Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

..pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

17.57 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 347 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Рис. 2.15. Зависимость предельной растворимости бора в кремнии от температуры.

Действительно, по определению

Rs плг

1 \ q\ip (х)

(х) dxj

1-10

> xp-n

NSue~x/Ll dx

Поверхностную концентрацию бора при загонке Ns0 при тем пературах 7\ — 950 та 1100° С полагаем равной пределу раство римости бора і Ѵ п р е д в кремнии, который согласно рис. 2.15 из ра боты [26] почти постоянен в этом температурном диапазоне и равен

Nso -	N n v e a	та	2	-	102 0	см-3 .
Величина Rs			з	а г	определяется главным образом			проводимостью
приповерхностной					области, в которой N(x)		=	5	• 1018	ч- 2 х
X 1020	с м - 3 .	Но	согласно			рис. 3.3, а (см. § 3.2)	при		таких	значе

ниях концентрации акцепторов подвижность дырок почти постоян

на и равна	Цр	=	50 см2 /В	• с. Тогда,		вынося		за знак интеграла
и проводя	интегрирование,				находим	RsaaT		— (qiipN^Lj)'1.		От
сюда
	U	=	{(qp*p NS0RS	8 a r )J - i = {6/Rs з			а г [Ом]} мкм.
При обычных		значениях		RssaT	100 Ом/квадрат, Ьг				< 0,06	мкм.
Тогда, очевидно, L 2 / L x ^ 6,					Y gt2 та ЬгІЬг		^	6, cYD2t2	« З и	фор

мула (2.35), полученная из (Д.6), справедлива с хорошей точностью вплоть до глубин у = y/2L2 = 3, т. е. до у = 6L 2 = 3,6 -f- 2,4 мкм, практически до глубины залегания коллекторного р-п перехода.

2.4. Э ф ф е к т эмиттерного вытеснения

Как уже отмечалось ранее (см. § 2.2.), диффузия с высокой по верхностной концентрацией характеризуется возрастанием коэф фициента диффузии с увеличением концентрации за счет деформа ции решетки кремния, образования дислокаций и как следствие этого — ускоренной диффузии по дефектам решетки. В результате в кремниевых п-р-п транзисторах наблюдается еще одно специфи ческое явление—прогиб коллекторного р-п перехода под эмиттером, называемый эффектом эмиттерного вытеснения (Emitter Dip Effect). Структура планарного транзистора с учетом этого явления пока зана на рис. 2.16.

В этом названии — эффект эмиттерного вытеснения — отрази лась внешняя сторона явления, которая заключается в том, что диф фундирующий эмиттер как бы давит на базу и заставляет ее отсту-

ітать. Эффект эмиттерного вытеснения изучался многими исследова телями [27 — 30]. Сущность его применительно к п-р-п транзистор ной структуре заключается в аномальном ускорении диффузии базовой примеси под эмиттером во время диффузии эмиттерной примеси. %

Величина «прогиба» (Ах на рис. 2.16) для конкретных диффузантов зависит от режимов диффузии и, как было выяснено в резуль тате эксперимента [30] (рис. 2.17), подчиняется общему выраже нию Лл; = const YU где / — время диффузии эмиттера.

Из приведенного графика видно также, что с увеличением по верхностной концентрации, т. е. при возрастании температуры диф фузии эмиттерной примеси, величина Ах увеличивается. Кроме того, эффект эмиттерного вытеснения существенно зависит от вида базовой примеси: для галлия он значительнее, чем для бора.

Причиной возникновения эффекта эмиттерного вытеснения, как следует из работы [28], можно считать образование в области эмиттера соединения SiP, приводящего к созданию богатой вакан сиями области. Термообработка при температуре ниже 1131° С

способствует выделению SiP и накоплению нейтральных	вакансий,
частично диффундирующих в базовую область. Это приводит к уве
личению эффективного коэффициента диффузии базовой	примеси

(бора или галлия). В [29] повышенная диффузия базовой примеси приписывается избыточным вакансиям в базовой области, образую щимся при движении дислокаций от эмиттера.

