Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
К Б Э p n + n + p n p n + p n p p n 129 Поверхностное сопротивление этой диффузионной области обыч- но составляет 180-200 Ом/ . Сопротивление прямоугольного резисто- ра может быть определено по формуле ф s s к b l R r r = = , где - R сопротивление резистора; - s r поверхностное сопротивление; - l длина резистора; - b ширина резистора. - ф к коэффициент формы. Минимальная ширина резистора ограничивается возможностями ме- тода получения рисунка. При современной технологии она составляет 10-15 мкм. Максимальная длина резистора ограничивается размерами подложки, и обычно коэффициент формы ф к не превышает 100. Сле- довательно, максимальное сопротивление, которое может быть реали- зовано в базовом слое, не превышает 20 кОм. Для получения резисто- ров с сопротивлением более 20 кОм используют пинч-резисторы (рис.7.4). Для их изготовления базовую область ограничивают сверху эмиттерной областью. Сопротивление таких резисторов возрастает в результате уменьшения площади сечения и за счет использования бо- лее слабо легированной донной части базовой области. Рис. 7.4. Структура пинч-резистора Для реализации более высокоомных резисторов используются слои, легированные путем ионного внедрения, и обладающие поверх- ностным сопротивлением вплоть до 10 4 -10 5 Ом/ . Низкоомные резисторы порядка сотен Ом изготавливают в эмит- терной области. При поверхностном сопротивлении эмиттерной об- ласти s r =3-5 Ом/ удается реализовать резисторы сопротивлением вплоть до единиц Ом. p n + p n 130 Роль конденсаторов в биполярных ИМС играют обратно смещен- ные n p - переходы. Как правило, используется емкость p-n перехода коллектор-база. При использовании n p - перехода эмиттер-база можно реализовать емкости в 5-7 раз больше, но такие конденсаторы будут иметь низкое пробивное напряжение. Кроме использования ем- кости обратно смещенных n p - переходов применяют МДП- конденсаторы (рис.7.5). Нижней обкладкой такого конденсатора явля- ется высоколегированная эмиттерная область. Рис. 7.5. Структура МДП-конденсатора. Главным элементом МДП ИМС является МДП-транзистор с ин- дуцированным - n каналом (рис.6.6). Две легированные области ис- ток И и сток С обратимы. Стоком является та из них, на которую (при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носи- тели заряда. Металлический электрод, создающий эффект поля, назы- вают затвором З. Исток обычно соединяют с основной пластиной по- лупроводника - подложкой. Функции пассивных элементов МДП ИМС эффективно выполняют сами МДП-транзисторы. Так нормально от- крытый транзистор при замыкании стока с затвором может служить резистором. Такой резистор занимает значительно меньшую площадь по сравнению с диффузионным резистором. Конденсаторами в этих схемах являются МДП конденсаторы. Рис. 7.6. Структура МДП-транзистора p n + p n n + n + C З И 131 7.2. Выбор материала подложек полупроводниковых ИМС Полупроводниковые материалы в полупроводниковых приборах и ИМС являются не только элементом конструкции, а в их объеме, при- поверхностном слое и на поверхности формируются структуры, кото- рые представляют собой или отдельные приборы или элементы ИМС. Для этой цели, как правило, служат монокристаллические полупро- водниковые пластины. Пригодность полупроводникового материала для использования при изготовлении приборов и ИМС определяется в основном параметрами, зависящими от его физических свойств: опти- ческих, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней и др. Очень важны электрические свойства полупроводниковых материалов: тип электропроводности, концентрация носителей заряда, их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина, которые зависят от технологии получения полупроводника. В настоящее время в полупроводниковой электронике использу- ются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др. Наи- большее применение получил кремний. Если обратиться к истокам твердотельной электроники, а именно к моменту создания биполярного транзистора, то развитие технологии было связано с использованием германия в качестве полупроводнико- вого материала. Однако в некоторых случаях приборы на основе гер- мания оказались нестабильными из-за высоких токов утечки n p - переходов, что является следствием относительно узкой ширины за- прещенной зоны (0,66 эВ). Кремний, ширина запрещенной зоны кото- рого равна 1,1 эВ, заменил германий и позволил почти полностью ис- ключить его как материал для производства твердотельных приборов. Кремниевые приборы могут работать в более широком диапазоне температур. Кроме того, преимущество кремния состоит в том, что на