Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 205

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

нений (2.16), (2.17) с условиями (2.18)—(2.22), согласно [20], имеют следующий вид:

NA(x,

0 = ( -Ц-^ЛА8 ехр

 

2D,

X

 

 

 

 

 

 

 

 

X

e r f c f - ^ y L - U e r f c l

X

~ ^ L

(2.24)

 

 

1 2YDAt

J

 

{

2VDAt

 

 

 

 

 

 

 

 

2D,

X

 

 

 

 

 

 

 

 

X

erfc ( J^£^-

\ + erf с (

x ~ m

(2.25)

 

enC[2VDBl)+eÜC[2VDBl>\t

 

 

 

 

 

 

N(x,

t) — Na

для

x<.x0(t),

(2.26)

N(x,

t)-=NA(x,

t) + NB(x,

t) для л:

(2.27)

Экспериментальные исследования диффузионных профилей фос­

фора, полученных

при

диффузии

из

жидкого

источника РОС13

в температурном диапазоне 820—1100° С, в цитированной работе [20] убедительно подтвердили предположение о наличии участка с почти постоянной концентрацией, протяженность которого линейно ра­ стет со временем. Как видно из рис. 2.7, лишь при больших време­ нах диффузии (например, для ^ > 6 0 мин при Т — 950° С, / > 9 0 мин при Т = 877° С) рост толщины этого участка прекращается из-за образования окисного слоя вследствие слабого потока кислорода (75 см3 /мин), используемого в смеси с азотом в качестве газа-носи­ теля. Рис. 2.7 иллюстрирует определение постоянной роста первой области £ = xjt. Поверхностная концентрация Ns при этом нахо­ дилась из экспериментальных кривых N = N(x) для каждой тем­ пературы диффузии. Концентрация быстро диффундирующего фосфора на границе раздела NB(x0) определялась экстраполяцией профиля N = N(x) в области малых концентраций, где N = Nв(х), к границе х0. Коэффициент % тогда находится из формулы (2.23). Коэф­

фициенты диффузии D A H D B опре­ делялись по двум точкам х1 и х2 на кривой N = N(x) — одна вблизи гра­ ницы х0, а другая вблизи р-п пере­ хода (рис. 2.6). На основании выра-

Рис. 2.7. Зависимость толщины слоя посто­ янной концентрации фосфора ха от времени при разных температурах диффузии соглас­ но [20].

жения

 

=

N(x^) —

NB{x^)

и

(2.24)

вычислялся

DA .

Коэф­

фициент

диффузии

D B

находился

из равенства N(x2)

=

NB(x2).

Найденные таким образом значения Ns,

 

Nв,

х,

£, DА

,

D B

поз­

волили

Тсай

[20] построить теоретические

профили

N =

NА(х)

+

+N в{х)

с помощью соотношений (2.24) и (2.25), которые удовлет­

ворительно

совпали

с экспериментальными

кривыми

N —

N(x).

На рис. 2.8 даны экспериментальные температурные зависи­

мости параметров диффузии фосфора

£, DА , DB,

NB(x0),

полученные

в [20].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На основании этих графиков и в предположении, что поверх­

ностная

концентрация фосфора

Ng

приближенно равна

типичному

значению 4-10 2 0

с м - 3 , с помощью выражений

(2.24)

и (2.25) можно

Рис. 2.8.. Зависимость от обратной температуры

параметров

диффузии

фос­

фора:

 

 

 

 

а — п о с т о я н н о й линейной скорости роста Z; б — к о э ф ф и ц и е н т а д и ф ф у з и и ф о с ф и д а

крем­

ния DA; е — коэффициенты

д и ф ф у з и и ионизированного

ф о с ф о р а Ов\

г — граничной

кон­

центрации ионизированного

ф о с ф о р а Ыв(Хо)<

 

 

 

52

рассчитывать профили фосфора в эмиттере п-р-п транзисторов для заданных температуры Т и времени диффузии при отсутствии за­ метного окисления поверхности эмиттера в процессе диффузии. Этот случай реализуется при изготовлении СВЧ транзисторов с эмиттерными полосками шириной 3 мкм и менее (см. гл. 10).

