книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

ции примесей в исходном полупроводнике. (Иначе гово­ ря, глубина перехода близка к расстоянию до перехода от края маскирующего слоя вдоль поверхности кристал­ ла.) Это, конечно, относится к участкам, удаленным от углов отверстий в маскирующем слое. В работе [Л. 4-42] показывается, что вблизи этих углов форма переходов близка к сферической.

Все это относится к диффузии в равномерно легиро­ ванный полупроводник. Если речь идет, например, об эмиттерной диффузии при создании планарных транзи­ сторных структур, то в этом случае форма перехода у края маскирующего слоя может быть далека от сфе­

В местах искривления границы р-п перехода может воз­

(рис. 4-25), в которых устраняются участки р-п перехо­ дов с малыми радиусами кривизны.

В работах [Л. 4-44 и 4-45] рассматривается вопрос о возникновении дефектов вследствие локализованной диффузии при создании планарных структур. Авторами

182

этих работ показано, что, помимо обычных дислокаций, возникающих при диффузии в кремний примесей с вы­ сокой концентрацией, при создании планарных структур возникают дополнительные дефекты. Эти дефекты пред­ ставляют собой упругие напряжения и дополнительные дислокации, расположенные у края окисла и изгибаю­ щиеся по направлению к поверхности кремния. В отли­ чие от обычных дислокаций, возникающих при одномер­ ной диффузии, направление этих дополнительных дисло­ каций таково, что диффузия вдоль них может приводить к появлению бракованных структур. Подобные де­ фекты образуются в ре­ зультате аномальных сжи­ мающих напряжений, воз­ никающих вследствие расположения рядом друг

сдругом силы-юлегиро- кольцом, позволяющая повысить

фектов наблюдалось при проведении второй стадии диффузии фосфора на сравнительно малую глубину при Тж1 150°С (в процессе изготовления эмиттерных обла­ стей планарных высокочастотных транзисторов). Веро­ ятность образования подобных дислокаций уменьшалась,

тельные напряжения в планарных структурах возникают не только в кремниевых пластинах, но и в покрывающих

расширения слоя и подложки. Величина этих напряже­

очевидно, соответствуют сжимающие напряжения в крем­ ниевых подложках, однако вследствие очень малой тол­ щины защитных слоев сжимающие напряжения в крем­ нии достаточно малы и вряд ли опасны для планарных структур.

183

4-8. ОСОБЕННОСТИ С О З Д А Н И Я ПЛАНАРНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СТРУКТУР

В последнее время в связи с развитием технологий создания планарных СВЧ транзисторов возник ряд про­ блем, касающихся диффузии примесей на очень малые глубины. Речь идет о получении р-п переходов глубиной до 0,4—1,0 мкм (коллекторный переход) и глубиной до 0,1—0,4 мкм (эмиттерный переход).

С частью из этиух проблем мы уже сталкивались в предыдущих параграфах, но в связи с диффузией на малые глубины они встают особенно остро. Среди них можно, например, упомянуть необходимость полного удаления нарушенного слоя. Ведь то, на что в обычных структурах можно было не обращать внимания, — нару­ шенный слой толщиной, скажем, 0,2 мкм — в данном случае вообще не позволит создать транзисторную струк­ туру. О методах устранения поверхностного нарушенно­

верхности кремния слои толщиной 500 А.

Надо сказать, что использование методов двухстадийной диффузии для создания базовых областей малой толщины становится нежелательным. При окончательной глубине коллекторного перехода 0,3—0,4 мкм и в слу­ чае необходимости снижения поверхностной концентра­ ции после первой стадии хотя бы на порядок величины это означает, что первая стадия диффузии должна про-

о

водиться на глубину в 200—300 А. Трудно рассчитывать на то, что при этом можно обеспечить равномерное введение примеси с точностью до нескольких процентов. Одностадийное проведение диффузии примеси при создании базовых областей имеет еще одно преимущест­ во. При не слишком высоких поверхностных концентра­ циях можно рассчитывать на то, что в процессе диффу­ зии не будет возникать серьезных структурных дефек­ тов, особенно нежелательных в столь тонких структурах. В связи с этим в планарных СВЧ транзисторах создание базовой области, по-видимому, целесообразнее всего осуществлять с помощью диффузии из жидкого или

184

газообразного источника, порошка или легированного окисла.

Вопросам диффузии фосфора на небольшие глуби­ ны посвящена опубликованная недавно работа [Л. 4-47].