его поверхности технологически просто выращивается термический окисел высокого качества, который служит хорошим изолятором, а также маской при диффузии, являющейся надежным барьером для проникновения примесей. Окись же германия гигроскопична и раство- рима в воде. Небольшая величина собственного удельного сопротивления гер- мания (47 Ом ×см) препятствует созданию выпрямительных приборов с высоким пробивным напряжением. Собственное удельное сопротив- ление кремния составляет величину 230 кОм ×см, в связи с чем этот элемент стал основой не только высоковольтных выпрямительных 132 приборов, но и некоторых видов приборов, работающих в качестве датчиков, чувствительных в инфракрасной области спектра. И, нако- нец, в экономическом отношении применение кремния в электронике более выгодно, чем использование германия, так как стоимость крем- ния высокого уровня чистоты в 10 раз ниже стоимости германия. В последнее время происходит стремительное развитие техноло- гии полупроводниковых приборов и ИМС на основе соединений 5 3 B A . Это обусловлено высокой подвижностью носителей заряда, характерной для арсенида галлия и других соединений 5 3 B A . Если у кремния подвижность электронов составляет 1450 см 2 В -1 с -1 , то у арсе- нида галлия ( ) GaAs она 8800 см 2 В -1 с -1 , фосфида индия ( ) InP 4600. Ширина запрещенной зоны этих соединений также выше, чем у крем- ния - Si ( 1,1 эВ, - GaAs 1,43 эВ, - InP 1,34 эВ). Однако широкое применение этих материалов в настоящее время ограничивается слож- ностью технологии как при выращивании слитков, так и на операциях легирования, нанесения диэлектрика и т.д. Кремниевые пластины для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС выпускаются промышленностью трех видов: одно- слойные пластины - p и - n типов, двухслойные - p и - n типа с эпитаксиальным - n слоем, покрытые оксидом или нитридом крем- ния, двухслойные - p типа с эпитаксиальным - n слоем и скрытым - + n слоем. В маркировке однослойных пластин указывается матери- ал пластины, тип проводимости, легирующий элемент и удельное со- противление [10]. Например, КДБ-10 означает кремний (К) дырочной электропроводности (Д), легированный бором (Б), с удельным сопро- тивлением 10 Ом ×см. Двухслойные пластины маркируются дробью с числовым коэффициентом, например, 1 200 1 , 0 10 80 - - КДБ КЭФ . Числовой коэффициент перед дробью означает диаметр пластины (80 мм), пер- вая цифра в числителе соответствует толщине эпитаксиальной пленки (10 мкм), а в знаменателе - толщине пластины - p типа (200 мкм). Остальные буквы и цифры имеют те же значения, что и для однослой- ных пластин. Двухслойные пластины со скрытым слоем маркируются, например, следующим образом: 10 300 5 2 / 2 , 0 5 100 - - КДБ КЭМ КЭФ , 133 где 2КЭМ5 - характеристика скрытого слоя кремния (К) электронной электропроводности (Э), легированного мышьяком (М), толщиной 2 мкм с поверхностным сопротивлением 5 Ом/ . 7.3. Технологические особенности изготовления полупроводниковых ИМС Специфической особенностью изготовления полупроводниковых ИМС является интегрально-групповой метод производства. Суть его заключается в том, что за один технологический цикл обрабатывается большая группа пластин, на каждой из которых создается до несколь- ких тысяч идентичных схем. Тем самым достигается основная цель интегрально-групповых методов производства - повышение качества и процента выхода годных схем, а, следовательно, снижение их стоимо- сти. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее число операций техпроцесса может достигать 200. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам, методам контроля и техно- логическому оснащению методы обработки. Все операции по произ- водству ИМС можно разделить на три группы: 1) заготовительные процессы - получение и обработка монокристал- лических подложек, изготовление корпусов; 2) обрабатывающие процессы - объединяют операции, необходимые для формирования структур интегральных микросхем: литогра- фия, окисление, эпитаксия, легирование и т.д.; 3) сборочные операции - резка, монтаж, разварка выводов, контроль. Для получения рисунка элементов ИМС микронных размеров ис- пользуют фотолитографию, а субмикронных размеров - электроноли- тографию, рентгенолитографию и ионолитографию. С помощью лито- графии создают контактные маски для диффузии, травления, окисле- ния, которые обеспечивают получение элементов любой конфигура- ции. 8. