ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8969
Скачиваний: 15
71
для разных температуры и времени процесса. Атомы примесей
сосредоточены в узком приповерхностном слое. Назначение за-
гонки обычно состоит во введении определенной дозы легирова-
ния (числа атомов, поступающих через единицу поверхности)
( )
.
Л
пред
N
N x dx
N
Dt
=
=
∫
. Для окончательного формирования
диффузионного слоя введенную примесь подвергают перерас-
пределению на втором этапе, называемом разгонкой примесей.
0
0
2
1
N
ПРЕД
t
2
>t
1,
T=Т
1
1
t
1,
T
1
x
x
N
N
N
ПРЕД
а
б
°
° °
Рис. 10.5 — Распределение примесей при разной
температуре и времени
Подачу диффузанта прекращают, примеси распространяют-
ся вглубь при
Л
N
const
=
, поверхностная концентрация
ПОВ
N
уменьшается, а толщина слоя возрастает. На рис. 10.5,
б
приведе-
ны графики функции
N
(
х
) после загонки 1 и разгонки 2. Для со-
здания нескольких слоев с разными типами электропроводности
диффузия проводится многократно. Например, при первой диф-
фузии в пластине
n
-типа можно сформировать
р
-слой, а затем
при второй диффузии ввести в него доноры на меньшую глубину,
получив структуру типа
n-р-n
. При многократной диффузии кон-
центрация каждой новой вводимой примеси должна превышать
концентрацию предыдущей, чтобы изменился тип проводимости
и образовался
р-n
переход.
Максимальная концентрация ограничена предельной рас-
творимостью, поэтому число последовательных диффузий, как
правило, не превышает трех. Последующие диффузии из-за вы-
сокой температуры вызывают нежелательную разгонку примесей,
введенных на предыдущих этапах. Поэтому температуру и (или)
72
время последующих диффузий надо выбирать меньше, а коэффи-
циент диффузии и предельную растворимость примесей больше,
чем на предыдущих этапах.
10.4
Ионное
легирование
Ионное легирование — это технологическая операция вве-
дения примесей в поверхностный слой пластины или эпитакси-
альной пленки путем бомбардировки ионами примесей. Получе-
ние ионов, их ускорение и фокусировку производят в специаль-
ных вакуумных установках. Пары легирующих элементов посту-
пают в ионизационную камеру, где возбуждается высокочастот-
ный или дуговой электрический разряд. Образовавшиеся ионы
(
Р+, Аs+, В+
и др.) вытягиваются из камеры с помощью экстра-
гирующего электрода, на который подается высокий отрицатель-
ный потенциал (10...20 кВ), и поступают в магнитный масс-
сепаратор, который устраняет посторонние ионы, присутствующие
в газовом разряде. Принцип действия масс-сепаратора основан на
зависимости траектории движения в постоянном поперечном маг-
нитном поле от массы иона. Поэтому на его выход попадают толь-
ко нужные ионы. Далее ионы ускоряются в электрическом поле
(ускоряющее напряжение до 300 кВ) и фокусируются в пучок
с плотностью тока до 100 А/м
2
и площадью сечения 1...2 мм
2
. Си-
стема сканирования обеспечивает перемещение пучка, что позво-
ляет последовательно облучить всю поверхность пластины. Ле-
гирование обычно осуществляют через маску
SiO
2
или
SiзN
4
тол-
щиной около 0,5 мкм, превышающей длину пробега ионов в этих
материалах. Так как ионный пучок направлен перпендикулярно
поверхности, а боковое рассеяние ионов невелико, то горизон-
тальные размеры легированной области точно соответствуют от-
верстию в маске (рис. 10.6). Это является преимуществом по
сравнению с легированием путем диффузии, так как позволяет
получать области меньших размеров (см. рис. 10.6 и 10.3). Прин-
ципиально возможно локальное легирование без применения
маски с помощью сканирования остросфокусированного ионного
пучка, включаемого и выключаемого по заданной программе. На
рис. 10.7 показаны распределения концентраций примесей бора
73
( )
a
N
x
для одной и той же дозы легирования
.
л а
N
, но разных
энергий ионов. Длина пробега ионов является случайной величи-
ной, распределенной по нормальному закону, и характеризуется
средним значением
l
и среднеквадратическим отклонением
σ.
Обе величины
l
и
σ увеличиваются с ростом энергии ионов. По-
ложение максимума распределения
( )
a
N
x
соответствует
l
, тол-
щина легированного слоя — «ширина» распределения
( )
a
N
x
пропорциональна
σ, а максимальная концентрация определяется
дозой легирования:
( )
(
)
.
/
2
макс
л a
N
N l
N
=
=
πσ .
Ионы доноров
p
n
SiO
2
Рис. 10.6 — Ионное легирование
При малой энергии ионов слой
p
-типа образуется у поверх-
ности, а его толщина определяется из условия
( )
01
a
Д
N
x
N
=
, где
Д
N
— исходная концентрация доноров в пластине
n
-типа. На
расстоянии
x
01
от поверхности образуется
р-n
переход. При
большой энергии ионов слой
p
-типа располагается на расстоянии
1
02
x
от поверхности и имеет толщину
x
Δ .