несколько выше, такая диффузия позволит получить более мелкие переходы. При диффузии фосфора на столь малые глубины его распределение в кремнии име­ ло вид, показанный на рис. 4-26. Полученные в [Л. 4-47] результаты указывают на то, что при введении фосфора на очень малые глубины происходит как бы диффузия двух модификаций фосфора или двух фаз. Одна из них, диффундирующая быстро,—обычный элементарный фос­ фор, диффундирующий на основе вакансионного меха­ низма по узлам решетки. На границе раздела между фазами концентрация быстро диффундирующей фазы равна 2> 101 9 —1 - 102 0 ат/см3. Ее коэффициент диффузии определяется концентрацией вакансий, а также нали­ чием градиента вакансий. В связи с наличием на по­ верхности второй фазы, которая может служить стоком для вакансий, весьма вероятно появление в образце направленного потока вакансий из объема к поверхно­ сти. Поэтому коэффициент диффузии быстро диффун­ дирующей фазы может быть несколько выше у границы раздела фаз и несколько снижаться при удалении от нее. Вторая фаза представляет собой скорее всего фос­ фид кремния, что совпадает с результатами, получен­ ными в работе [Л. 4-48]. Если предположить, что соеди­

для элементарного фосфора. Предположение о том, что начальный плоский участок на кривых рис. 4-26 связан

связана, по-видимому, с диссоциацией и рекомбинацией соединения SiP.

Помимо только что рассмотренного характерного распределения примесей, пленарные СВЧ транзистор-

J85

Ои практически не проявляется, если концентрация ба­ зовой примеси вблизи эмиттерного перехода намного меньше 1018 ат/см3 и если толщина базовой примеси под эмиттером больше 2 мкм. Возможно, что процесс вы­ давливания происходит во время охлаждения после диффузии эмиттера. Во всяком случае некоторые иссле­ дователи сообщают, что при более медленном охлажде­ нии явление выдавливания может быть выражено силь­ нее, чем при быстром.

В {Л. 4-49] было предположено, что эффект выдав­ ливания вызывается потоком вакансий, генерирован­ ным диффундирующим в кремний фосфором. Другие

реди перехода могут распространяться дислокации. Об этом уже говорилось. В дополнение можно указать, что, по данным [Л. 4-50], при диффузии фосфора с поверх­

стигать 107 1/сл*2. Авторы этой работы и автор [Л. 4-51] указывают, что при изучении эффекта 'выдавливания никогда не наблюдалось накопление акцепторных при­ месей в базе перед эмиттерным переходом и что по­ этому эффект выдавливания не может быть обусловлен оттеснением акцепторов диффундирующими донорами, а может вызываться потоком вакансий или движущи­ мися впереди перехода дислокациями. Кстати, образо­ вание и движение дислокаций может происходить осо­ бенно интенсивно при охлаждении, когда их появление связано со снятием напряжений, 'вызванных различием коэффициентов расширения сильно и слабо легирован­ ного кремния. В работе [Л. 4-52] указывается, что при движении дислокаций в местах их пересечения может генерироваться большое число вакансий. Именно эти вакансии могут увеличивать коэффициент диффузии базовой примеси.

В последнее время появился ряд предложений, на­ правленных на то, чтобы избавиться от эффекта выдав­ ливания. Часть из них связана с созданием планарных диффузионно-эпитаксиальных структур, а часть — с ис­ пользованием для легирования эмиттера ионных пучков. Можно предполагать, что если с помощью чисто диф­ фузионной планарной технологии удалось довести /т

187

транзисторных кремниевых структур до 7—10 Ггц, то дальнейшее увеличение частотных свойств кремниевых транзисторов потребует безусловного дополнения диф­

с диффузией и ее использованием для создания пленар­ ных кремниевых приборов. Кратко рассматривались фи­ зические процессы, определяющие диффузию примесей в полупроводниковых монокристаллах, основные мате­ матические решения, описывающие диффузию, и пара­ метры, характеризующие диффузию различных приме­ сей в кремнии. Основное внимание было уделено обзору различных методов осуществления диффузии доноров и акцепторов в кремнии и рассмотрению причин, приводя­ щих к тому, что коэффициент диффузии ряда практи­ чески важных примесей нельзя рассматривать как постоянную величину, даже в условиях данного кон­ кретного эксперимента. Были также затронуты вопросы, специфичные для диффузии при создании планарных кремниевых структур, в том числе и структур современ­ ных приборов.

Из материала настоящей главы можно сделать вы­ вод о том, что основная задача, стоящая перед диффу­

чей является также разработка методов диффузии,

Внастоящее время большое внимание уделяется

разработке методов автоматизации процессов планар­ ной технологии, использования в управлении технологи­ ческими процессами вычислительной техники, а также разработке путей прогнозирования параметров полу­ проводниковых структур на основе исходных данных технологических процессов и известных характеристик используемого для изготовления приборов кремния.