К настоящему времени отсутствует количественная теория расчета эффекта эмиттерного вытеснения при заданной температу ре, заданном времени диффузии и поверхностной концентрации эмиттерной примеси. По этой причине невозможен и точный расчет профиля распределения базовой примеси в области активной базы законченной п-р-п транзисторной структуры.

Эффект эмиттерного вытеснения нежелателен, поскольку он может явиться причиной преждевременного прокола базы и сниже-

йх,мкм	1056 С
. 1125°С	1056 С
. 1125°С	о>
1150°С	о>
SiOz
8	10	12

Рис.	2.16. Структура	планарного
п-р-п	транзистора с учетом эффекта

вытеснения эмиттером базовой примеси. - '

Рис.	2.17. Зависимость		величины
прогиба коллекторного р-п			перехода
ах от	времени	по данным	[30] (ба-
зовая	примесь	— галлий).

нИй тем самым допустимых рабочих напряжений транзистора. Осо бое внимание этому явлению следует уделить в высоковольтных транзисторах, где, как будет показано в гл. 8, прокол базы может наступить прежде, чем произойдет лавинный пробой коллекторно го перехода.

2.5. Д и ф ф у з и я из легированных окислов
Использование в качестве диффузантов легированных	окислов
кремния (стекловидных пленок Si0 2 • Р 2 0 5 , Si0 2 • В 2 0 3 )	позво

ляет устранить многие недостатки метода диффузии из газовой фазы. Например, поверхностные концентрации бора и фосфора в кремнии можно регулировать в широких пределах, изменяя концентрацию этих примесей в стекловидных пленках. Для не очень глубоких

диффузионных слоев ( ^ З — 4 мкм) легированные		окислы обеспе
чивают постоянные поверхностные концентрации	Ns	в кремнии, не
зависящие от времени и температуры диффузии,	а	следовательно,

и воспроизводимые глубины переходов. Наконец, поверхностные концентрации можно задать гораздо ниже предела растворимости для бора и фосфора, т. е. Ns < 10° с м - 3 , что уменьшает до мини мума количество дислокаций и преципитаций примесей в эмиттере. В результате, как показано в [4], устраняется нежелательный эф

фект	эмиттерного вытеснения в диффузионных планарных п-р-п
транзисторах. Кроме того, при низких				поверхностных концентра
циях	(/Ѵ3	< 1 • 102 0	см - 3 ) коэффициенты диффузии для бора и фос
фора,	как	показано	в § 2.2, не зависят	от концентрации, и в этом

случае можно легко рассчитывать диффузионные профили в эмит тере и базе.

Рассчитаем диффузионные профили примеси в легированном окисном слое и в кремнии в результате одноэтапного диффузионного отжига в инертных газовых средах (сухой аргон или азот). При проведении диффузии в таких условиях толщина легированного

окисла не	изменяется, и перераспределения примеси не происходит
в отличие	от диффузии с одновременным термическим окислением.
На рис. 2.18 показана двухслойная система легированный оки

сел — кремний, причем начало координат (х		— 0) совпадает с	гра
ницей раздела двух сред. N\(x, t), Dx{x,	t) — концентрация и коэф
фициент диффузии примеси в окисном	слое,	a N2{x, t), D2(x,	t) —•

концентрация и коэффициент диффузии		примеси в кремнии. В на
чальный момент времени концентрация		примеси	в окисле(— X ^
^ X ^ 0) постоянна и равна
Ni(x,t)\r=0	= N0,		(2.39)

а концентрацию примеси в кремнии в этот момент времени считаем равной нулю, т. е.

0<л;'< 8

Толщину кремния можно считать бесконечно большой, ибо в реальных транзисторах толщина пластины всегда порядка 200 мкм, а глубины диффузионных слоев меньше 10 мкм. Тогда задача сво

дится к решению двух диффузионных						уравнений:
dN±(x,	t)__D		<32Nt			(х,	I)	(2.41)
dt					дх2			(2.41)
dt					дх2
cw2 (x,		D	а	3	2
cw2 (x,	t)		а		УѴ (X,		t)	(2.42)
dt					dx2			(2.42)
dt			2		dx2

