1.3. Порядок выполнения работы

1. Получить инструктаж по технике безопасности от руководителя работы.

2. Ознакомиться с установкой термического окисления, её описанием и техническими характеристиками.

3. Получить от руководителя работы задание на режимы терми­ческого окисления пластин кремния (температура, время, виды окис­лителя, расходы газов).

4. Проверить температуру в рабочей зоне установки с помощью термопары и температуру воды в водяной бане с помощью термометра.

5. Установить начальные расходы газов в соответствии с за­данным режимом окисления с помощью соответствующих вентилей и ро­таметров (по указанию руководителя).

6. Подготовить контрольные пластины кремния для окисления. Поместить пластины в пазы кварцевой лодочки.

7. Вдвинуть лодочку с пластинами в рабочую зону установки с помощью автоматического загрузчика или вручную.

8. Провести процесс термического окисления в соответствии с заданными режимами.

9. По окончании процесса выдвинуть лодочку с окисленными пластинами кремния из печи, установить заглушку на кварцевую трубу.

10. Переложить окисленные пластины из кварцевой лодочки в тару.

11. Измерить толщину оксида на нескольких окисленных пластинах. Оценить наблюдаемый разброс толщин.

12. Рассчитать толщину оксидного слоя для проведенного заданного режима термического окисления в соответствии с формулами (1.1)  (1.5).

13. Сравнить результаты расчета с экспериментальными данными.

1.4. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1. Краткие сведения о методах и о механизме термического окис­ления кремния.

2. Схему установки термического окисления; её описание и технические характеристики.

3. Краткое описание методики измерения толщины термического оксида.

4. Результаты измерений и расчеты толщин оксида для заданного режима термического окисления.

5. Выводы по работе.

1.5. Контрольные вопросы

1. Приведите виды окислителей и механизм термического окисления кремния.

2. Опишите кинетику термического окисления.

3. Укажите способы увеличения скорости термического окисления.

4. Укажите способы улучшения качества термического оксида.

5. Приведите основные параметры термического оксида и опишите методики их контроля.

Список рекомендуемой литературы

Королёв М. А., Крупкина Т. Ю., Ревелева М. А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных схем. М.: Бином, 2009. С. 5890.

Технология СБИС / под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. Кн. 1. Гл. 4. С. 174226.

Окисление. Диффузия. Эпитаксия / под ред. Р. Бургера и Р. Донована. М.: Мир, 1969. С. 13185.

Лабораторная работа 2

ДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Цель работы: изучение технологии получения легированных слоев кремния методом диффузии легирующих примесей из жидких и из твердых источников; исследование параметров полученных диффузионных слоев.

2.1. Общие сведения

В планарной технологии ИМС диффузия легирующих примесей при­меняется для создания локальных областей и легированных слоев n- и p-типа проводимости с заданным распределением примеси по глубине. Диффузионные слои используются при формирования активных и пассивных элементов ИМС для изоляции их друг от друга, подлегирования омических контактов, создания скрытых легированных слоев. Основными параметрами диффузионных слоев являются поверхностное (слоевое) сопротивление, глубина pn-перехода и поверхностная концентрация легирующей примеси.

К процессу диффузионного легирования и параметрам диффузионных слоев предъявляются следующие требования:

• процесс диффузионного легирования должен обеспечивать воспроизводимое получение легированных слоев кремния с требуемыми параметрами (слоевое сопротивление, глубина, поверхностная концентрация);

 диффузионные слои должны быть однородными по слоевому поверх­ностному) сопротивлению с разбросом, не превышающим 10 %;

 диффузионные слои должны быть однородными по глубине с разбросом, не превышающим 10 %;

 диффузионные слои должны иметь заданную поверхностную кон­центрацию с разбросом по пластине не более 20 %.

Поверхностное сопротивление диффузионных слоев R_s определяется четырёхзондовым методом:

R_s = /ln2·V₂₃/I₁₄,

где V₂₃  падение напряжения между центральными зондами 2 и 3, I₁₄  ток между крайними зондами 1 и 4. Глубина залегания pn-пе­рехода x_j определяется методом окрашивания косых, или шар-шлифов. Поверхностная концентрация легирующей примеси C_s определяется по расчетным зависимостям C_s от средней проводимости слоя _s = 1/(R_sx_j) при различных значениях

о бъёмной концентрации примеси С_b  кривым Ирвина (рис. 2.1). В случае диффузии из бесконечного источника (стадия загонки) берутся кривые для erfс-распределения, а в случае диффузии из ограниченного источника (стадия разгонки)  кривые для гауссовского распределения.

О

Рис. 2.1. Зависимость поверхностной концентрации от проводимости диффузионных слоев: 1, 2 – p-тип; 3, 4 – n-тип; 1, 3 – erfc-распределение;

2, 4 – распределение Гаусса

бъёмная концентрация примеси С_b определяется по удельному сопротивлению (рис.2.2): C_b = 1/(e), где e  заряд электрона,   подвижность носителей заряда, зависящая от концентрации примеси и типа проводимости.

