Значения В(Т) для различных примесей в бе, 51 и баАз при низкой их концентрации приведены на рис. 4 !19, 20). При увеличении концентрации примеси коэффициент ГЦТ) начинает.
сильно зависеть от концентрации. Коэффициент диффузии примеси связан с предельной растворимостью примеси в твердой фазе, равной максимальной концентрации примеси, которая может быть введена в твердую фазу при любой заданной температуре. Зависимости предельных растворимостей.наиболее важных примесей для кремния от температуры представлены на рис. 5 121]. Из него следует„что в качестве примесей, обеспечивающих наиболее сильное легирование кремния а-типа, следует использовать мышьяк и фосфор, а для получения сильнолегированного кремния р-типа следует использовать бор. Ионная имплантация представляет собой введение в подложку .
заряженных атомных частиц, обладающих определенной энергией, с целью изменения электрических, металлургических и химических свойств подложки. Обычно используют ионы с энергией в диапазоне 10 †4 кэВ, а типичные дозы ионов варьируют от 10" до 10" ион/см'. Основные достоинства ионной имцлаитации заключаются в следующем: 1) общая доза примеси, глубина профиля и поверхностная однородность строго контролируются; 2) процесс Рие. 4, Температурная ь1 и баАа 119, 201, ооа впа 1п н /и -Б 4 Ю 7 в. /и ' 4 /п-' -и~ ~ зпУ' /и-Я Ь. В /а /а и /о ' пв оп т ~п 7ао яп акоп>гопта то ппп ып тп као воа ~а р пв аг пв пвв попо,г ав пу /паоггт, л т зависимость коэффициентов диффузии примесей в бе, Глава 2 УР'" УР 80 $ УР Ф 6.
Ъ~ ~~ УР ~в ~ УРл ~~ урЧ УР ~ю 000 б00 700 ЮРР 300 1000 И00 ЫРР УЮР ЖРР 7, "С Рис. 5. Температурная зависимость растворимости различных элементов и Й (21). протекает при низкой температуре; 3) имплантированная область точно совмещается с краем маски. При имплантации ионным лучом бесконечно малого диаметра распределение ионов в подложке (вставка на рис, 6) описывается формулой '> (10) п(х, д) = „ехр — " ехр (4) ~ Точнее, правую часть выражения надо еще умножить на время воздействия пучка, — Прим. рвд, Плоскостные диоды где з — интенсивность облучения, измеряемая числом ионов в 1 с; Ą— нормальная длина пробега по направлению падения ионов; Лʄ— нормальная дисперсия; Лйт — поперечная дисперсия. Зависимость Я от энергии имплантируемых ионов бора, фосфора и мышьяка в Й и 510, приведена на рис.
6. Нормальная длина пробега приблизительно линейно возрастает с энергией. Ионы бора имеют почти одинаковые нормальные длины пробега в Ы и ЫО„вместе с тем для фосфора и мышьяка нормальная длина пробега в 51Ое примерно на 20 % меньше, чем в 51. Нормальная и поперечная дисперсия для этих ионов показана на рис. 7. Дисперсия также возрастает с увеличением энергии ионов. Отношение Лй„к Й„во всем диапазоне энергий лежит в интервале 0,2— 0,5. При равномерном сканировании имплантирующим лучом бесконечно малого диаметра по подложке концентрация легнрующей примеси перестает зависеть от координат при удалении от края ф $ Су 10 УО /ЮУ /Неонам'~, ад рис 5.
Зависимость нормальной длины пробега ионов бора, фосфора и мышьяка в 81 (бпЛошные линии) и Б10а (штриховые линии) от внергии имплантации, На ватавке пбказано распределение имплантированных ионов ~10). Глава й Я7 И7Р Яперг ил, лэ8 (сплошные линии) и поперечной (штриховые ионов бора, фосфора и мышьяка в кремний Рис. 7. Зависимость нормальной липин) дисперсии длины пробега от энергии имплантации 1101.
области сканирования на расстояние, равное нескольким ЬКг. В этом случае распределение примеси принимает вид 1/2иЬКр У2ййп (4а) что соответствует распределению Гаусса с общим числом ионов на единицу площади гр и максимальной концентрации гр/(1 2лЛЯ„) на глубине х = Й„. Начиная с 1974 г. интенсивно изучается лазерная обработка полупроводников 122, 23 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
