ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

30

ные слои структур разного типа проводимости. По условиям проведения различают варианты способа:

–по площади обработки — общую и локальную диффузии;

–по мощности источника примеси — диффузию из ограни-

ченного и неограниченного источников;

–по повторяемости проведения процесса — однократную

имногократную, одностадийную и многостадийную диффузии.

Результаты общей и локальной диффузий иллюстрирует ри-

сунок 2.5.

а б

Рисунок 2.5

Согласно рисунку общая диффузия приводит к образованию диффузионного слоя по всей поверхности пластины (см. рис. 2.5, а), а при локальной диффузии формируется слой через окно в маске, расположенной на поверхности пластины (см. рис. 2.5, б). Диффузионный слой отличается неоднородностью распределения примесей по глубине пластины (координата Х на рис. 2.5) при общей диффузии, а при локальной диффузии — неоднороден и по глубине, и по поверхности пластины, вследствие проникновения примесей под маску. Для приближенных расчетных оценок глубин диффузионного проникновения примесей в пластину применяются две формы описания распределения примесей в пластине в зависимости от «мощности» источника атомов примеси при проведении диффузии.

Случай неограниченного источника характеризуется посто-

янством концентрации атомов примеси Nо[см–3] на поверхности пластины в процессе проведения диффузии. Распределение примеси в диффузионном слое в этом случае определяется выражением

где N(x,t)— концентрация примеси на глубине Х к моменту времени t;

No[см–3] — концентрация примеси на поверхности слоя; erf (x/2 √D t) — функция ошибок (error function complemen-

tary) аргумента Z= x/2 √D t;

erfc Z — дополнительная функция ошибок (error function complementary) аргумента Z= x/ erf Z;

D [см2/сек] — коэффициент диффузии примеси в полупроводнике;

t [сек] — время диффузии примеси.

Графическая форма функции erfc Z представлена на рисунке 2.6 в полулогарифмическом масштабе

1, 2 — индексы кривых и параметра Dt, Dt1 < Dt2

Рисунок 2.6

Функции erf Z, erfc Z являются табличными. Для аналитического представления при Z < 3,5 может применяться аппроксимация вида [6]

которую, с учетом (2.1), можно применить к определению значе-

ний erf Z.

32

Распределение вида (2.1) имеет место на стадии легирования поверхности, для создания тонкого слоя с фиксированным количеством примесного вещества (стадия «загонки») либо в условиях заключительной диффузии, не связанной с последующей температурной обработкой пластины без доступа атомов примеси. Количество атомов примеси на единицу площади слоя (доза накопления),

где значение параметра Dз t3 соответствует температурному режиму и времени t3 проведения стадии «загонки». Диффузия, ха-

рактеризуемая постоянством концентрации No в процессе ее выполнения, определяется как однократная диффузия.

Случай ограниченного источника характеризуется постоянством количества атомов примеси в слое в процессе диффузии.

Это условие имеет место, когда на поверхности пластины перед проведением диффузии формируется пренебрежимо тонкий слой, в сравнении с толщиной получаемого диффузионного слоя, с фиксированной поверхностной плотностью Q. Один из вариантов такого слоя реализуется на стадии «загонки». Распределение примеси в диффузионном слое, формируемом из ограниченного источника, представляется выражением

N(x,t) =(Q/√ π Dр tр) exp (–Z2) = No exp (–Z2), (2.4)

в котором:

Dр tр — параметр соответствует температуре и времени tр процесса формирования диффузионного слоя;

No[см–3] — поверхностная концентрация в слое после завершения процесса;

Z= x/2 √Dр tр.

Стадию формирования диффузионного слоя из ограниченного источника определяют как стадию «разгонки» примеси. «Разгонка» примеси в слое происходит во время любой высокотемпературной обработки пластины, в которую произведена предварительная «загонка» примеси. По существу процесс формирования диффузионного слоя при ограниченном количестве внедряемых атомов примеси является многократным, многостадийным. В многостадийном процессе формирования диффузионного слоя произведение Dр tр может в первом приближении рас-

33

сматриваться как интегральный и значение его оценивается по выражению [1]

n

где n — число стадий процесса «разгонки» примеси.

Наряду с многостадийностью процесса формирования отдельно взятого слоя, процесс формирования многослойной структуры основывается на многократном проведении процессов легирования пластины с чередованием донорных и акцепторных примесей. В формировании слойного состава структуры ИМС диффузия, как процесс легирования, может применяться и один раз на всю структуру (однократный процесс), и несколько раз (многократный процесс). Ограничения на очередность применения процесса диффузии в формировании слоев структуры по отношению к иным процессам формирования слоев отсутствуют. Поэтому в многослойной структуре смежными по времени формирования могут быть:

–слои диффузионные;

–диффузионный слой и равномерно легированная пластина;

–диффузионный и эпитаксиальный слои;

–диффузионный и полученный ионной имплантацией

слои.