Следует заметить, что до сих пор мы рассматривали диффузию фосфора в высокоомную кремниевую пластину я- или р-типа с кон­ центрацией исходной примеси порядка 101 5 — 1016 с м - 3 . В планар­ ных же п-р-п транзисторах диффузия фосфора проводится в диффу­ зионный сильно легированный бором базовый слой р-типа.

Как показано в работе [21], при последовательной двойной диф­ фузии бора или фосфора при поверхностных концентрациях Ns > > 1019 с м - 3 возникают очень сильные деформации решетки с плот­

ностью дислокаций больше 106 с м - 2 вследствие образования

преци­

питаций соединения BP. При поверхностных концентрациях одной

примеси Ns ^ 1019 с м - 3 эти преципитации отсутствовали

и плот­

ность дислокаций была незначительна. Поверхностные концентра­ ции бора Ns в области активной базы после двухступенчатой диффу­ зии в реальных п-р-п транзисторах обычно ниже 1019 с м - 3 , поэтому можно и не учитывать эффекты взаимодействия бора и фосфора.

2.3. Особенности диффузии с одновременным

 

окислением в технологии изготовления

планарных

 

транзисторов

 

 

Как

мы отмечали в предыдущей главе, процесс диффузии при

изготовлении кремниевого пленарного

транзистора осуществляет­

ся в две

стадии и, если первая стадия,

во время

которой вводятся

примеси в кремний, не отличается от аналогичных процессов при изготовлении различных диффузионных приборов, то вторая ста­ дия — перераспределение примесей в планарной технологии — про­

водится

одновременно с окислением, что

вносит свою

специфику

в процесс диффузии. Перераспределение примеси между

кремнием

и растущим окислом

называется сегрегацией примеси. Перераспре­

деление

характеризуется

коэффициентом

сегрегации

ks,

представ­

ляющим

собой отношение

концентрации

примесей,

внедрившихся

в окисел Afsio, (х, /),

к концентрации оставшихся примесей в крем­

нии на границе раздела с окислом [22]*': ks

— Ы^юг

/А^ь

Кроме того, перераспределение примесей зависит от отношения коэффициента диффузии примеси в кремнии к коэффициенту диффу­

зии той же примеси в двуокиси

кремния г — DSi/£>sio2> а также от

отношения коэффициента У К,

входящего в параболическую зависи­

мость скорости окисления X 2

=

К(, к корню

квадратному из ко­

эффициента диффузии в кремнии — Y^/V^si-

Если коэффициент

*> Следует заметить, что в настоящее время отсутствует однозначное определение коэффициента сегрегации. Некоторые авторы, например [1], подразумевают под коэффициентом сегрегации обратную величину ms =

53

Рис. 2.9. Профили

распределения примеси

в системе Si — Si0 2 при

диффузии

с

одновременным

окислением для

разных

значений

коэффициента

сегрегации

и

параметра

r = D s i / D s i 0 2 .

 

 

 

 

сегрегации

ks <

1 и скорость

диффузии в

окисел мала

(г > 1),

то это означает, что растущий окисел «выталкивает» примесь в крем­ ний и концентрация примеси увеличивается в поверхностном слое

кремния (рис. 2.9, а). В случае ks

<

1, но при достаточно быстрой

диффузии примеси через окисел

(г

1) может происходить обед­

нение (рис. 2.9, б). При ks > 1 и при любых значениях параметра г окисел поглощает примесь и концентрация ее уменьшается в при­

поверхностном слое кремния (рис. 2.9, в, г).

Значения коэффициента

сегрегации^ =

NsxojNsi

приведены в табл. 2.1.

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

2.1

П р и м е с ь

 

ks =

NSiOjNS,i

 

Галлий

 

 

0,001—0,05

 

Бор

 

 

2—10

 

Алюминий

 

 

103

 

Фосфор, сурьма,

мышьяк

 

0,1—0,001

 

На величину обеднения или обогащения примесями приповерх­

ностного слоя однородно легированной пластины кремния

(NJNacx)

можно влиять, изменяя скорость окисления К-

 

 

На рис. 2.10, взятом

из [1], показано

такое

изменение

содер­

жания бора и фосфора в процессе окисления при различных тем­ пературах в сухом и влажном кислороде, пропускаемом через на­ гретую до 95° воду. Как видно, накопление фосфора на поверхности

кремния при обычных

режимах

незначительно

(Ns/Nucx

<

1,5),

а обеднение кремния бором весьма существенно Ns/Nacx

— 0,8 —

0,2.