Из материала данной главы ясно, что нельзя рассчи­ тывать на нахождение более или менее точных аналити­ ческих связей между исходными данными и конечным результатом диффузионных процессов — идет ли речь

188

счетной техники может быть получен ответ на постав­

Г Л А В А •П Я Т А Я

ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

5-1. С У Щ Н О С Т Ь Ф О Т О Л И Т О Г Р А Ф И Ч Е С К О Г О М Е Т О Д А И Е Г О Р О Л Ь В П Л А Н А Р Н О Й Т Е Х Н О Л О Г И И

В планарной технологии диффузию в ряде случаев с успехом заменяет ионное легирование. Многие планарные приборы выпускают без применения эпитаксиального наращивания; для планарной тех­

требуемой конфигурации. Для этой цели на подложку наносят слой светочувствительного и стойкого к воздействию агрессивных факто­ ров вещества, называемого фоторезистом. Затем слой фоторезиста экспонируют, т. е. подвергают воздействию излучения, чаще всего ультрафиолетового. При этом между источником излучения и "слоем помещают фотошаблон с изображением элементов прибора. В ре­ зультате локального действия излучения свойства резиста изменя­ ются в нужных участках. Последующая операция проявления пре­ вращает скрытое изображение в реальное за счет удаления части

189

слоя реэиста. Образовавшийся рельеф используется как защитная маска при травлении подложки или локальном нанесении на нее каких-либо веществ, чаще всего металлов.

Таким образом, -с помощью фотолитографии создается геомет­ рия пленарного прибора, его активных областей, контактов, соедине­ ний и т. д. Операции фотолитографии, как уже описывалось в гл. 1, многократно повторяются в процессе изготовления -планарных при­ боров. На каждом этапе фотолитографии изображения точно со­ вмещают с полученными ранее. Если учесть, что на фотошаблоне содержится до 10 тыс. элементов, минимальные размеры которых мо­

При фотолитографической обработке изображение может быть создано либо посредством проекции изображения фотошаблона через объектив на поверхность слоя фоторезиста, либо непосредственно, путем плотного контакта фотошаблона со слоем. Первый способ издавна применяется при изготовлении фотошаблонов. Отличитель­ ными чертами при этом являются высокая разрешающая способ­ ность -получаемых изображений, но малые размеры рабочего поля, поэтому оптическую проекцию сочетают с механическим перемеще­ нием пластины, покрытой эмульсией или фоторезистом. Такой оптикомеханический метод допустим при изготовлении фотошаблонов, но для фотолитографии планарных структур производительность его слишком низка. Здесь требуется одновременно создавать изображе­ ния малых размеров на больших полях, размеры которых состав­ ляют 40—80 мм. Создание объектов, способных решить такую за­ дачу, является сложной проблемой. Этим объясняется малая рас­ пространенность проекционной фотолитографии, хотя она и имеет перед контактной ряд серьезных преимуществ, рассматриваемых далее.

В настоящее время оптическая контактная фотолитография ис­ пользуется почти повсеместно, поэтому материал главы излагается главным образом применительно к этому методу. Мы старались создать более или менее цельную картину явлений, протекающих при экспонировании и проявлении слоя фоторезиста, и вывести аналити­ ческие зависимости, описывающие эти явления. Вслед за этим в гла­ ве рассматриваются практические вопросы фотолитографии и пробле­ мы, специфические для создания планарных приборов, а в заключе­ ние — перспективные методы создания изображений.

5-2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОТОРЕЗИСТОВ

ИПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ИХ ОБРАБОТКЕ

Внаиболее общем смысле термином фоторезисты

обозначают сложные полимерно-мономерные системы, в которых под действием излучения определенного спек­ трального состава протекают фотохимические процессы. Полезным для нас результатом этих процессов является локальное .изменение растворимости полимерной систе­ мы. Если растворимость экспонированного участка воз­ растает, фоторезист называют позитивным; фоторезисты,

190

у которых растворимость после облучения падает, носят название негативных. После обработки экспонирован­ ного слоя фоторезиста в составе, удаляющем раствори­ мые участки, образуется рельефное изображение. Остав­ шиеся участки слоя должны быть устойчивы к воздей­ ствию агрессивных факторов — кислот, щелочей и т. д. Заметим, что полимерные системы, способные к обра-

зованию защитных рельефов, могут быть чувствительны не только к видимому или ультрафиолетовому излуче­ нию, но и к другим видам излучения — рентгеновскому или к потоку электронов.

На рис. 5-1 показано, как образуется рельеф при использовании негативного и позитивного фоторезистов. Описание многочисленных светочувствительных систем читатель может найти в работах (Л. 5-1—5-4J. Укажем лишь на то, что процессы, лежащие в основе образова­ ния рельефного изображения, делятся на три группы:

1)собственно фотополимеризация и образование не­ растворимых участков. Наиболее типичными представи­ телями системы, в которой используется этот процесс, являются негативные фоторезисты — эфиры коричной кислоты и поливинилового спирта;

2)сшивка линейных полимеров радикалами, обра­ зующимися при фотолизе светочувствительных соедине­ ний. Использование каучуков с добавками светочувстви­

тельных веществ, таких, например, как бисазиды

191