П

Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления от объёмной концентрации примеси

роцесс диффузии легирующих примесей в кремний может прово­диться из жидких, твердых или газообразных источников. В качестве основных легирующих примесей в кремнии используются элементы V (донорные примеси: P, As, Sb) и III (акцепторные примеси: B, Al) групп таблицы Менделеева. В промышленной технологии из-за высокой токсичности практи­чески всех газообразных соединений этих элементов используют жидкие и твердые источники примесей легирующих примесей. Для обеспечения высокой производительности процесс диффузии проводится по методу открытой трубы (в потоке газа-носителя). В качестве жидких источников используются BBr₃

(t_кип = 90 С), PCl₃ (t_кип = 75 C). В качестве твердых источников использу­ют пластины нитрида бора BN или пластины на основе компонента SiP₂O₇.

С хема установки для диффузионного легирования из жидкого ис­точника показана на рис. 2.3. Установка представляет собой проточ­ный кварцевый реактор 1, находящийся внутри термической печи 2. Пары диффузанта подаются в реактор газом-носителем N₂, пропущен­ным через барботер 3, заполненный жидким диффузантом BBr₃ или PCl₃ и помещенный внутрь термостабилизатора 4. В остальном схема аналогична установке термического окисления (см. рис.1.1).

Рис. 2.3. Схема установки диффузионного легирования

из жидкого источника

В реакционную зону подаётся также сухой кислород. В горячей рабочей зоне установки при температурах диффузии 900...1000 С происходят следующие химические реакции:

 окисление паров диффузанта:

4BBr₃ + 3O₂  2B₂O₃ + 3Br₂;

 окисление поверхности кремния:

Si + O₂  SiO₂;

 образование боросиликатного стекла на поверхности кремния:

mSiO₂ + nB₂O₃  mSiO₂·nB₂O₃.

На границе раздела стекла с кремнием идет реакция восстановления примеси из оксида бора:

2B₂O₃ + Si  3SiO₂ + 4B.

Из примесно-силикатного стекла легирующая примесь диффундирует в кремний. Слой стекла является не только источником примеси, но также предохраняет поверхность кремния от эррозии и служит гетте­ром для загрязняющих быстродиффундирующих примесей.

В случае проведения диффузии из твердых источников их распо­лагают между рабочими кремниевыми пластинами на той же кварцевой лодочке. Расстояние между пластиной и источником должно быть не более 2 (где D  коэффициент диффузии примеси в газовой фазе,  время диффузии) и составляет, обычно, 3...5 мм. Диаметр пла­нарного источника должен быть не меньше диаметра рабочих кремние­вых пластин.

Планарный источник из нитрида бора требует предварительной активационной термообработки в сухом кислороде для образования на поверхности легируемых пластин оксидного слоя:

4BN + 7O₂  2B₂O₃ + 4NO₂.

Планарный фосфорный источник активации не требует, так как разлагается с выделением Р₂O₅. В присутствии сухого кислорода на поверхности легируемых пластин идут реакции окисления кремния:

Si + O₂  SiO₂

и образования примесно-силикатного стекла:

mP₂O₅ + nSiO₂  mP₂O₅·nSiO₂,

из которого и осуществляется диффузия примеси.

Диффузионное легирование в планарной технологии обычно проводят в две стадии. Первая стадия  диффузионная загонка из примесно-силикат-ного стекла соответствует диффузии из неограниченного (постоянного) источника:

C(x,) = C_повerfc[x/(2 )], (2.1)

где С_пов  поверхностная концентрация легирующей примеси, которая на стадии загонки обычно поддерживается на уровне предельной растворимости C_s; x  глубина; D  коэффициент диффузии (D = D₀exp(E/kT), D₀  предэкспоненциальный множитель, E  энергия активации, T – абсолютная температура, k –постоянная Больцмана (k = 8.62·10^–5 эВ/K));  время диффузии. Параметры основных легирующих примесей в кремнии приведены в табл. 2.1.

Вторая стадия  диффузионная разгонка проводится после уда­ления источника примеси – примесно-силикатного стекла, как прави­ло, при более высоких температурах и длительностях. На этой ста­дии распределение примеси соответствует случаю диффузии из огра­ниченного источника

С(x,) = Q/ ·exp[x²/(4D)] (2.2)

где Q  количество примеси в слое после первой стадии:

Q = . (2.3)

Таблица 2.1

Примесь	Коэффициент диффузии		Предельная растворимость при t = 1000...1200 С
	D0, см2/с	E, эВ	Сs, см–3
B	25	3,51	(4,0...5,5)·1020
Al	4,8	3,36	(1,8...2,1) ·1019
P	10,5	3,69	(1,0...1,5) ·1021
As	68,6	4,23	(1,5...2,0) ·1021
Sb	12,9	3,98	(4,0...6,0) ·1019

Параметры легирующих примесей в кремнии

Вторую стадию диффузии обычно совмещают с процессом термического окисления (см. лаб. раб. 1). Изменением режимов проведения первой и второй стадий диффузии можно получить заданные параметры диффузи­онных слоев.