1

25 Легирование методом термической диффузии примесей.

Условия возникновения p-n-перехода

В подавляющем большинстве случаев легирующая примесь вводится в

монокристаллический кремний с целью изменения типа проводимости и образования p-n- перехода на определѐнной глубине. Изменение типа проводимости имеет место в случае, если максимальная концентрация введѐнной примеси превышает исходную концентрацию (Nисх). Образование p-n-перехода происходит на глубине Хn, где концентрация введѐнной примеси оказывается равной исходной.

Таким образом, основные характеристики диффузионных слоев:

-поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;

-глубина залегания p − n -перехода или легированного слоя;

-распределение примеси в легированном слое.

Рис. 3. Принцип образования p-n-перехода.

При термической диффузии (рис. 3) максимальная концентрация примеси всегда на поверхности (N0) и монотонно убывает с глубиной.

Протекание процесса диффузии во времени отражает 2-е уравнение

диффузии:

На практике используются два варианта проведения процесса: диффузия из постоянного внешнего источника и диффузия из конечного поверхностного источника.

Диффузия из постоянного внешнего источника (одностадийный процесс)

В этом случае внешний (вне рабочей камеры) источник постоянно поставляет к поверхности пластин примесь в газообразном состоянии, причѐм еѐ расход отрегулирован так, что на поверхности пластины поддерживается постоянная концентрация N0, хотя примесь при этом поступает вглубь кристалла. Процесс выполняют до тех пор, пока p-n- переход не окажется на заданной глубине.

При N0=const решение указанного уравнения приводит к функции:

единицы), имеет табличное значение.

Рис. 4. Распределение примеси при диффузии из постоянного внешнего источника

Распределение примеси для двух времен t1 < t2 показано на рис. 4. Поскольку в данном случае может быть создана и выдержана до конца процесса предельно высокая концентрация на поверхности кристалла, этот одностадийный процесс рекомендуется для областей n+ и p+ (эмиттерные области в биполярных транзисторах, истоки и стоки МДП-транзисторов). Естественно, что с течением времени p-n-переход углубляется.

Диффузия из конечного поверхностного источника

В этом случае поверхность кристалла содержит определѐнное количество примеси на единицу площади, и процесс сводится к перераспределению (разгонке) еѐ по глубине до тех пор, пока p-n-переход не углубится на заданную величину Xn. Таким образом, количество примеси, введѐнное предварительно в поверхностный слой, или доза легирования Q [см–2] сохраняется постоянной до конца процесса разгонки.

При Q=const решение исходного уравнения приводит к функции:

где D и t – коэффициент диффузии и время процесса разгонки. При отсутствии внешнего источника примеси разгонка происходит при непрерывном уменьшении концентрации примеси на поверхности.

Рис. 5. Распределение примеси при диффузии из конечного поверхностного источника

Распределение примеси для различных значений времени разгонки показано на рис. 5. Из характера изменения профиля распределения примеси с течением времени следует, что концентрация примеси на поверхности постепенно убывает, p-n-переход углубляется, а доза легирования Q, характеризуемая площадью под кривой распределения, остаѐтся неизменной.

Необходимая доза легирования Q обеспечивается на первой стадии процесса (загонка примеси) с постоянным внешним источником примеси:

где D3 и t3 - коэффициент диффузии и время процесса загонки; N03-концентрация примеси, поддерживаемая на поверхности пластины в течение процесса загонки.

Двухстадийный процесс рекомендуется для областей с умеренной концентрацией примеси на поверхности и относительно глубоких (базовые области биполярных транзисторов, изолирующие "карманы" в КМДП-структурах). Двухстадийный процесс позволяет осуществлять контроль результатов после первой стадии и корректировать режим второй стадии.

26 ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ

Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

Наиболее распространенным применением ИИ в технологии формирования СБИС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои тяжелых металлов, так и диэлектриков. Существование многослойной структуры способно вызвать резкие перепады в профиле легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать ухудшение электрических характеристик готовых приборов.

Во многих случаях для получения необходимого профиля распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.

При ионной имплантации атомы легирующей примеси ионизируют в сильном электрическом поле и облучают потоком ионов поверхность пластины с подготовленной заранее оксидной маской (рис. 5). Имея при подлѐте к поверхности одинаковую энергию, ионы при вхождении в кремний испытывают многократные столкновения с ядрами и кулоновское взаимодействие с электронами атомов кремния. Это приводит к постепенному торможению ионов вплоть до полной остановки.

Рис.5. Принцип легирования ионной имплантацией.

