ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 201
Скачиваний: 1
ферических областей планарных р-п переходов (рис. 1.15). На поверхность кремниевой пластины вначале наносится пленка нит рида кремния, затем с помощью фотолитографии нитрид кремния удаляют с поверхности, оставляя его только на тех участках, ко торые будут служить базовой областью будущих транзисторов (рис. 1.15, а).
Далее пластина подтравливается и выращивается толстый (по рядка 1,5—2 мкм) окисел (рис. 1.15, б), а нитрид кремния удаляется.
В открывшиеся островки проводится диффузия бора |
(рис. 1.15, в) |
|||
и далее |
обычными |
методами создается планарная |
структура |
|
(рис. 1.15, г). При этом |
р-п переход коллектора искривлен по пе |
|||
риферии |
меньше, чем в |
обычном плапаріюм варианте, что приво |
||
дит к увеличению |
рабочих напряжений транзисторов, |
изготовлен |
||
ных по этой технологии. Кроме того, толстый окисел обеспечивает более качественную защиту р-п переходов, что положительно ска зывается на надежности приборов. Применительно к интегральным схемам LOCOS-технология обладает еще одним преимуществом: специально подбираемые режимы предварительного подтравливания и окисления дают возможность получить плоскую поверхность окисла над всеми областями активных элементов. В связи с этим металл разводки не подвержен разрывам на ступеньках окисла.
SIMTOP-технология аналогична LOCOS-технологии (рис. 1.16). На кремнии с ориентацией поверхности в плоскости (100) наносится нитрид кремния, затем S i 3 N 4 стравливается с помощью фотолито графии всюду, кроме участков, покрытых фоторезистом, и в изби рательном щелочном травителе оттравливают меза-области. Эти об ласти имеют форму усеченных пирамид на пластинах кремния с ори ентацией (100) (рис. 1.16, а). Далее проводится окисление и созда ется р-п переход (рис. 1.16, б), который так же, как и в планарной структуре, защищен окислом, но имеет плоскую геометрию и обла дает поэтому значительно более высокими пробивными напряжения ми. Диоды, изготовленные по этой технологии, имеют пробивное напряжение 1200 В, в то время как аналогичные диоды с планарной структурой — всего 400 В.
В последнее время появляются элементы нового направления, которое в [9] получило название «наноэлектроники». Элементы эти следующие: экспонирование резистов с помощью остро сфокуси рованного электронного луча, создание р-п переходов с помощью ионного легирования, проверка годности элементов сканирую щим пучком электронов и т. д. Эта технология позволит создавать структуры очень малых размеров, что приводит в ряде специальных случаев к резкому снижению потребляемой мощности. Последнее особенно важно для больших ЭВМ.
Глава вторая
З А К О Н Ы РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В РЕАЛЬНЫХ Т Р А Н З И С Т О Р А Х , ИЗГОТОВЛЕННЫХ
М Е Т О Д А М И М Н О Г О К Р А Т Н О Й Д И Ф Ф У З И И
2.1. Основные положения теории д и ф ф у з и и
Процесс диффузии в полупроводниковой технологии представ ляет собой направленный перенос атомов примесей, обусловленный тепловым движением при наличии градиента концентрации приме си [10]. Диффузионный перенос атомов описывается дифференциаль ным уравнением
J = —DgradW |
(2.1) |
для диффузионного потока Cf, возникающего при наличии гради ента концентрации примесей N. Это уравнение носит название 1-го закона Фика. Для случая изотропной диффузии коэффициент диф фузии D является скалярной величиной, имеет размерность L2T~X и измеряется в см2 /с. В большинстве случаев диффузия в полупровод никах может быть представлена как одномерный процесс, описыва емый уравнением
Cf=—D—, |
(2.2) |
дх |
|
где X — координата, направленная от плоскости источника |
приме |
си в глубь материала. Применяя к последнему выражению урав
нение непрерывности потока dNIdt |
= d£f/dx, получаем |
|
||
dt |
дх |
\ |
дх J |
|
При постоянном коэффициенте D уравнение переходит в |
|
|||
f |
= |
D |
f f , |
(2.4) |
|
dt |
|
дх2 |
|
определяющее распределение концентрации диффундирующих ча стиц в зависимости от времени (2-й закон Фика).
