3. Требования к отчёту

Отчёт по лабораторной работе от каждой бригады должен быть представлен в распечатанном виде и в электронном варианте в каталоге группы. Распечатанный вариант отчёта должен включать:

• титульный лист и лист индивидуальных лабораторных заданий;

• основные теоретические соотношения модели Дила-Гроува термического окисления кремния;

• результаты выполнения индивидуальных лабораторных заданий в виде таблиц и графиков, снабжённых подписями и комментариями;

• выводы по результатам исследования закономерностей термического окисления кремния, установленные при выполнении индивидуальных лабораторных заданий;

• сопоставление полученных результатов с литературными данными о закономерностях процесса термического окисления кремния.

На диске, в каталоге группы, кроме текста отчёта следует сохранить файлы вычислений, выполненных в ходе лабораторной работы.

4. Контрольные вопросы

4.1. Применение процесса термического окисления кремния в планарной технологии полупроводниковых ИМС.

4.2. Основные кинетические закономерности процесса термического окисления кремния.

4.3. Основные теоретические соотношения модели Дила-Гроува термического окисления кремния.

4.4. Параметры модели Дила-Гроува и их зависимость от условий окисления.

4.5. Лимитирующие стадии процесса термического окисления кремния и кажущаяся энергия активации для скорости роста слоя диоксида кремния при различных условиях окисления.

4.6. Объяснение основных кинетических закономерностей процесса термического окисления кремния в рамках модели Дила-Гроува.

4.7. Влияние ориентации и уровня легирования подложки на скорость роста слоя диоксида кремния при различных условиях окисления.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование процессов диффузионного легирования кремния методом численного эксперимента

Цель работы: изучение простейших математических моделей процессов диффузионной загонки и разгонки примесей. Исследование закономерностей процессов диффузионного легирования кремния электрически активными примесями методом численного эксперимента.

1. Теоретические сведения

1.1. Диффузионное легирование кремния в технологии

полупроводниковых интегральных микросхем

В планарной технологии кремниевых интегральных микросхем (ИМС) локальная диффузия через маску из диоксида кремния является одним из основных методов создания электронно-дырочных структур. На рис. 1а приведён простейший пример такой структуры, а на рис. 1б показано распределение в ней легирующих примесей вдоль нормали к поверхности пластины вдали от краёв маски. На рис. 1в представлены схематически процессы, протекающие при высокой температуре на поверхности кремниевой пластины, помещённой в окислительную газовую среду, содержащую пары диффузантов. Используемые в технологии кремниевых ИМС источники легирующих примесей перечислены в таблице 1. Атомы электрически активных примесей, высвобождающиеся на поверхности кремния благодаря восстановительной реакции, диффундируют вглубь пластины. Их выходу в газовую фазу препятствует образующийся слой диоксида кремния, в котором эти атомы диффундируют гораздо медленнее, чем в кремнии. В таблице 2 представлены параметры коэффициентов диффузии основных легирующих примесей в кремнии и в диоксиде кремния и приведены их значения при температуре 1000^оС /1/.

Рис.1. Формирование p-n перехода методом локальной диффузии с использованием маски из диоксида кремния:

а – структура p-n перехода, образованного в процессе локальной диффузии; б – распределение концентрации легирующей примеси по глубине пластины вдали от краёв маски; в – схематическое представление процессов при диффузии: 1 – осаждённый источник примеси; 2 – маска и растущий слой окисла; 3 – толщина слоя диоксида кремния, образующегося в ходе диффузионного легирования; 4 – р - область, получаемая путём локальной диффузии; 5 – монокристаллическая подложка кремния n – типа

На рис. 2 приведена схема установки для получения p-n переходов методом локальной термической диффузии. Чтобы процесс протекал с достаточной интенсивностью, температура пластин кремния не должна быть ниже 900 ^оС. При Т  1250^оС наблюдается термическая эрозия поверхности кремния, а также заметно размягчается кварц, из которого изготовлен реактор. Указанными факторами и определяется тот температурный интервал, в котором целесообразно проводить операцию локальной диффузии в технологии кремниевых ИМС.

Рис.2. Схема установки для получения p-n переходов методом локальной высокотемпературной диффузии. В качестве газа-носителя используется азот. Источники легирующих примесей могут быть газообразными (PH₃, AsH₃, B₂H₆) и жидкими (POCl₃, BBr₃).

