Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 31
Текст из файла (страница 31)
При выращивании толстого окисла чередуют сухое и влажное окисление: первое обеспечивает отсутствие дефектов, а второе позволяет сократить время процесса. Глава 6. Технологические основы микрозлектроннкн 6.5. Легирование Внедрение примесей в исходную пластину (или в зпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Этому способу мы уделим главное внимание.
Однако за последние годы широкое распространение получил и другой способ легирования — ионная имплантация, — который рассматривается в конце раздела. Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 6.5, а), а во втором — на определенных участках пластины через окна в маске, например, в слое ИОз (рис. 6.5, б). 0,7Ь ЗО, Окно Зье б) Рис. 6.6. Общая (а) н локальная (б) диффузия примеси в кремний Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от зпнтаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую М,(х) на рис. 6.5). В случае локальной диффузии примесь распространяется не только вглубь пластины, но и во всех перпендикулярных направлениях, т.е.
под маску. В результате етой так называемой боковой диффузии участок р-п-перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 6.5, б). Соотношение между глубинами боковой и основной — «вертикальной» вЂ” диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя Ь. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,7 А. Зап Лвгироьааве Таблица 6.1. Максимальная предельная растворимость типичных примесей в кремнии В БЬ Примесь 1ч'„, см 26.1О' (115О ' Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью.
Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен, не удается обеспечить более 3-х последовательных диффузий. Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения. Это могут быть и жидкости (ВВгз, РОС1), и твердые тела (ВзОз, РзОь), и газы (ВзНс, РНз).
Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотранспортных реакций — так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диффузионные печи. Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, в исходную пластину и-типа можно во время 1-й диффузии внедрить акцепторную примесь и получить р-слой, а затем во время 2-й диффузии внедрить в полученный р-слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру.
Соответственно различают двойную и тройную диффузию. При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, в противном случае тип проводимости не изменится, а значит, не образуется р-и-переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном материале) не может быть сколь угодно большой: она ограничена особым параметром — предельной растворимостью примеси. Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой температуре она достигает максимального значения 1ч", „... а затем снова уменьшается.
Максимальные предельные растворимости вместе с соответствующими температурами приведены в табл. 6.1. туз Глава 6. Технологические основы микрозлектроиики Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов, В таких печах (рис. б.б) имеются две высокотемпературные зоны, одна — для испарения источника диффузанта, вторая — собственно для диффузии. Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к потоку нейтрального газа-носителя (например, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния.
Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны. Рнс. 6.6. Схема двухзонной диффузионной печи: 1 — кварпевая труба; 2 — поток газа-носителя; 3 — источник диффузапта; 4 — пары источника диффузанта; 5 — тигель с пластинами; 6 — пластина кремния; т — первая высокотемпературная зона; 8 — вторая высокотемпературная зона В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходимости в их высокотемпературном испарении.
Поэтому используются однозонные печи, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии. При использовании жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кислород. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел ЗЮ2, т.е. в сущности — стекло. В присутствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорно-силикатное стекло. При температуре выше 1000' зги стекла находятся в жидком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы.
После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии, т.е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта — окислов — образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода. Теоретические основы диффузии. Теория диффузии основана на двух законах Фика. 1-й закон Фика связывает плотность З,з. Легизеаааие потока частиц г с градиентом их концентрации.
В одномерном случае .1 = -Р (6)У,гбх), (6.1а) где Р— коэффициент диффузии, Ф вЂ” концентрация. 2-й закон Фика характеризует скорость накопления частиц (в нашем случае — атомов примеси): дЮ/дг = Р(д М/дх ). (6.1б) Из уравнения (6.1б) можно найти функцию )ч' (х„г), т.е. распределение концентрации гч(х) в любой момент времени. Для этого нужно задаться двумя граничными условиями.
Пусть координата х = О соответствует той плоскости пластины, через которую вводится примесь (рис. 6.5). Тогда координата противоположной плоскости равна толщине пластины гг. На практике глубина диффузионных слоев всегда меньше толщины пластины (см. Рис. 6.6): поэтому можно положить Ю(г() = О. С математической точки зрения удобнее считать пластину бесконечно толстой и в качестве 1-го граничного условия принять (6.2) 2-е граничное условие имеет два варианта, которые соответствуют двум разновидностям реального технологического процесса. 1) Случай неограниченного источника примеси. В этом случае диффузант непрерывно поступает к пластине, так что в ее приповерхноетном слое концентрация примеси поддерживается постоянной, Граничное условие для этого варианта имеет вид: Ю (О, г) = Фа = сопзФ„ (6.3а) где Ф, — поверхн ост нал (точнее — приповерхностная) концентРация.
Обычно количество поступающего диффузанта обеспечивает режим предельной растворимости, т.е. Ф, = Ф„ 2) Случай ограниченного источника примеси. В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта, а потом источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по Глава 6.
Технологические основы микроэлектроники глубине пластины при неизменном их общем количестве. Первую стадию процесса называют «вагонкой», вторую — «разгонкой» примеси. Для этого варианта можно записать условие в виде Ю )Ф(х) т)х = 9 =сопзС, о (6.3б) где Я вЂ” количество атомов примеси на единицу площади (задается на этапе «загонки»). Решая уравнение (6.1б) при граничных условиях (6.2) и (6.3а), получаем распределение концентрации при неограниченном источнике (рис. 6.7, а): М(х, () = Х,ег(с(ху2.Ъ1), (6.4а) где его (г) — дополнительная функция ошибок, близкая к экс- поненциальной функции е '.
О дго о Гьч б) Рис. 6.7. Распределение примеси при диффузии из неограниченного (з) и ограниченного (б) источников длз разных моментов времени тт(х, г) = е ,/,/ж (6.4б) В данном случае распределение описывается функцией Гаусса, которая характерна нулевой начальной производной, нали- Решая уравнение (6.1б) при условиях (6.2) и (6.36), получаем распределение концентрации при ограниченном источнике (рис. 6.7, б): 1а1 а.б. Летнрованне чием точки перегиба и почти экспоненциальным вхвостомз после этой точки.
Под глубиной диффузионного слоя (глубиной диффузии) понимают координату х = Ьн, при которой концентрация введенной примеси Ф равна концентрации исходной примеси зто (рис. 6.7). Величину 1,н нетрудно найти из выражений (6.4), полагая в левой части Ф = Мо. Аппроксимируя функцию (6.4а) экспонентой, получаем для неограниченного источника ЬН -- 2 (гтг )П(Хз уМ0 ) Ь„= 2,/Зг 1п Я зт о к111 Оба выражения имеют одинаковую структуру и позволяют сделать два важных общих вывода: и время проведения диффузии пропорционально квадрату желательной глубины диффузии; поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого времени; в ИС глубина рабочих диффузионных слоев обычно лежит в пределах 1-4 мкм; и при заданной глубине диффузионного слоя изменения коэффициента диффузии эквивалент- 10 ~с 10 -7 ны изменениям времени процесса. 1О " Второй вывод заслуживает более детального рассмотрения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