Коэффициент диффузии имеет экспоненциальную зависимость от температуры:
D = D0exp(—A8/kT). |
(2.5) |
Здесь Д(9 — энергия активации; k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, a D 0 определяется видом полупроводни кового материала и диффузанта.
43
Таким образом, решая уравнение (2.4), для каждого конкрет ного случая, можно найти концентрацию в определенный момент времени t для произвольно выбранной точки с координатой х.
Решение уравнения (2.4) может быть выполнено методом раз деления переменных и в общем случае для неограниченного тела имеет вид (см., например, [10])
— оо
Здесь f(x) — начальное распределение концентраций, равное N(x, 0). Наибольший практический интерес представляют два част ных случая этого решения, которые могут характеризовать две стадии диффузии, применяемые в планарной технологии изготов ления транзисторов (см. гл. 1).
Первый случай, соответствующий «загонке» примеси, пред ставляет собой диффузию от поверхности постоянной концентра ции: часто его называют случаем диффузии из бесконечного источ
ника [10]. Для этого случая |
поверхностная концентрация |
Ns |
|||||
остается постоянной |
и граничные |
условия могут быть |
записаны |
||||
в виде N(x > |
0, 0) = |
0, N(0, t > |
0) = |
Ns. |
|
|
|
Решение |
(2.6) в этом случае для полуограниченного |
тела |
при |
||||
нимает вид [10] |
|
|
|
|
|
|
|
|
N (х, t) = Ns |
erfc (х/2 Y Dt), |
(2.7a) |
||||
где erfc {x[2YDt) = 1 — 2/]/ я |
§ |
е-^ац |
— дополнительная функ- |
||||
|
|
|
о |
|
|
|
|
ция ошибок. Если в объеме подложки содержится примесь противо положного типа с исходной концентрацией AfH C X , то результирую щая концентрация равна
# р е а = Я ( * , |
(2-76) |
|
Глубина залегания р-п перехода х0 , где выполняется |
условие |
|
-^рез = 0' определяется |
равенством |
|
NRCX |
= Nserïc(x/2VDi). |
(2-8) |
Рассмотренный пример реализуется при больших |
глубинах |
|
диффузии и малых поверхностных концентрациях, когда |
коэффи |
|
циент диффузии не зависит от концентрации и, следовательно, от координаты X. •
Второй случай с некоторым приближением отражает пере распределение примесей в процессе разгонки и носит название диф фузии из ограниченного источника [1]. Граничное условие для это-
44
го случая означает отсутствие потока примесей для всех |
t > О |
||
через поверхность х = 0, т. е. |
|
|
|
dN(x, |
t>Q) |
= 0. |
(2.9) |
дх |
|
||
|
х=0 |
|
|
Диффузия ведется из слоя толщиной Ah, в котором имеется при месь с постоянной концентрацией N0. Тогда граничные условия представляются в виде
N(x,0)=lN*' |
° ^ |
Х < М ' |
(2.10) |
1 0, |
|
x>Ah, |
|
а решение диффузионного уравнения имеет следующий вид [10]:
"<*-^HwHKw)}- (2Л1)
причем поверхностная концентрация N(0, t) убывает со временем под закону
|
N(0, |
t) = N0(l— |
er fс ( Д А / 2 / Щ ) - |
(2-12) |
||
Применяя разложение в |
ряд Тейлора |
вблизи |
точки х/2}/~Ш |
|||
и ограничиваясь для случая х < Dt!Ah |
и t > |
Ah%ID |
первым членом |
|||
разложения, из |
(2.11)получаем |
|
|
|
|
|
N(x, |
t) « |
N0Ah/VnDlexp |
[—(x/2VTTt)2] |
(2.13) |
||
и для поверхностной |
концентрации |
|
|
|
||
|
|
N (0, t) « |
N0Ah/VnDt. |
|
(2.14) |
|
Таким образом, типовые случаи диффузионных процессов опи сываются соотношениями (2.5), (2.7а), (2.13).