100 кэв
20 кэв
х, мкм
10
17
10
16
p
p
n
N
a
N
Д
l
1
l
2
х
01
х
02
Рис. 10.7 — Распределение примесей
при ионном легировании
74
С ростом энергии ионов увеличивается число радиационных
дефектов в кристалле (смещений атомов), поэтому энергию
обычно ограничивают (до 200 кэВ). Значение
l
не превышает
0,5...0,7 мкм. Доза легирования регулируется током ионного пучка
и временем легирования (порядка нескольких минут). При боль-
шой дозе можно получить концентрацию примесей выше, чем при
диффузии (больше предельной растворимости), но одновременно
растет и число дефектов вплоть до разрушения поверхностного
кристаллического слоя и превращения его в аморфный. Ускоряю-
щее напряжение и ток пучка поддерживают с большой точностью,
что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров легиро-
ванных слоев. После ионного легирования производят отжиг пла-
стин при температуре 600...900 °С
с целью снижения числа радиа-
ционных дефектов и активации примесей. При отжиге смещенные
атомы основного полупроводника возвращаются в нормальные по-
ложения в узлах кристаллической решетки. Примесные атомы пе-
ремещаются в пустые узлы (происходит активация) — только
в этом случае они будут действовать как доноры или акцепторы.
В некоторых случаях при получении слоев большой толщины ион-
ное легирование применяют в качестве первого этапа — загонки,
а затем осуществляют второй этап легирования — разгонку при
высокой температуре (900...1000 °С), совмещая ее с отжигом. Та-
кой способ загонки по сравнению с диффузионным обеспечивает
более точное дозирование вводимой примеси. Ионное легирование
широко используется при создании БИС и СБИС. По сравнению
с диффузией оно позволяет создавать слои с субмикронными гори-
зонтальными размерами толщиной менее 0,1 мкм с высокой вос-
производимостью параметров. Процесс ионного легирования зани-
мает меньше времени, обеспечивая высокую производительность.
Он происходит при меньшей температуре и мало изменяет распре-
деления примесей, полученные на предыдущих этапах. Возможно
внедрение практически любых элементов. При этом обеспечивает-
ся высокая степень чистоты вследствие проведения процесса в ва-
куумной камере и магнитного сепарирования ионов. Ионное леги-
рование технологически хорошо совместимо с другими вакуумны-
ми процессами, перспективными для СБИС. К недостаткам отно-
сятся сложность оборудования, малая глубина залегания слоев
и образование дефектов кристаллической структуры, не полностью
устраняемых отжигом.
75
10.5
Термическое
окисление
и
свойства
пленки
диоксида
кремния
Термическое (высокотемпературное) окисление позволяет
получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида
кремния, что широко используется для создания масок при леги-
ровании (см. рис. 10.3, 10.6), формировании подзатворного ди-
электрика в МДП-транзисторах, а также изолирующих слоев
между элементами. Применение пленки
2
SiO
в качестве маски
при диффузии примесей основано на том, что коэффициент диф-
фузии ряда примесей (
Р, В, As, Sb
и др.) в ней значительно мень-
ше, чем в кремнии. При ионном легировании маскирующее свой-
ство слоя
2
SiO
основано на том, что длина пробега ионов меньше
толщины слоя.
Пленка
2
SiO
прозрачна, имеет блестящую стеклянную по-
верхность и при толщине в десятые доли микрометра кажется
окрашенной вследствие интерференции света, отраженного от ее
поверхности и поверхности кремния. По этой окраске можно
приближенно определить ее толщину. Например, зеленый цвет
соответствует толщине 0,27 мкм. Диоксид кремния и кремний
имеют близкие температурные коэффициенты расширения (ТКР),
благодаря чему не происходит механических повреждений плен-
ки при изменениях температуры. Диэлектрическая проницае-
мость
2
SiO
составляет 0,3 пф/см, а электрическая прочность —
600 В/мкм. Плотность поверхностных состояний (ловушек)
и скорость поверхностной рекомбинации на границе
2
Si
SiO
−
го-
раздо меньше, чем на поверхности не окисленного кремния и со-
ставляют соответственно —
9
11
10
10
−
см
–3
и 1...100 см/с. В плен-
ке
SiO
2
вблизи границы раздела с кремнием существует положи-
тельный заряд, образованный ионами
Si
+
, — фиксированный по-
верхностный заряд. Величина
Q
пов
коррелирует с плотностью по-
верхностных состояний. Слой
SiO
2
защищает поверхность крем-
ния от проникновения посторонних химических веществ и влаги.
Окисление выполняют в эпитаксиальных или диффузионных
установках, пропуская над поверхностью пластин газ-окислитель,
кислород, водяной пар или их смесь (влажный кислород) при