с начальными условиями (2.39) и (2.40) и граничными условиями

	Л Ч * , 0 \| о о .			^ О ,			(2.43)
			лг=—X
			0 \| о о , = 0 ,				(2.44)
	Ni	(х, і) t>o,		= ks	N%	{x, t) t > 0 , ,	(2.45)
			x = 0			x=0
D	dNx	(x,	t)	П		dNt(x,t) t>o,	(2.46)
		dx	x=0t>o,	= L>2		x=a
						ax
Приближенное условие				(2.43) означает, что с внешней			стороны
поверхности	окисла		происходит		интенсивное испарение		примеси

во внешнее пространство. Условие (2.46) представляет собой усло вие непрерывности потока примеси через границу раздела Si0 2 — Si. Решения уравнений (2.41) и (2.42) с учетом (2.39), (2.40) и (2.43)—(2.46) впервые были получены в работе [31] в виде слож ных рядов по функциям erfc, что затрудняет использование их в ин женерных расчетах. Однако можно получить весьма простые выра жения, если несколько изменить граничное условие (2.43).

Обычно толщина осажденного ле
гированного		окисла X		составляет
0,3—0,5 мкм, с другой стороны, даже
при температуре			1200° С коэффициент			Si
диффузии бора			в Si0 2	— DlB	сог
ласно	рис.	2.19	работы	[32]	равен	Nz(x,t)
3- Ю -	1 6 см2 /с, а коэффициент диффузии
Рис. 2.18. Распределение примеси при диф
фузии	из легированного окисла.

0,01

0,65

0,70

0,75

0,80 10*

0,001 I

0,66 0,72

0,78

JO3

л I

T, К

• I I

ИЗ

1200

1100

1000 T°C

1200 11001050 T,°C

1250

1150

1050

Рис. 2.19. Зависимость

коэффициента

Рис.

2.20. Зависимость

коэффициен

диффузии

бора

в двуокиси

кремния

та диффузии

фосфора

двуокиси

от температуры.

кремния от

температуры.

фосфора

в Si0 2 — D l P

в соответствии с рис. 2.20

работы

[331—Зх

Х І О - 1 5

см2 /с. Следовательно, при типичных

временах

диффузии

t < ! 1 ч и при температуре Т =

1200° С диффузионные длины для

бора

фосфора

будут равны соответственно У DXßt

0,01 мкм;

Y^ipt

0,03 мкм. Тогда

справедливо

неравенство

XlYDxt

10.

Таким

образом,

при рассмотрении

процесса

диффузии

приме

сей из окисла в кремний слей окисла можно считать бесконечно

толстым.	Поэтому	вместо (2.43) целеессбразно				использовать		другое
граничное	условие
			Л М * . 0 [ о о .		=			(2 -47)
Тогда решение		уравнений		(2.41)	и (2.42)	удобно	искать	в виде
	Nx(х,		0 = Ах	erfc (х/2 У1\і) + В,			.	(2.48)
	tfa(x,0		= ^ a e r f c ( * / 2 l / J V ) ,					(2.49)
где Alt Л 2 , В — постоянные.							удовлетворяют
Легко проверить, что выражения (2.48) и (2.49)							удовлетворяют

уравнениям (2.41) и (2.42). Очевидно также, что (2.49) удовлетворяет начальному условию (2.40) и граничному условию (2.44), посколь-

		оо
ку erfc (со) = 1	%	(e-t*dl = 1 — 1 = 0 .
	У п	J
		0

Условие (2.47) позволяет

найти связь

между

постоянными

Л 4

и В

функции

Nx(x,

t) : 2А1

В = N0,

поскольку erfc

(— оо)

= 1 + 1 = 2 .

Тогда

выражение (2.48) принимает

следующий вид:

(X, t) = A erfc (х/2 YDl

t) +

N0 —

2AX.

(2.50)

Подставляя (2.49) и (2.50) в граничные условия (2.45) и (2.46)

для

точки X =

0, получаем два алгебраических уравнения для оп

ределения постоянных А±

А2:

—

Ai~ksA2^

(2.51)

АУ

Dx = A2V

D2;

поскольку erfc

(0) =

A erfc ( - 4 -

XI2 f Dt

дх

f е

1 dl

-уя 2У'Dt'

дх

\2VDt

х =

У.

