Главная  Интегральный монолит 

[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] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

t,f.>tj>tl>tj


Рис. 1-6. Распределение примесей при ограниченном источнике для различного иреме-ни диффузии.

верхность кремниевой подложки определенного количества атомов примеси на единицу площади непосредственно перед самой диффузией. Затем следует этап самой диффузии, при котором нанесенные на поверхность примеси диффундируют в кремниевую подложку. При этом глубина проникновения примеси во время этапа предварительного осаждения предполагается пренебрежимо малой по сравнению с конечной глубиной р-п перехода, формируемого по окончании этапа собственно диффузии. Таким образом, начальное распределение примеси на поверхности полупроводника N (х, 0) можно принять в виде дельта-функции. Тогда основное уравнение диффузии (1-4) можно решать при граничном условии

.V (А. t)dx = Q = const, (1-8)

где Q - предварительно нанесенная на поверхность концентрация примеси. Соответствующее решение уравнения диффузии можно представить в виде

Профиль распределения примеси, определяемый равенством (1-9), известен как гауссового распределение. Нормированный график этого

(1-9)

распределения иллюстрируется рис. 1-4. На рис. 1-6 показано примерное распределение примесей при ограниченном источнике для различного времени диффузии. Заметим, что при этом типе диффузии поверхностная концентрация примеси No обратно пропорциональна корню квадратному из времени диффузии. При изготовлении интегральных схем диффузия с ограниченным источником применяется обычно для формирования базовой области транзисторов.

Пример. На поверхность кремниевой подложки нанесено Ю атомов на 1 см перед началом диффузии с ограниченным источником. В качестве примеси используется бор. Исходная концентрация примеси п-типа в кремниевой подложке Nb равна 10 атомов/см. Определить глубину перехода, полученного после диффузии в течение 1 ч при температуре 1100°С.

Решение. Коэффициент диффузии бора при температуре 1100°С находим из графика рис. 1-2, £)=3-10-. Уравнение (1-9) переписываем в следующем виде:

Из рис. 1-4 получаем:

= 5,8.105.

- 3,3 И.ПИ X = 1,2 мкм.

Основные свойстве процесса диффузии

При проектировании и разметке монолитных интегральных схем необходимо учитывать следующие три фундаментальных свойства диффузионного процесса:

1. Диффузия примесей во всех областях подложки протекает одновременно. Иными словами, примеси, введенные в полупроводник на более ранних этапах диффузии, продолжают диффундировать и в течение последующих циклов диффузии. Поэтому при вычислении полного эффективного времени диффузии для получения заданного профиля примеси необходимо учитывать влияние последующих этапов диффузии. Это влияние можно оценить, определяя эффективное



значение произведения Dt для заданного профиля примеси:

DtэффDlh+D2t2+Dзtз+

(1-10)

где и, tz, и - времена диффузии на )азличных этапах; Di, D2, Dz - коэффициенты диффузии, определенные при температуре соответствующего цикла.

Например, при изготовлении •планарных устройств эмиттерная область биполярного транзистора формируется с помощью диффузионного процесса, который следует за этапом базовой диффузии. Следовательно, эффективное значение произведения Сфф Для базовой области будет содержать дополнительный член, обусловленный этапом эмиттерной диффузии.

2. Диффузионные профили, определяемые выражениями (1-7) я (1-9), являются функциями аргумента (х1уШ). Следовательно, для заданных уровней поверхностной и исходной концентрации примесей в полупроводнике глубины Xi и Хг переходов,- формируемых во время двух отдельных этапов диффузии и продолжающихся в течение различных периодов времени и при различных температурах, связаны между собой соотношением

1 /

(1-11)

3. Диффузия осуществляется через специальные окна как в толщу яолупроводникоБОЙ подложки, так и в боковых направлениях. При определении поперечных размеров планарных устройств, в особенности интегральных р-п-р транзисторов (см. § 2-1), влияние диффузии в боковых направлениях обязательно должно быть учтено. Рисунок 1-7 иллюстрирует эффект боковой диффузии при различных соотношениях уровней концентрации примесей. На рис. 1-7,а показаны кривые постоянной концентрации для случая диффузии с постоянным источником, .а на рис. 1-7,6 - кривые для случая


2,5 Zfi 1,5 W 0,5 О 0,5 1,0 1,5 Zfi

gj x/zilm

Рис. 1-7. Явление диффузии в боковом направлении при различных соотношениях уровней концентрации примесей C=NINo.