Таблица 1

Источники легирующих примесей в кремнии (диффузанты)

Примесь	Твердый источник	Жидкий источник	Газообразный источник
B	B2O3 H3PO4	BBr3	BCl3, BF3, BI. B2H6
P	(NH4)2 HPO4, P2O5,	POCl3, PCl3, PBr3	PH3
As	(As-Si)-порошок As2O3		AsH3
Sb	(Sb-Si)-порошок Sb2O3, Sb2O3SiO2		SbH3

Таблица 2

Параметры коэффициентов диффузии основных легирующих элементов в кремнии и диоксиде кремния и их значения при Т=1000⁰С

Эле- мент	D	0, см2/с	Е,	эВ	D приT=1000°C, см2 /с
	в Si	в SiO2	в Si	в SiO2	в Si	в SiO2
B	0,76	1,2310-4	3,46	3.39	1,5910-14	4,8810-18
Al	8,0	-	3,70	-	1,8910-14	-
P	3,85	0.186	3,66	4,03	1,3110-14	2,1810-17
As	24	67,25	4,08	4,7	1,7810-15	1,7710-17
Sb	0,214	1,311016	3,65	8,75	7,9710-16	3,3610-19

Как показывает эксперимент, коэффициент диффузии примесей в твёрдом кремнии сильно зависит от температуры. Эта зависимость в широком диапазоне температур может быть описана законом Аррениуса:

, (1)

где D₀ (см²/с) – множитель с размерностью коэффициента диффузии; Е (эВ) – энергия активации диффузии; k = 8.6310 ^–5 эВ/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Вот почему для воспроизводимости результатов операции диффузионного легирования температуру в рабочей зоне реактора на этапе стационарного отжига необходимо поддерживать с очень высокой точностью: порядка 0.5К при Т~1300К.

На рис.3 показано распределение концентрации легирующих примесей в структуре интегрального n⁺-p-n биполярного транзистора вдоль нормали к поверхности пластины, проходящей через центр эмиттерной области. Помимо активных областей полупроводниковых ИМС методом диффузионного легирования формируют и достаточно протяжённые изолирующие области, области скрытых слоёв, области карманов КМОП ИМС и др.

Рис.3. Распределение концентрации примесей (схематически) в структуре интегрального n⁺-p-n транзистора (а) и распределение эффективных концентраций (б):

N_a^п - концентрация акцепторной примеси в подложке;

N_скр - концентрация донорной примеси в скрытом n⁺-слое; N_d^к - концентрация донорной примеси в эпитаксиальном слое коллектора; N_a^б - концентрация акцепторной примеси, полученная в процессе базовой диффузии; N_d^э – концентрация донорной примеси, полученная в процессе эмиттерной диффузии; N_d – эффективная концентрация донорной примеси в эмиттере; w - металлургическая ширина базы

Диффузионное легирование в технологии полупроводниковых ИМС часто проводят в две стадии. Первая стадия - загонка примеси – проводится при сравнительно невысоких температурах (900 – 1050^оС) в окислительной атмосфере с подачей диффузанта в реактор. Длительность загонки составляет около 30 – 40 минут. За это время легирующей примесью насыщается тонкий, порядка десятых долей микрона, приповерхностный слой пластины. Далее образовавшийся в ходе загонки слой примесно-силикатного стекла, насыщенный диффузантом, стравливают с поверхности пластины. Вторая стадия – разгонка примеси – проводится при более высокой температуре (1000 – 1150^оС) в окислительной атмосфере, не содержащей паров диффузанта. Примесь, введённая на первой стадии, в ходе диффузионного отжига перераспределяется: её поверхностная концентрация уменьшается, а глубина проникновения в полупроводниковую пластину увеличивается. Одновременно с этим на поверхности растёт слой диоксида кремния, который может использоваться для создания маски в последующем процессе фотолитографии. Время разгонки зависит от необходимой глубины залегания формируемого p-n перехода и требуемого значения поверхностной концентрации примеси и может колебаться от одного до нескольких часов. К числу преимуществ двустадийного процесса диффузионного легирования можно отнести:

• лучшую управляемость процессом и, следовательно, лучшую воспроизводимость результатов;

• снижение требований к качеству маскирующего покрытия за счёт того, что первая стадия низкотемпературная (следовательно, маскирующий слой может быть тоньше), а на второй стадии нет притока атомов легирующей примеси (в парогазовой смеси отсутствуют пары диффузанта);

• легче обеспечить требования техники безопасности при работе с токсичными диффузантами;

• возможность получения диффузионных профилей с малой поверхностной концентрацией примеси.

Широкое применение метода диффузионного легирования в технологии полупроводниковых ИМС потребовало разработки математических моделей, позволяющих с достаточной точностью прогнозировать распределение концентрации легирующих примесей в интегральных структурах после высокотемпературной диффузии. Далее будут кратко рассмотрены простейшие математические модели стадий диффузионной загонки и разгонки легирующих примесей, используемые в инженерных расчётах.