 

 

 

 

 

 

 

С учетом процесса перераспределения примесей во время диффу­

зии с окислением уравнение диффузии (2.4) переходит в

 

 

dN(y,t)

 

d*N(y,t)

• b dX(t)

dN(y,t)

 

„

2 g )

dt

2

dy*

dt

dy

'

 

 

54

Рис.

2.10.

Влияние

температура и

NS/NK%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

условий

окисления

на

перераспре-

ц ,

 

 

 

 

~і—I—гтттттт

деление

примесей [1] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фосірор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

„

1000 "С

 

где

последний

член

в

правой

 

 

 

 

 

влаж

 

 

„

 

12001'С

ный

 

 

части

представляет

собой

по­

г

Влажный

О?

 

920"С _

1200"О

ог

 

 

іХГ

 

правку,

учитывающую процесс

 

Сухой Ог

 

*^*вла>кный

О2

перераспределения.

 

 

 

 

 

 

 

 

1100 С

 

 

 

В

 

 

этом

 

уравнении

 

 

920 °С

 

Влажный

Öz

і

Л? =

N(y(t),

f)

— концентрация

0,8

Сухой О?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

примеси,

а

у — х — ЬХ(І) —

 

 

 

 

 

 

 

Бор

 

подвижная

координата,

отсчи­

0,6

 

 

 

 

 

 

 

тываемая

от мгновенной

грани­

_ 1200°С

1200"С

 

 

о

 

цы

раздела

кремний — двуо­

 

 

 

 

 

Сухой Oz

 

Влаж1100 С

 

кись кремния (рис. 2.11);

X[t)—~

о л

 

 

 

ный

Влаж-

,пппо„

 

 

 

SJ>2

ный О,

толщина

пленки

окисла

в мо­

 

 

 

1100°(Г<±

 

\

 

I000

°-

мент

времени

t, a

bX(t)

—тол­

0,2

 

°«'°*

 

 

 

 

 

ж

щина

кремния,

использованного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сухой Oz

 

920у\

при

образовании

этой пленки.

 

 

I

' I

I I

I

I

Сухой 0г

Для

системы

кремний — двуо­

0,1

 

I

I I Mill

кись

 

кремния

Ъ =

0,44

[22].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Величина dX(t)ldt

представляет

собой

скорость

роста окис­

ной пленки, которая находится из

выражения

[1] X* -\-

 

aiX=a2t.

При температурах разгонки Т ^

1100° С и при толщинах окис­

ла X >

2000 А последнее равенство переходит в хорошо

известный

параболический закон [1] X2

—

где К зависит

от

темпера­

туры и окислительной среды. Таким образом, для параболического

закона

роста окисной

пленки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dX{t)ldt

=

K/2VZ

 

 

 

(2.29)

Для уравнения

(2.28) начальное и граничное условия задаются

следующим

 

образом. При t — 0 распределение примесей

соответ­

ствует распределению при загонке:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nx{y) = NJ{y),

 

 

 

(2.30)

где f(y)

— erîc(î//2|/D1 ^1 )

при не очень больших поверхностных кон-

центр ациях диффузанта

(Ns0 ^

5

101 9 с м - 3

для бора и фосфора),

когда

коэффициент

 

диффузии

SiOz

 

Si

 

Dx на этапе

загонки

в

течение

 

 

 

 

1

1

 

 

 

времени tx

 

можно

считать по­

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

стоянным

и

не зависящим от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

концентрации. Поскольку обыч-

'•с

1

>>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1 bX(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

|<

>

 

 

Рис. 2.11. Система координат, учиты­

 

1

1

 

 

 

вающая

рост

окисла на

поверхности

 

t=0

—

.

_afc.

кремния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

55

Смотрите также файлы