Однако на практике ни один из рассмотренных случаев строго не выполняется. Так, например, коэффициент диффузии обнару живает сильную зависимость от степени дефектности структуры. При диффузии из бесконечного источника в практических случаях проявляется зависимость D от Ns. В типичном для планарной тех нологии процессе диффузии с одновременным окислением наблю дается перераспределение примеси между кремнием и окисным сло ем. Перейдем к более подробному анализу этих явлений.
2.2. |
З а в и с и м о с т ь к о э ф ф и ц и е н т а д и ф ф у з и и |
от к о н ц е н т р а ц и и д и ф ф у н д и р у ю щ е й п р и м е с и |
|
Первые данные по диффузии бора и фосфора в кремнии в тем |
|
пературном |
интервале 1050 — 1250° С были получены Фуллером |
и Дитценбергером [11, 12], которые установили, что скорость диффу
зии бора |
в пределах концентраций от 102 0 до 102 1 с м - 3 и фосфора |
от 6 • 102 0 |
до 9- Ю2 0 с м - 3 одинакова. |
45
Считая, что распределение атомов бора и фосфора при диффу зии из бесконечного источника подчиняется закону дополнительной функции ошибок— erfc [равенство (2.7а)], авторы [11, 12] опреде лили энергию активизации при диффузии Д$ = 3,69 эВ и посто янную D0 = 10,5 см2 /с в выражении (2.5). Однако последующие эксперименты других исследователей показали, что реальные профили распределения бора и фосфора не всегда согласуются с ожидаемым erfc распределением. Так, например, на рис. 2.1 по казаны для сравнения теоретическая кривая распределения по за
кону дополнительной функции ошибок |
(N„ = 9 - Ю 2 0 с м - 3 , D |
= |
|
~ |
1,5-Ю- 1 3 см/с) и экспериментальная |
кривая для фосфора (Т |
= |
= |
1000° С, t = 30 мин) по данным [13]. На графике видно значитель |
||
ное несовпадение экспериментальной кривой, имеющей плоский
участок |
при N(x) = Ы О 2 0 с м - 3 , с erfc распределением, |
которое |
||||
как раз иллюстрирует |
непостоянство |
коэффициента диффузии фос |
||||
фора |
D |
= D(x). Это расхождение наблюдается |
во всех |
случаях, |
||
когда |
|
поверхностная |
концентрация |
фосфора |
Ns превышала |
|
102 0 см-3 .
В работе [13] впервые также определялась концентрация электтрически активного (ионизированного) /Ѵ+-фосфора из измерений поверхностного сопротивления диффузионного слоя Rs я-типа в пла стине кремния р-типа после стравливания тонких слоев ( « 400 А) и полная концентрация фосфора (ионизированного и нейтрального)
N радиоактивным методом. |
Как |
видно из рис. 2.2, |
концентрация |
|||
ионизированного фосфора N+ |
оказывается почти в три раза меньше |
|||||
полной |
концентрации |
фосфора |
N |
в приповерхностной области, |
||
где N+ « 2,5 • 102 0 см~3 и N « |
7-102 0 см~3 . |
|
||||
Это |
означает, что часть |
продиффундировавшего |
фосфора на |
|||
ходится |
в неактивном |
состоянии, |
в виде скоплений — преципита- |
|||
Рис. 2.1. |
Распределение |
продиффун |
Рис. 2.2. Распределение по глубине |
|||
дировавшего фосфора |
по |
глубине по |
полного (кривая / ) и ионизирован |
|||
данным |
работы [13]: |
|
|
ного (кривая 2) фосфора после диф |
||
расчетное, |
эксперименталь |
фузии |
при |
7 , = 1050°С в течение t= |
||
ное. |
|
|
|
^30 |
мин |
[13]. |
46