Маски для ИИ могут быть изготовлены из любых материалов, используемых в технологии СБИС (фоторезист, нитриды, окислы, поликремний). В материале оксидной маски (SiO2), имеющей более плотную структуру по сравнению с кремнием, имеет место более сильное торможение ионов, благодаря чему лишь незначительное количество ионов пронизывает маску и внедряются в кремний. За счѐт этого достигается избирательность легирования. Для восстановления нарушенного слоя и перевода всей внедрѐнной примеси в активное состояние прибегают к отжигу поверхностного слоя путѐм, обычно, облучения коротким (порядка 1 мс) и мощным импульсом инфракрасного излучения.

Эффекты, используемые в технологии СБИС

После проведения процесса имплантации кремний, окись кремния, фоторезист и металлическая мишень могут изменить свои свойства и повлиять на проведение последующих стадий процесса изготовления СБИС. Во-первых, при высокой дозе имплантированного азота скорость окисления кремния уменьшается из-за образования нитрида кремния, тогда как появление дефектов, вводимых при имплантации B, Ar, As, Sb может привести к увеличению скорости окисления. В другом случае окислы с

разрядный блок (ионизатор), из которого отрицательным потенциалом в 20…25 кВ ионы вытягиваются в магнитный сепаратор (масс-анализаторВ рабочую камеру, таким образом, проходит плоский (ленточный) ионный луч, неподвижный в пространстве.

Рис.7. Схема рабочей камеры установки ионной имплантации

Схема рабочей камеры (последнего блока установки) приведена на рис. 7. Облучаемые пластины 1, несущие оксидную маску, размещаются по периферии держателя (контейнера) 2 в несколько ярусов. В процессе облучения пластин неподвижным ленточным лучом 5 контейнер вращается и совершает возвратно-поступательное движение. Пластины, таким образом, постепенно набирают необходимую дозу легирования. Между пластинами располагаются датчики 4, принимающие ту же дозу заряда, что и пластины. По достижении необходимой дозы

системой контроля вырабатывается сигнал, отключающий ионный луч. Перед выгрузкой контейнера с обработанными пластинами вакуумный затвор 3 отсекает рабочую камеру от остального объѐма установки, камеру открывают и производят замену контейнера с пластинами. После закрытия камеры и открывания затвора вакуумные насосы восстанавливают рабочее давление (примерно 10-4 Па) в объѐме установки и начинается следующий цикл обработки.

Управление дозой при ИИ затруднено рядом факторов. Это наличие потока нейтральных частиц, обмен энергии ионов с молекулами газов, вторичная электронная эмиссия из мишени, эффект обратного ионного распыления. Для ликвидации последствий действия этих факторов используют следующие технические приемы. Нейтральные молекулы отсеивают с помощью масс-спектрометра (его магнитное поле не отклоняет нейтральные частицы и они не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживается достаточно высокий вакуум, предотвращающий процесс нейтрализации онов. Вторичную электронную эмиссию подавляют, располагая около мишени ловушку Фарадея. От загрязнений поверхности кремния вследствие полимеризации углеводородов ИИ проводят через окисную пленку, которую затем удаляют.

27Легирование полупроводниковых материалов

Для изготовления многих полупроводниковых приборов необходим легированный материал. Возможны следующие способы легирования: 1) легирование уже выращенных кристаллов; 2) легирование кристаллов в процессе выращивания из жидкой фазы; 3)

легирование кристаллов в процессе выращивания из газовой фазы.

Легирование уже выращенных кристаллов.

Оно осуществляется методом диффузии примеси из внешней газовой, жидкой или твердой фаз, методом радиационного легирования и методом ионной имплантации.

Суть радиационного метода легирования выращенных кристаллов сводится к следующему. При облучении кристаллов полупроводников и диэлектриков ядерными частицами (нейтронами, протонами, γ-квантами и др.) в результате протекания ядерных реакций может происходить превращение части атомов основного вещества в атомы других химических элементов.

Ионной имплантацией называют процесс внедрения в кристалл ионизированных атомов с энергией, достаточной для проникновения в его приповерхностные области. В

настоящее время в электронной промышленности ионная имплантация наиболее широко применяется для ионного легирования кремния при изготовлении полупроводниковых приборов. Энергия легирующих ионов (бора, фосфора или мышьяка) обычно составляет

3–500 кэВ, что достаточно для их имплантации в приповерхностную область кремниевой подложки на глубину 10–1000 нм. Глубина залегания имплантированной примеси,

которая пропорциональна энергии ионов, может быть выбрана исходя из требований конкретного применения имплантированной структуры. Основным преимуществом технологии ионной имплантации является возможность точного управления количеством внедренных атомов примеси (в кремнии в диапазоне 1014–1021 см−3). Кроме того, можно легко управлять профилем распределения внедренных ионов по глубине подложки.