Из системы (2.51) легко

находим

^ 1 = ^ 0 ( l + f e i l / D 1 / D a ) - 1 .

A^N.iK + VDJDJ-K

Подставляя эти значения А1 и А2 в (2.50) и (2.49), окончательно получаем

l+ksVDxID,		erfc 21/Dit	, (2.52)
N2(x, 0 = -	:erfc ( • X		(2.53)
	\2Vd

Из выражения (2.53) видно, что при диффузии из легированного окисла распределение примеси в кремнии подчиняется закону по дополнительной функции ошибок, причем поверхностная концент

рация примеси в кремнии
			N, = NJ{kt+VDJDi).						(2.54)
	Коэффициент сегрегации примеси ks для бора, как указывается
в § 2.3, изменяется			в пределах		2 — 10, а для фосфора ks				<^ 1. От
ношение коэффициентов диффузии D2/D1						для бора на			основании
рис.	2.14	и рис. 2.19		при Т = 1050—		1200° С		порядка 5 • 103,
следовательно, Y~D%IDX				та 70.	Коэффициент диффузии для фосфора
в кремнии D2p при малых поверхностных концентрациях									совпадает
с коэффициентом диффузии для бора (рис. 2.21). Используя										значе
ния	коэффициента		диффузии		фосфора	в	Si02 ,	приведенные на
рис.	2.20,	находим,	что при		Т= 1050—		1200° С DtIDx		=	400,
YD2/D±	=	20. Следовательно, на основании формулы (2.54) можно
3 зак. 190									65


Рис. 2.21.			Зависимость			коэффициента
диффузии			фосфора		в	кремнии от
температуры:					(Ns = 2 • 1ГЯ> см~3 );
— • —	по	данным		[33]	(Ns = 2 • 1ГЯ> см~3 );
— О —	по	д а н н ы м		[33]	(/Vs	= 5 • 1018 с м - 3 ) ;
	по данным [12].

Рис.	2.22.	Зависимость	поверхност-
ной	концентрации бора		в кремнии
Ns	от концентрации бора в окисле
ІѴ0	согласно	[32].

предположить, что поверхностная концентрация бора или			фосфора
в кремнии J V S В несколько десятков	раз меньше исходной		концент
рации примеси в легированном окисле	N0.
Экспериментальные зависимости	Ns =	NS(N0) для бора, взя
тые из работы [31], приведены на рис.	2.22,	а для фосфора,	согласно

данным из [33] — на рис. 2.23. Из этих рисунков видно, что поверх

ностная

концентрация

почти линейно зависит

от исходной кон-

NS,CM

N/N$P

о 7-W18t

0,1

ïfc—с

<£

\ >%-

X °

\ 0 3

а1200°С

0,01

-0—

гР

о 1100

• enfc

(х/гі/Ш/

АІ050

$1000

1019

і21

5 10

10'и

см'3

x/2ï

Рис

2.23.

Зависимость поверхностной

Рис. 2.24. Профили фосфора в крем

концентрации

фосфора

кремнии

нии при

диффузии из

легированного

от

концентрации

фосфора

в оки

окисла

согласно

[33]

(Г=ПОО°С) .

сле

согласно

[33].


центрации N0	и слабо меняется в температурном диапазоне			1000 —
1200° С, что согласуется с формулой (2,54), причем для бора				экспе
риментальные	значения отношения N0/Ns		Ä ; 40 — 50, а для фос
фора —• N0/Ns	«	30 -г 70. Отличие экспериментальных значений
отношения N0/Ns		от расчетных значений	(70— 80 для бора и 20
для фосфора)	объясняется, по-видимому,		большой погрешностью

(до 50% согласно [32]) в определении очень малых коэффициентов диффузии этих примесей в окисле DX.

Итак, формулу (2.53) можно применять для расчета профилей распределения примесей в кремнии при диффузии из легирован

ного окисла, используя значения поверхностной концентрации	Ns
из графиков рис. 2.22 и 2.23.
При j V s ^ I O 2 0 С М - 3 имеет место зависимость коэффициента	диф

фузии фосфора и бора от концентрации, в результате чего профили начинают отличаться от закона по дополнительной функции ошибок.

