Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 209

Скачиваний: 1

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

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-

60

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

о>

 

1150°С

 

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).

 

61

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

62

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

 

 

 

 

 

 

 

cw2 (x,

 

D

а

3

2

 

 

 

t)

 

 

УѴ (X,

t)

(2.42)

dt

 

 

 

 

dx2

 

 

 

2

 

 

 

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.

 

 

63

0,01

 

0,65

0,70

0,75

0,80 10*

 

0,001 I

 

I

I

I

I,

 

 

 

 

0,66 0,72

0,78

JO3

 

 

л I

I

I

I

j

T, К

 

 

 

 

I

• 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

в

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

и

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)

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

64

Смотрите также файлы