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 8.1. Легирование полупроводников диффузией Основой полупроводниковой технологии является создание n p - переходов путем легирования. Сущность легирования состоит во внедрении легирующей примеси в кристаллическую решетку полу- проводника и образование области с противоположным типом прово- 134 димости. Эта область ограничивается n p - переходом. Количество вводимой примеси должно быть достаточным для компенсации ранее введенной примеси и создания ее избытка. Легирование можно осуществлять путем термической диффузии примеси в полупроводник, нагретый до высокой температуры, и вне- дрением ионов примеси с высокой энергией (ионное легирование). В настоящее время наиболее распространенным является метод диффу- зии. Диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотиче- ским тепловым движением атомов, возникающий при наличии гради- ента концентрации данного вещества и направленный в сторону убы- вания этой концентрации. Ввиду конечной скорости диффузии кон- центрация введенной примеси убывает в направлении от поверхности, через которую происходит диффузия, вглубь. Переход образуется на глубине , pn x где концентрация введенной примеси оказывается рав- ной концентрации исходной примеси исх N (рис.8.1). Рис. 8.1. Распределение примеси в полупроводнике при термической диффузии. 135 Для получения слоев дырочного типа проводимости в качестве легирующей примеси используют элементы III группы: бор, индий, галлий, алюминий, а для получения слоев электронного типа проводи- мости применяют элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьму. Вы- бор легирующего элемента среди названных производится с учетом скорости диффузии и предельной растворимости примеси (табл.8.1). Предпочтение отдается веществам, имеющим высокие предельную растворимость и скорость диффузии. Как видно из рисунка 8.2, макси- мальной предельной растворимостью примесных элементов в кремнии обладают мышьяк, бор и фосфор. Кроме того бор и фосфор имеют вы- сокую скорость диффузии. Поэтому из всех предложенных элементов наиболее широкое применение получили именно бор и фосфор. Одна- ко при создании мелких эмиттеров (глубина залегания n p - перехо- да эмиттер-база меньше 2 мкм) и скрытых слоев большая скорость диффузии нежелательна. В первом случае это приводит к слишком малому технологически неуправляемому времени диффузии, а во вто- ром случае к размытию границы скрытый слой - эпитаксиальная плен- ка. В этом случае используют элементы, имеющие малую скорость диффузии, такие, как мышьяк и сурьму. Рис. 8.2. Зависимость предельной растворимости примесных элементов в кремнии от температуры 136 Скорость процесса диффузии определяется коэффициентом диф- фузии D , равным числу атомов, проходящих через площадку в 1 см 2 за 1 с. Коэффициент диффузии D зависит от температуры, энергии связи примесных атомов в решетке, концентрации вакансий и других факторов. Температурная зависимость коэффициента диффузии D определяется уравнением Аррениуса и имеет вид ( ) , / exp 0 kT E D D a - = (8.1) где - 0 D кажущийся коэффициент диффузии, численно равный коэф- фициенту диффузии при бесконечно большой температуре; - a E энергия активации, характеризующая энергию, необходимую для перехода атома примеси в соседний узел решетки. Свойства элементов, используемых в качестве легирующих примесей кремния, приведены в табл.8.1. Однако, используя уравнение Арре- ниуса, невозможно произвести точный расчет коэффициента диффу- зии, поскольку он не учитывает влияния вакансий и других дефектов решетки, а также влияние концентрации исходной и диффундирующей примесей. Таблица 8.1 Свойства различных элементов как легирующих примесей кремния Элемент Энергия актива- ции, эВ Кажущийся коэффици- ент диффу- зии, см 2 с -1 Коэффици- ент сегре- гации Предельная растворимость при Т=1473 К, см -3 Бор 3,7 11,5 0,3 5 ×10 20 Галлий 3,5 3,3 20 4 ×10 19 Индий 3,9 16 10000 10 19 Фосфор 4,4 1400 10 1,2 ×10 21 Мышьяк 3,6 0,44 10 1,7 ×10 21 Сурьма 3,9 4 10 6 ×10 20 Математическое описание диффузионных процессов предложено Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопровод- ности. Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентраций 137 , t dx dN D I ÷ ø ö ç è æ - = (8.2) где - I плотность потока вещества, проходящего через единицу пло- щади в единицу времени, см -2 с -1 ; - dx dN градиент концентрации примеси в направлении диффузии; Второй закон Фика определяет скорость накопления растворен- ной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии 2 2 dx N d D dt dN = (8.3) Решение уравнений Фика при различных граничных и начальных условиях позволяет определить профиль распределения примеси при конкретных параметрах процесса диффузии. При создании диффузи- онных профилей в элементах интегральных схем осуществляют диф- фузию из неограниченного источника