Поэтому при вышеуказанном значении			формула (2.53)	становится
неточной. На рис. 2.24		показаны диффузионные профили фосфора
для двух	значений	поверхностной	концентрации:	Ns = 7 х
X 101 8 см~3	и Ns = 1,4-1020 с м - 3 . Видно, что кривая			для Ns =
= 1,4-1020 с м - 3 не совпадает с erfc-распределением.
2.6.	Д и ф ф у з и я	золота

Современные переключающие планарные транзисторы имеют, как правило, малую толщину базового слоя и малые активные пло щади структур. Это обеспечивает малые емкости р-п переходов, высокую предельную частоту усиления по току и достаточно рез кие фронты импульса в режиме переключения. Однако в переклю чающихся схемах транзисторы обычно работают в режиме насы щения, для которого очень важно иметь минимальное время расса сывания накопленного заряда, связанное со временем жизни но сителей тока. Основная часть накопленного заряда для транзисторов, работающих в режиме насыщения, обычно располагается в области коллектора, поэтому важным параметром для переключающего транзистора является эффективное время жизни носителей в коллек торе (см. § 7.2).

Уменьшить время жизни носителей тока можно путем введения в толщу кристалла транзисторной структуры примесей, имеющих

большое сечение захвата носителей. Одной из таких		примесей яв
ляется золото. Золото	в кремнии может находиться	как в	узлах,
так и в междуузлиях	решетки и имеет растворимость до 1017 см - 3 ,
зависящую от уровня легирования кремния.
Растворимость золота в слабо легированном кремнии			изуча
лась в работах [34, 35], где было показано, что в диапазоне			темпе

ратур 700 — 1350° С методом диффузии можно ввести от 101 3 до

1017	с м - 3 золота (рис. 2.25).
	При исследовании растворимости золота в сильно легирован
ном	кремнии п-типа было замечено некоторое увеличение раство-
3*	67

римости, в то время как для сильно легированного р-кремния этого не наблюдалось [36J. В то же время кремний «-типа обычно леги руется фосфором, что не исключает образования соединений типа золото — фосфор, присутствие которых изменяет обычные условия растворимости. Наибольшее влияние на электрические параметры оказывает золото, содержащееся в узлах решетки, так как сечение захвата носителей для этого типа примесей значительно больше, чем для примесных атомов внедрения 137].

Следует отметить, что растворенное в кремнии золото может переходить из одного состояния в другое, высаживаться на дефек тах решетки, а также геттер и роваться, как и другие металлические примеси, жидкими стеклами, образующимися на поверхности пла нарной структуры во время диффузии. При концентрации золота ниже концентрации основной примеси в кремнии время жизни но сителей тока обратно пропорционально концентрации золота. При превышении концентрации р- или я-примеси золото вызывает ком пенсацию и кремний приобретает проводимость, близкую к собст венной. Время жизни при этом не зависит от концентрации золота.

Золото в кремнии создает два глубоко расположенных локаль ных уровня —донорный и акцепторный. В связи с этим для кремния

n-типа при Nd

./VAU

каждый

акцепторный

уровень (#с — Ща =

= 0,54

эВ), захватив электрон,

будет характеризоваться

большим

сечением захвата

для дырок.

кремнии

/7-типа

при Na

Л'ди

положительно заряженный донор (Ща

— ёѵ

= 0,35 зВ) будет иметь

большое сечение захвата для электронов.

Сечение захвата

и время

жизни

связаны

соотношением

[38]

т = (SvNf)-1,

где

5 — сечение

захвата,

ѵ — тепловая

скорость

захваченного

носителя,

—- концентрация

рекомбинационных

центров.