Тем не менее, ионная имплантация и радиационное легирование кристаллов сейчас

— важные и быстро развивающиеся области технологии полупроводников. Так как ионная имплантация обеспечивает более точный контроль общей дозы легирующей

примеси в диапазоне 1011–1016 см−2, там, где это возможно, ею заменяют процессы

диффузионного легирования.

Легирование объемных кристаллов в процессе выращивания из жидкой фазы

Широко применяемым методом получения легированных монокристаллов полупроводников является выращивание их из расплава, к которому добавлена нужная примесь. Общие принципы такого легирования заключаются в следующем.

Существует несколько факторов, вызывающих появление неоднородностей состава в растущем кристалле. Неоднородности по причинам их возникновения можно разделить на две группы: сегрегационные и технологические.

Сегрегационные (или как их часто называют фундаментальные) связаны с закономерными изменениями состава растущего кристалла, обусловленными основными законами фазовых превращений в многокомпонентных системах.

Технологические неоднородности имеют незакономерный характер. Они связаны с нарушениями стабильности условий роста кристаллов и охватывают небольшие объемы кристалла.

Методы выравнивания сегрегационных неоднородностей состава кристалла делятся на две группы: пассивные и активные методы. В первом случае монокристаллы с заданной однородностью распределения примеси получают без внесения каких-либо изменений в кристаллизационный процесс, то есть используются части кристалла с приблизительно равномерным распределением примеси

Первая группа методов выравнивания состава кристаллов

Механическая подпитка расплава твердой фазой

1. Идея первого способа состоит в опускании в расплав подпитывающего стержня

(рис. 12). Процессом подпитки можно управлять, меняя площадь поперечного сечения подпитывающего стержня, его состав и механическую скорость его подачи. При необходимости в расплав может одновременно вводиться несколько стержней.

2. Второй способ подпитки — метод расплавленного слоя (рис. 13). В этом случае слиток подпитывающего материала помещают в нижней части кристалла, выращивание которого ведут с вершины подпитывающего слитка, подплавляемого специальным нагревателем. Рост кристалла в этом случае сопровождается синхронным перемещением подпитывающего слитка вверх. Этот метод имеет определенные преимущества: а)

возникающие в расплаве концентрационные и тепловые потоки симметричны; б) процесс выращивания проводится в бестигельных условиях.

Механическая подпитка расплава жидкой фазой

Механическую подпитку кристаллизуемого расплава жидкой фазой чаще всего осуществляют при выращивании кристаллов методом Чохральского. Наибольшее распространение получили две модификации этого метода: первый — вытягивание монокристалла из расплава в плавающем тигле или в тигле, механически перемещающемся относительно внешнего контейнера, с которым они связаны капиллярным каналом (рис. 14); второй метод — вытягивание кристалла из тигля,

разделенного перегородкой, через которую рабочая и подпитывающая части тигля соединены капиллярным каналом (рис. 15). В обеих модификациях в рабочем режиме в соединительном канале идет непрерывный поток расплава по направлению к рабочему объему. При этом перенос примесного компонента в канале состоит из двух частей:

потока, вызванного потоком жидкости, и потока, обусловленного молекулярной диффузией. Для управления процессом выравнивания состава вытягиваемого кристалла необходимо, чтобы перенос примеси в канале осуществлялся только механическим перетоком расплава, а выравнивающее действие молекулярной диффузии было подавлено. Это условие легче всего выполняется при использовании длинных и узких соединительных каналов-

капилляров.

Рис. 14. Основные варианты

капиллярной подпитки: а — плавающий

двигатель; 8 — держатель кристалла).

Рис.15. Схема капиллярного двойного тигля: 1 —

капиллярный канал; 2 — расплав; 3 — кристалл.

5.2.1.3. Механическая подпитка расплава газовой фазой

Механическую подпитку кристаллизуемого расплава газовой фазой осуществляют как при выращивании кристаллов методом Чохральского, так и при выращивании методом зонной плавки. Подпитка может проводиться как нелетучей, так и летучей примесью. В случае нелетучей примеси обычно эта примесь подводится к расплаву в виде летучего химического соединения, которое, взаимодействуя с расплавом, разлагается,

вводимая примесь выделяется и легирует расплав. Такой процесс выделения примеси в результате химических реакций используется лишь для примесей с K > 1. Процесс подпитки кристаллизуемого расплава паровой фазой может осуществляться как путем