а -с постоянным источником; б - с ограниченным источником.

диффузии С ограниченным источником, в обоих случаях боковая диффузия составляет от 75 до 80% глубины вертикальной диффузии при уровнях концентрации примесей более чем на порядок ниже уровня поверхностной концентрации.

1-3. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС

Эпитаксиальный процесс является методом наращивания, при котором на монокристаллическую структуру кремниевой подложки из газовой фазы осаждаются дополнительные атомарные слои кремния. Эпитаксиальное наращивание или осаждение выполняется в специальной печи, называемой реактором, в которой кремниевая вафля, имеющая очищенную и химически полированную поверхность, нагревается до температуры, при которой про-



исходит диффузионный процесс (т. е. от 1000 до 1200°С). В течение эпитаксиального процесса пары, содержащие кремний, пропускают над нагретой подложкой. В качестве источника кремния обычно используется водород с тетрахлори-дом кремния SiCU или с силаном SiH4. При эпитаксиальном процессе в газовой смеси происходит химическая реакция восстановления, при которой выделяются атомы свободного кремния. Часть этих атомов осаждается на монокристаллическую подложку. При надлежащих условиях осаждения междуатомные силы монокристаллического кремния вынуждают осаждаемые атомы продолжать или надстраивать первоначальную кристаллическую структуру. Таким образом, осаждаемый эпитаксиальный слой образует продолжение исходной кристаллической решетки.

Когда Б качестве источника атомов кремния служит SiCU, а газообразный водород -Б качестве восстановителя, происходит следующая химическая реакция:

SiCl4+2H2Si-b4HCl. (1-12)

Если же Б качестве источника применяется силан, то свободный кремний образуется путем его теплового разложения:

SiH4-2H2-l-Si.

Пм-см

ю да-

да"

да» дП

да"

атомоВ/см

Рис. 1-8. Зависимость удельного сопротивления равномерно легированной примесями кремниевой подложки при температуре 300 К.

Как правило, для процесса с использованием SiCU требуется несколько более высокая температура, чем для разложения силана, и процесс осаждения протекает более медленно.

При эпитаксиальном наращивании для получения осажденного слоя требуемого типа проводимости, и заданной величины удельного сопротивления в газ вводится точнс> определенное количество примеси п- или р-типа. В отличие от процесса диффузии при эпитаксиальном выращивании на подложку достраиваются однородные слои атомов кремния. Таким образом, легирующие примеси оказываются равномерно распределенными по всему эпитаксиальному слою и не имеют градиента концентрации. Кроме того, эпитаксиальный слой можно вырастить над областью, подвергавшейся диффузии, или над другим эпитаксиальным слоем.

Поскольку распределение примесей Б эпитаксиальном слое является равномерным, его лдельное сопротивление р определяется формулой

где q - заряд электрона; N - равномерная концентрация примеси в слое; р - подвижность носителей.

Так как р является неявной функцией концентрации, действительное значение удельного сопротивления чаще всего определяется эмпирическим путем. На рис. l-S показана зависимость удельного сопротивления равномерно легированной кремниевой подложки р- и п-типа или эпитаксиального слоя от концентрации примесей.

Перераспределение примесей при эпитаксиальном процессе

Поскольку процесс эпитаксиального выращивания протекает пр» высокой температуре, имеющиеся в подложке примеси стремятс5Г к перераспределению путем диффу-



[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] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0009