В соответствии с этим для

кремния

я-типа время жизни

будет

равно

хр

— (Sp ѵр

Л/ди)- 1 ,

для

кремния

р-типа

т п =

=(SnvnNAu)-K


В работах	[39—42] были определены сечения захвата,		причем
в [42] было установлено, что время восстановления р+-п			кремни
евого диода т в о с	с т при	проведении диффузии золота равно т в о с с т œ
& V ( t P + т л) «	2,53	• I O ' A V A U С. По данным этой же работы вре

мя восстановления диодов зависит от температуры диффузии и от

концентрации золота согласно рис. 2.26.
Как уже отмечалось, золото в кремнии может	находиться как
в узлах, так и в междуузлиях решетки. Диффузия	золота в крем

ний характеризуется двумя составляющими [37]: медленной

диффузией	замещения	с коэффициентом диффузии Dx = 2,75 X
X Ю - 3 ехр	(—2,04/kT)	сма /с и быстрой диффузией внедрения с ко

эффициентом D 2 = 2,44 • Ю-4 ехр (—0,387/kT) см7с. Концентрация атомов замещения значительно выше концент

рации атомов внедрения. Уровни захвата дают в основном атомы золота, расположенные в узлах решетки. Поэтому нас будет инте-

0,6	0,7	0,8	0,9	1,0 4,1	îSL	T, К	0,6 0,7	0,8	0,9	1,0_Ю_
L_l	I	I 1	'—I 1	1	i	T, К	I	1	1	т, к
1-400 1200 1000900800 700 T,°C							1200 1050		850	Т°С

Рис. 2.25. Зависимость растворимости золота от температуры диффузии по данным [37] :

1 —	для атомов	золота	в состоянии	з а м е
щения; 2 — д л я		атомов	золота в	состоя
нии	внедрения .

Рис. 2.26. Зависимость времени вос

становления	^восст	кремниевого
р+-п диода	от температуры диффу
зии золота	согласно	[42].

ресовать лишь диффузия замещения, для которой время, необхо димое для проникновения золота в кремний на глубину х, опре деляется формулой t = 4х2 1п[4/я(1 — Q)]ln'1D1 (здесь Ѳ—отно шение концентрации золота на границе проникновения к поверх ностной концентрации).

В практике изготовления планарных транзисторов диффузия золота обычно осуществляется из тонкого (порядка 0,1 мкм) слоя металлического золота высокой чистоты, нанесенного на коллек торную сторону пластины методом напыления в вакууме. Для диф фузии золота используют обычные диффузионные печи, подобные тем, которые применяются при диффузии бора и фосфора. Диффу зию ведут в инертной атмосфере или в атмосфере, соответствующей условиям диффузии фосфора, при температуре 1000— 1100° С в те чение нескольких десятков минут.

Диффузию золота чаще всего проводят после диффузии в эмит тер. Поверхность пластин перед напылением очищают от следов окисла для достижения необходимой равномерности легирования золотом. Если порядок величины j / " D A J Д Л Я золота в определенных условиях значительно меньше величины YDpt для фосфора в эмит тер, диффузию золота проводят вслед за диффузией эмиттерной при меси. Для сравнимых значений величин У Dt диффузию золота целе сообразно провести одновременно с диффузией эмиттерной примеси.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 347 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ

#
19.10.20233.84 Mб10Креймер, М. Б. Машинист вращающейся печи.pdf
#
19.10.20234.03 Mб18Креймер, М. Б. Машинист цементных мельниц.pdf
#
19.10.20233.35 Mб8Креймер, М. Б. Обслуживание и наладка пылеулавливающих установок цементного производства.pdf
#
29.10.20237.46 Mб14Крейндлин Л.Н. Конструкции и производство щитовых дверей.pdf
#
19.10.20232.69 Mб13Кремень, З. И. Доводка плоских поверхностей.pdf
#
25.10.202317.57 Mб21Кремниевые планарные транзисторы..pdf
#
22.10.202318.68 Mб8Кремс, А. Я. Условия формирования и закономерности размещения залежей нефти и газа.pdf
#
25.10.202316.58 Mб7Кретович В.Л. Введение в энзимологию.pdf
#
25.10.202315.86 Mб23Кржижановский Р.Е. Теплофизические свойства неметаллических материалов (окислы) справ. кн.pdf
#
29.10.20238.06 Mб8Кривандин В.А Керамические рекуператоры.pdf
#
19.10.20233.31 Mб5Кривенко, Е. И. Технологические процессы на предприятиях автосервиса.pdf