|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы слое или в области кармана комплементарного МДП-транзистора концентрация примеси должна быть существенно ниже предела ее растворимости. В первом из этих двух случаев проводится одностадийная диффузия, во втором - двухстадийная. Одностадийная диф. фузия так же, как и первая стадия двухстадийной диффузии осуществляется из неограниченного (неистощимого, бесконечного) источника примеси, наносимого на полупроводник заранее или в процессе диффузии (см. рис. 11.18) и обеспечивающего постоянную высокую концентрацию примеси на границе раздела источник - полупроводник. Профиль распределения примеси по глубине диффузионного слоя в этом случае иллюстрируется графиком рис. П.47 и описывается выражением N{x, t) = Nj 1 -erf = N erfc-= (11.2) где N{x,t) - концентрация примеси на глубине х в момент времени t; Ns - поверхностная концентрация; erf (от error function) -функция ошибок; а erfc (error function complementary) -дополнительная  10-10-10 loir 1,0 2,0 3,0 z 0,8 0.6 0,k 0.2 1,0 2,0 z Рис. 11.47. Профили распределения примесей при диффузии из неограниченного (а) и ограниченного (б) источников Рис. 11.48. Функции erfc Z (1) enfc (Z) (2) в полулогарифмичесц (о) и линейном (б) масштабах функция ошибок, значения которых в зависимости от аргумента -jj- приводятся на рис. 11.48. В двухстадийном процессе диффузии первую стадию проводят из неограниченного источника с целью введения в поверхностный слой полупроводника определенного количества примеси. На второй стадии производится перераспределение примеси, загнанной в полупроводник на первой стадии. Профиль распределения примеси при диффузии из ограниченного источника описывается графиком рис. 11.47,6 и выражением iV(x,0=i=-exp(-) , (11.3) где Q - количество атомов примеси под единицей площади поверхности после первой стадии диффузии. Профиль распределения примеси после двухстадийного процесса диффузии подчиняется выражению »<.<>-V-(-iifc)- (11.4) где индексы 1 и 2 относятся к параметрам первой и второй стадии соответственно, а величина Q определяется из формулы оо оо с с X 2N 2/v: -о -о Скрытый слой с мышьяком в качестве легирующей примеси формируется Одностадийно при 1160°С в течение 2,5 ч. Разделительная и базовая диффузии проводятся в две стадии. На первой при 850 ... 950 °С в течение 15... 30 мин в диффузионной трубе проводится загонка бора из парогазовой смеси, содержащей ВВгз, кислород и инертный газ (см. рис. 11.18). Вторая стадия разделительной диффузии проводится после снятия боросиликатного стекла в окислительной атмосфере (кислород и инертный газ) при температурах 1150...1220 °С в течение нескольких часов на глубину 3...10 мкм, в зависимости от толщины эпитаксиального слоя. Вторая стадия,базовой диффузии проводится аналогично второй стадии разделительной диффузии, но при более низких температурах 1100... 1200 °С в течение 0,5...2,0 ч на глубину 2,0 ... 3,0 мкм. Эмиттерная диффузия с использованием парогазовой смеси, содержащей РС1з, О2 и инертный газ, осуществляется в одну стадию при температурах 900... 1100 °С в течение 10 ... 60 мин на глубину 0,8 ... 2,0 мкм. Если диффузия из бесконечного источника идет в среду, равномерно легированную той же самой примесью с концентрацией Ло, то профиль распределения определяется формулой 2y/Dt (11.6) Квадратный корень произведения Dt, входящий в приведенные выше формулы, имеющий размерность длины, называют «диффузионной длиной». Если диффузионный процесс проводится при одной и тон же температур? многократно, то (11.7) Зтим выражением можно воспользоваться для приближенных; оценок эффективной диффузионной длины одной и той же примеси \ при многократной диффузии, если температуры каждого этапа! различаются не очень сильно. Практически при формировании \ транзисторных структур каждая термическая операция, следующая за процессом диффузии какой-либо примеси, приводит к изменению] профиля ее распределения, и эти изменения можно оценить с\ помощью формулы (11.7). Глубина залегания диффузионных р-п переходов. Если идет; диффузия примеси р-типа в материал п-типа с исходной концентрацией jVo (или наоборот), то р-п переходу соответствует равенство! N{x,t) = No. При диффузии из бесконечного источника iV erfc 1 = w (11.8) где Xj - глубина залегания р-п перехода. Вэтом случае глубину залегания р-п перехода очень легко определить по рис. 11.49, основанному на соотношении /Г/, мнн 100  - = erfc-== Цифры вблизи прямых линий - от- ношения No/Ns. Если проводится вторая диффузия примеси противоположного первой типа проводимости, то условие расположения второго перехода соответствует равенству iVjerfc -+iV„=iV„erfc (11.9) Рис. 11.49. Зависимость положения р-п перехо- да от величины -Dt для-различных значение отношения No/Ns где jVs2 и jV.,1, D2 и Di2 - поверхностные концентрации примесей и коэффициенты диффузии второй примеси и первой примеси при температуре второй диффузии соответственно. Для случая диффузии в равномерно легированную среду из ограниченного источника условие формирования р-п перехода выражается равенством (11.10) Если обозначить Q/fnDt через Nso, то можно записать, что р-п переход будет залегать на глубине x2лDtl\nNso/Ns, (11.11) откуда можно сформулировать два практически важных следствия: если при диффузии из ограниченного источника за время /1 р-п переход формируется на глубине X/i, то при идентичных условиях (та же температура, тот же источник) для формирования перехода на глубине Х/г требуется время