Если смежные слои отличаются типом проводимости, то между ними образуется p-n-переход. Условием его образования, если хотя бы один из слоев диффузионный, является равенство

где N исх— концентрация примеси в смежном слое на границе сопряжения с диффузионным слоем (см. рис. 2.5)

Условие (2.6) может быть выполнено, если значение No диффузионного слоя в сравнении с предшествующим слоем

Границу полной компенсации между донорной и акцепторной примесями слоев определяют как металлургическую границу p-n-перехода с плавным распределением концентрации примеси в нем.

34

Достижимые уровни поверхностной концентрации в диффузионных процессах определяются предельной растворимостью примеси в примененном полупроводниковом материале. Для кремния, например, уровень растворимости не превышает

(5 1020–1 1021) см–3.

Коэффициент диффузии примеси зависит от температуры, вещества примеси и легируемого основания. Температурные зависимости коэффициента D для

примесей в кремнии приведены на рисунке 2.7 [7].

Эпитаксиальное наращива-

ние — это процесс ориентированного наращивания слоя вещества на исходном монокристалле — подложке. Автоэпитаксией (го-

моэпитаксией) называют ориентированное наращивание слоя вещества на основу из того же материала, возможно, отличаю-

щегося от подложки только примесным составом. Ориентированное наращивание вещества на подложку инородного состава называют гетероэпитаксией.

Процесс наращивания проводится при высоких температурах (1100–1200) С (подобно диффузии) при сравнительно высокой скорости роста слоя (0,1–0,5) мкм/мин. Распределение примеси в легированном эпитаксиальном слое (ЭПС) для проектных расчетов обычно принимается квазиравномерным. Современная технология формирования многослойных структур допускает однократное применение ЭПС, преимущественно в качестве слабо легированных глубинных слоев структуры. Эпитаксиальные слои могут наращиваться на совместимые по форме кристаллической решетки полупроводниковые или диэлектрические подложки. В производстве ИМС пластины монокристаллического полупроводника или диэлектрика с нанесенным ЭПС могут поставляться специализированными предприятиями. Под ЭПС, по согласованию с потребителем, могут предварительно формироваться локальные «скрытые» диффузионные слои.

35

В проектных расчетах металлургическую границу раздела ЭПС и монокристаллической полупроводниковой подложки обычно рассматривают как ступенчатый переход, а при разных типах проводимости — как резкий p-n-переход со ступенчатым изменением концентрации в нем.

Благодаря квазиравномерному распределению примесей применение ЭПС в конструкциях элементов ИМС позволяет в необходимых случаях снизить сопротивление слоев, расширить диапазон рабочих напряжений ИМС. Высокая, по сравнению с диффузией, скорость роста слоя позволяет повысить производительность труда по производству кристаллов ИМС.

Ионная имплантация (легирование) примесей наряду с диф-

фузией широко используется в технологии изготовления ИС. В биполярных ИС применение ионного внедрения упрощает процесс получения эмиттеров малых площадей, поскольку здесь при локальном внедрении практически отсутствует боковое проникновение примеси под защитную маску. Низкие, в сравнении с диффузией, температуры проведения имплантации, исключают перераспределение примеси, позволяют совершенствовать технологию производства и технические показатели ИМС, сократить процент производственного брака. Для процесса ионного внедрения примеси характерны высокая однородность легирования поверхности пластины, точный контроль количества внедренной примеси. Применение ионной имплантации на стадии загонки примесей обеспечивает высокую повторяемость структур и электрических параметров элементов ИС.

Распределение примеси при имплантации представляется выражением [5]

где Rp[см] — средний пробег имплантируемых ионов; dRp[см] — среднее квадратичное отклонение пробега;

Q[см–2] — поверхностная плотность примеси (доза 1/см2) при имплантации;

P[Кл/см–2] — доза облучения в процессе имплантации. Параметр Rp определяется экспериментально, либо в расче-

тах применяются табулированные значения [5] пробегов для наи-

36

более распространенных систем «ион — мишень». Параметры dRp, Q, P оцениваются по формулам

dRp = (2 M1 M2) / 3 (M1+M2)2; Q = P/ q Z;

P = j t,

в которых обозначены:

М1, М2 — соответственно массы имплантируемых ионов и мишени;

qZ — заряд иона;

j(Кл/см–2 сек) — плотность потока имплантируемой примеси; t(сек) — время имплантации.

Cредний пробег и сред-

–для бора: lg(Rp) = –1,64 +1,24 lg(Е/10) – 0,16 lg2(Е/10); lg(Rp) = –1,84+0,67 lg(Е/10) – 0,085 lg2(Е/10);

–для фосфора: lg(Rp) = – 2,0 +1,5 lg(Е/10) – 0,23 lg2(Е/10); lg(dRp) = –2,30+1,15 lg(Е/10)–0,20·lg2(Е/10);

–для мышьяка: lg(Rp) = –2,20 +1,30 lg (E/10) – 0,12 lg2(E/10);

lg (dRp) = – 2,70 + 0,85 lg (E/10).