примеси и из ограниченного источника в полубесконечный полупроводник. Диффузия из неограниченного источника предполагает такое со- стояние системы, когда количество примеси, уходящей из приповерх- ностного слоя полупроводника в его объем, равно количеству приме- си, поступающей в приповерхностный слой. Это возможно, когда кон- центрация примеси источника заметно не изменяется в процессе диф- фузии. Граничные условия для этого случая могут быть записаны ( ) ( ) ( ) , 0 0 , 0 , 0 0 0 , 0 0 = > ¥ ® = ³ = = = > t x N N t x N t x N (8.4) где - x расстояние от поверхности; - = 0 x координата поверхности, через которую происходит диф- фузия; - 0 N поверхностная концентрация примеси, поддерживаемая по- стоянной в течение всего процесса; - ) , ( t x N концентрация примеси на любой глубине в любое время; - t время диффузии. Диффузия из неограниченного источника является реальным слу- чаем в производстве ИС и представляет первый этап диффузии, зада- чей которого является введение в кристалл определенного количества 138 примеси. В результате образуется тонкий приповерхностный слой, насыщенный примесью. В производстве этот этап называется загонкой примеси. Распределение концентрации примеси по глубине, полученное при решении уравнения (8.3) при граничных условиях (8.4), имеет вид , 2 2 1 0 0 Dt x erfc N Dt x erf N N = ÷ ø ö ç è æ - = (8.5) где - 0 N концентрация примеси на поверхности пластины; - Dt x erf 2 функция ошибок, erfc означает дополнение (до еди- ницы) функции ошибок ( ) , exp 2 1 0 2 dy y y erfc y ò - - = p - D коэффициент диффузии при температуре загонки; - t время загонки. Дозу легирования Q , т.е. число атомов примеси, введенное в кристалл на этапе загонки за время диффузии через площадку в 1 см 2 , можно получить, используя первый закон Фика (8.2), подставляя вме- сто N его значения из уравнения (8.5) 4 exp 2 1 2 0 0 2 0 0 0 t D N Dt x Dt DN dx dN D I x x x p p = = ú û ù ê ë é - × = ÷ ø ö ç è æ - = = = = (8.6) Интегрируя полученное выражение по времени, определим дозу леги- рования Dt N Dt N dt t D N Idt Q t t 0 0 0 0 2 / 1 0 13 , 1 2 = = = = ò ò - p p . (8.7) Для уменьшения температурного воздействия (уменьшения влияния фактора Dt ) поверхностную концентрацию на этапе загонки выбира- ют максимально возможной, т.е. соответствующей предельной раство- римости примеси при данной температуре. Температурная зависи- мость предельной растворимости для разных веществ представлена на 139 рис.8.2. Заменив 0 N на величину предельной растворимости p N , уравнение (8.7) примет вид 13 , 1 Dt N Q p = (8.8) Учитывая закон распределения примеси в полупроводнике на этапе загонки, можно представить профили распределения примеси в полупроводнике при разных временах загонки (рис.8.3). Рис. 8.3. Профиль распределения примеси на этапе загонки Диффузия из ограниченного источника представляет собой вто- рой этап диффузии - этап разгонки. На этапе разгонки примесь, вве- денная при загонке, распределяется вглубь полупроводника. При этом поверхностная концентрация примеси с течением времени убывает. Граничные условия для решения уравнения Фика на этапе разгонки имеют вид ( ) p N x t N = = = 0 , 0 ( ) , 0 , 0 = ¥ ® > x t N (8.9) а профиль распределения примеси при этом описывается уравнением Гаусса 140 , 4 exp 2 0 ÷÷ ø ö çç è æ - = Dt x N N (8.10) где - 0 N концентрация примеси на поверхности диффузионной об- ласти, полученная в результате разгонки примеси в течение време- ни разгонки ; t - D коэффициент диффузии при температуре разгонки. Данное выражение описывает истинное распределение примеси тем точнее, чем тоньше слой, из которого происходит диффузия. Оно по- лучено в предположении, что поступление примеси в кристалл извне и испарение из кристалла практически отсутствуют. На практике этап разгонки заключается в нагреве пластин в окислительной среде. Обра- зующаяся окисная пленка предохраняет введенную примесь от испа- рения. Распределение примеси по глубине представлено следующими зависимостями, представленными на (рис.8.4). Рис. 8.4. Профили распределения примеси на этапе разгонки По распределению Гаусса можно определить глубину залегания n p - перехода, положив концентрацию введенной примеси N при 141 pn x x = равной концентрации исходной примеси исх N на этой же глу- бине pn x 2 / 1 0 ln 2 ÷÷ ø ö çç è æ = исх pn N N Dt x (8.11) Решающими технологическими факторами процесса диффузии явля- ются время диффузии, температура, растворимость примеси, свойства источника диффузанта, условия на поверхности и т.д. Точность под- держания этих параметров определяет стабильность и качество диф- фузионных структур, а, следовательно, и элементов ИМС. |