равное t2={Xji/xpft,; (11.12) поскольку в большинстве практических случаев Nso превосходит No в 10...100 раз, то с точностью около 10 % положение р-п перехода можно оценить по приближенной формуле Х1=5,4л1 Dt . (11.13) Боковая диффузия под окисел. При локальной диффузии примесь мигрирует как перпендикулярно поверхности пластины, так и под край маскирующего окисла, так как процесс диффузии примеси в кремнии изотропен. Для оценочных расчетов можно считать, что х,,{\,0 ...0,8)Xj. Параметры двухстадийной диффузии. Исходными данными для расчета времени базовой или разделительной диффузии являются: поверхностная концентрация примеси jV (0,) [см. ф-лы (11.4, 11.5)], которую необходимо получить после диффузии, температуры диффузии на первой и второй стадиях (загонка и разгонка), заданная глубина залегания р-п перехода х, и концентрация примеси No в кремнии (при базовой диффузии - это концентрация примеси в эпитаксиальном слое). Зная эти величины и используя данные рис. 11.45, определяют время второй стадии диффузии по формуле t2=x]/[4D2\n{NiO,t)/ No)]. Из выражения (11.4) при х=0 получают N{0, 0ллГд"22=2 D,tu (11.14) (11.15) откуда находят время первой стадии диффузии, используя для определения Dp, D2 и Ns графики рис. 11.45 и 11.46 при соответствующих значениях температуры первой стадии (при нахождении значений Di н N * а второй стадии (при определении Лг). При расчете, разделительной диффузии за глубину диффузии принимают толщину эпитаксиального слоя, для гарантии ее увеличивают на 10 ... 20 %. Значение поверхностной концентрации выбирается, исходя из оптимального пробивного напряжения изолирующего р-п перехода у поверхности кристалла. Результирующее примесное распределение в транзисторной структуре показано на рис. 11.50. Эффективные концентрации примесей того или иного типа проводимости на любом расстоянии от поверхности пластины вычисляются как алгебраическая сумма концентраций примесей п- и р-типа проводимостей: Л,Ф. = 2Л,-2Л„ (11.16) Концентрации примесей в подложке и эпитаксиальном слое постоянны по глубине. В базовой области распределение описывается уравнением (11.5), в эмиттерной - уравнением (11.2). Однако при высоких уровнях легирования коэф4)ициент диффузии эмиттерной примеси зависит не только от температуры, но и от концентрации. Начиная с jV= (4 ... 6) • 10"° атомов/см, коэффициент диффузии растет с увеличением концентрации. Причины этого явления окон- Падяажт р-типа  х,тм Рис.=11.50. Распределение концентрации примесей в структуре интегрального /г+ транзистора (а) и распределение эффективных концентраций (б) чательно не установлены, но, вероятнее всего, это связано с появлением путей ускоренной диффузии при высоком уровне легирования (например, с появлением дислокаций). Кроме того, при высоком уровне легирования часть атомов примеси размещается в между-узлиях. Они не поставляют электронов в зону проводимости, электрически нейтральны. По этим двум причинам теоретически рассчитанный по (11.2) профиль эмиттерной примеси при концентрации Л>5-10°cм- не совпадает с действительным. Практическое осуществление процессов диффузии. Чаще всего диффузия примесей проводится в проточном реакторе в потоке газа-носителя (см. рис. 11.18, 11.19), который доставляет к поверхности полупроводниковых пластин примесесодержащее вещество из внешнего источника. Для нанесения локальных, расположенных на поверхности полупроводника источников диффузий, применяют газообразные, жидкие и твердые внешние источники примеси. Газообразными источниками служат, в основном, гидриды примесей (РНз, ВгНе и др.). Они поставляются в баллонах малой емкости в виде сильно разбавленных инертным газом смесей, в диффузионную печь вводятся через вентиль и смеситель вместе с газом-носителем и окислителем (кислородом). Несмотря на очень высокую токсичность газообразных источников они перспективны в связи с их высокой технологичностью. Условно к методу нанесения локального источника из газообразного внешнего источника можно отнести развиваемые в последнее время методы: плазмохимический и реактивного катодного распыления (см. § 11.2). Жидкие внешние источники (находящиеся при нормальных условиях в жидком состоянии) диффузии применяют в настоящее время наиболее широко. Имея высокую упругость паров и находясь в дозаторе (см. рис. 11.18) при фиксированной температуре, они позволяют точно регулировать содержание примеси в газовой фазе, поступающей в диффузионную печь. Локальный источник формируется в виде тонкой (около 0,1 мкм) пленки окисла примеси. Процесс переноса примесей через границу раздела стеклообразный окисный источник - полупроводник сложен и до конца не изучен. Он включает в себя следующие стадии: 1) взаимодействие полупроводникового материала с окислом примесесодержащего вещества; 2) окисление полупроводникового материала диффундирующим через пленку источника кислородом газовой фазы; 3) формирование стекла, состоящего из окислов полупроводника и примеси; 4) образование (в связи с протеканием стадии 1) на границе раздела атомов примеси, их растворение и диффузия вглубь полупроводника; 5) перемещение границы раздела источник - полупроводник вглубь полупроводникового материала (за счет протекания процессов 1 и 2); 6) образование в окисной фазе вблизи границы раздела промежу--точных окислов в связи с дефицитом кислорода в этой области; 7) увеличение толщины окисной фазы в связи с продолжающимися 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 [ 59 ] 60 61 62 63 64 65 66 |