Выражение (2.8) соответствует нормальному закону распределения примеси относительно среднего пробега Rp. В качестве примера на рисунке 2.9 приведены распределения имплантированных атомов бора по глубине мишени для ряда значений энер-

37

гий ионов при дозе имплантации 1015 ион/см2, которые наглядно иллюстрируют изменение максимумов концентраций и рассеяния атомов примеси по глубине мишени.

Рисунок 2.9

Для учета диффузионного перераспределения примеси в процессе отжига или иной высокотемпературной обработки имплантированного слоя пользуются следующим описанием распределения [1, 5]

N(x)=[Q/√2π (dRp2+2 Dр tр)]exp{– (x–Rp)2 /[2 (dRp)2+2 Dр tр]}, (2.8a)

где Dр tр [см2] — произведение коэффициента диффузии примеси Dр на время процесса температурной обработки tр.

Диапазон значений Rp для имплантируемых слоев не превышает (0,5–0,8) мкм, а допустимые значения дозы имплантации

зависят от материала мишени легирующей примеси, не превышая

(1014–1015) ион/см2.

2.6 Кремниевые пластины с ЭПС

Эпитаксиальные кремниевые структуры выпускаются в виде круглых пластин диаметром 60, 80, 100 и 125 мм, толщиной 200...400 мкм. Принято обозначать марку эпитаксиальной структуры в виде дроби, в числителе которой дается характеристика эпитаксиального слоя, а в знаменателе — характеристика кремниевой подложки. Перед дробью ставится цифра, указывающая диаметр эпитаксиальной структуры.

38

7 КЭФ 0,3

Пример: 100

200 КДБ 10 (111)

Обозначение расшифровывается следующим образом: пластина 100 мм с эпитаксиальной пленкой кремния электронной проводимости, легированной фосфором, с удельным объемным сопротивлением 0,3 Ом см, толщиной 7 мкм, выращенной на кремниевой ориентированной по плоскости (111) подложке с дырочной проводимостью, легированной бором, с удельным сопротивлением 10 Ом см, толщиной 200 мкм.

Дополнительные параметры структуры, например диффузионная длина или время жизни носителей заряда, плотность дислокаций и другие, указываются в паспорте на структуру.

2.7Кремниевые пластины с ЭПС и скрытыми слоями

Такие структуры изготавливаются по специальным заказам под конкретную полупроводниковую микросхему, так как положение скрытого слоя строго определено размещением элементов (топологией) в микросхеме.

В обозначении указываются [2]:

–диаметр пластины (60, 80, 100 и 125) мм;

–толщина пластины (300...400) мкм;

–толщина эпитаксиального слоя (6,0...15) мкм с допуском

±10 %;

–удельное сопротивление эпитаксиального слоя (0,15...5,0)

Ом см;

–толщина скрытого слоя (2,5...10) мкм;

–поверхностное сопротивление скрытого слоя (5...50) Ом. Структура со скрытым слоем обозначается и расшифровы-

вается согласно приводимому [1, 2] далее примеру:

1007 КЭФ 0,3/2,5 КЭС 30

300 КДБ 10 (111)

39

— кремниевая эпитаксиальная структура диаметром 100 мм, полученная на кремниевой подложке толщиной 300 мкм с дырочной проводимостью, легированная бором, с удельным объемным сопротивлением 10 Ом·см, ориентированная по кристаллографической плоскости (111); эпитаксиальный слой толщиной 7 мкм имеет электронную проводимость, легирован фосфором, с объемным удельным сопротивлением 0,3 Ом см; скрытый слой толщиной 2,5 мкм имеет электронную проводимость, легирован сурьмой, поверхностное удельное сопротивление скрытого слоя 30 Ом. Сведения о скрытом слое указываются в числителе после знака косой черты с той особенностью, что число после буквенного обозначения типа проводимости и вида легирующего скрытый слой элемента (в данном случае после букв КЭС) показывает не объемное, а поверхностное сопротивление скрытого слоя.

2.8Кремниевые пластины с полной диэлектрической изоляцией карманов

Пластины таких микросхем по расположению областей монокристаллического кремния, в которых формируют ее элементы, разделяют на два типа: подложки типа КВД (кремний в диэлектрике) и подложки типа КНД (кремний на диэлектрике). К диэлектрикам пластин (подложек) предъявляют следующие требования:

–материал подложки должен обладать малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и диэлектрической проницаемости;

–механическая прочность подложки должна быть достаточной при небольшой ее толщине;

–рабочая поверхность подложки должна поддаваться обработке не ниже чем до 14-го класса чистоты;

–температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР материала подложки должен быть согласован с ТКЛР монокристаллического кремния;

–материал подложки должен обладать высокой химической стойкостью к воздействию жидких и газовых сред, применяемых в производстве полупроводниковых микросхем;