Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
8.4. Технология получения диффузионных n p - переходов При изготовлении полупроводниковых ИМС локальную диффу- зию примеси проводят с использованием маски из оксида кремния, окна в которой получены методом фотолитографии. Как уже отмеча- лось, диффузию чаще всего проводят в две стадии. Вначале на поверх- ности пластины создают относительно тонкий диффузионный слой с высокой концентрацией примеси, а затем пластину нагревают в атмо- сфере кислорода, не содержащей примесь, в результате происходит перераспределение примеси из приповерхностного слоя в пластину. На поверхности пластины протекает реакция кремния с кислородом с об- разованием пленки 2 SiO , которая препятствует обратной диффузии примеси. Для получения легированных областей использовать чистые ле- гирующие элементы обычно трудно: бор тугоплавкий и при темпера- туре диффузии имеет ничтожно малую упругость пара, фосфор при нагреве легко воспламеняется, мышьяк высокотоксичен. Поэтому в качестве источников примеси применяют различные соединения (ан- гидриды, галогениды, гидриды) легирующего элемента, обладающие достаточной летучестью и позволяющие обеспечить нужную концен- трацию примеси. Такие соединения получили название диффузантов. В зависимости от состояния при температуре 20 о С различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты. В зону диффузии, где располагают кремниевые пластины, диффузант вводят в газообразном или (твердые и жидкие) в парообразном состоянии. Источники твер- дых и жидких диффузантов должны содержать регулируемые нагрева- тели для создания нужного давления пара. 156 Общим недостатком твердых диффузантов ( ) 5 2 3 2 , O P O B являет- ся трудность регулирования давления паров и, как следствие, пони- женная воспроизводимость результатов диффузии. Кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, что усложня- ет и удорожает оборудование. Обычно используют двухзонные диф- фузионные печи с камерой источника и камерой диффузии, каждая из которых имеет автономную систему нагрева и регулирования темпера- туры. При работе с жидкими диффузантами ( 3 3 , PCl BBr и др.), обла- дающими высокой упругостью пара при невысоких температурах, применяют более простые, однозонные печи. Для транспортировки паров диффузанта в зону диффузии (реактор) используют аргон и дру- гие газы, не взаимодействующие с кремнием и практически не диф- фундирующие в него. Наиболее технологичны газообразные диффузанты ( 3 6 2 , PH H B и др.), регулирование концентрации которых достигается наиболее простыми средствами. Источником в этом случае является баллон со сжатым газом (обычно гидридом). Результаты диффузии характеризуются высокой воспроизводимостью. Недостатком гидри- дов, ограничивающим их применение, является высокая токсичность, что требует более тщательной герметизации элементов установки, сбора продуктов реакции на выходе установки, контроля производст- венной атмосферы. Предельно допустимые концентрации в помеще- ниях следующие (мг/м 3 ): диборана - 0,5, фосфина - 0,1, арсина ( ) - 3 AsH 0,3 и стибина ( ) - 3 SbH 0,05. Рис. 8.12. Схема однозонной диффузионной печи 1 - источник жидкого диффузанта; 2 - кран; 3 - ротаметр; 4 - кварцевая труба; 5 - газосмеситель; 6 - нагреватель; 7 - кварцевая кассета с пластинами 157 На рис.8.12 представлена схема однозонной диффузионной печи с источником жидкого диффузанта. Зона диффузии располагается в кварцевой трубе, снабженной резистивным нагревателем. Длина трубы должна быть такой, чтобы можно было создать рабочую зону (зону загрузки) длиной 40-60 см и поддерживать в ней температуру до 1250 о С с точностью ±0,25-0,5 о С, а также чтобы имелись нерабочие зоны по обе стороны от зоны загрузки с достаточно малым градиентом температуры. Диаметр трубы должен примерно вдвое превышать диа- метр обрабатываемых пластин. Кварцевые трубы сохраняют прочность до 1250 о С. При более высоких температурах предпочтительнее ис- пользовать трубы из корунда ( ) 3 2 O Al Операционный цикл двухстадийной диффузии включает в себя следующие переходы: 1) "промывка" реактора аргоном с расходом до 150 дм 3 /час; 2) вывод реактора на заданный температурный режим; 3) загрузка кассеты с пластинами и прогрев ее в течение 10 мин с подачей аргона для удаления десорбирующихся газов; 4) подача аргона с парогазовой смесью (диффузант, кислород); 5) выдержка при постоянной температуре в течение контролируемо- го времени (собственно этап загонки); 6) прекращение подачи смеси; 7) вывод реактора на заданный температурный режим разгонки; 8) подача аргона с кислородом; 9) выдержка при постоянной температуре в течение контролируемо- го времени разгонки; 10) прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с подложками. Весьма важную роль в диффузионном процессе играет окисляю- щая среда. Добавление небольшого количества кислорода в парогазо- вую смесь на этапе загонки (п.4) приводит к образованию тонкой пленки 2 SiO на поверхности пластины, что предохраняет поверхность кремния от эрозии. Проведение этапа разгонки в окисляющей среде (п.8) предотвращает, как уже указывалось, выход примеси, введенной на этапе загонки (создание конечного источника), за счет образования толстой пленки 2 SiO 8.5. Контроль параметров диффузионных слоев Так как диффузия является одним из основных технологических процессов при изготовлении полупроводниковых ИМС, то после каж- дой операции диффузии производится контроль пластин. Контроли- 158 руемыми параметрами являются глубина залегания n p - перехода pn x и поверхностное сопротивление s r (поверхностная концентрация 0 N ). Поскольку значение этих параметров не зависит от площади диффузии, измерять их можно на пластине - "свидетеле", которую од- новременно с рабочими пластинами вводят в зону диффузии. Величину pn x определяют методом сферического шлифа (рис. 8.13). Рис. 8.13. Измерение сферического шлифа. На поверхности пластины вышлифовывается лунка с помощью вращающегося шарика диаметром D на глубину больше глубины за- легания n p - перехода. Для четкого выявления n p - перехода применяют химическое окрашивание шлифа. При обработке шлифа в растворе 20 ч HF + 100 ч 4 CuSO - n области покрываются медью, а при обработке в плавиковой кислоте HF с добавлением 0,1 % 3 HNO - p области темнеют. Измеряя с помощью инструментального микро- скопа геометрические параметры шлифа 1 d и 2 d , рассчитывают глу- бину залегания n p - перехода по следующему выражению D d d x pn 4 2 2 2 1 - = Поверхностное сопротивление слоя s r может быть измерено с помощью мостовой схемы (рис.8.14) четырехзондовым методом. 159 Рис.8.14. Схема измерения удельного поверхностного сопротивления полупроводниковых материалов четырехзондовым методом. Установив ноль гальванометра G , определяют величину напряжения U и протекающего в схеме тока I . Величина поверхностного сопро- тивления s r определяется по формуле I U s 53 , 4 = r (8.36) Эта формула справедлива при расстоянии между зондами S много больше глубины залегания n p - перехода и при диаметре пластины много больше S . Обычно величина S выбирается порядка 1 мм. Между поверхностным сопротивлением слоя s r и поверхностной концентрацией 0 N существует жесткая связь. Зная s r по методике, приведенной в подразделе 8.2, можно определить 0 N , воспользовав- шись кривыми на рис. 8.5, 8.6, 8.8 и 8.9. 160 8.6. Технологические погрешности диффузионных элементов При расчете требуемой точности функционального узла, наряду с другими компонентами, необходимо знать значения технологической составляющей общей погрешности выходного параметра. Технологи- ческий компонент, в свою очередь, складывается из погрешностей вы- ходного параметра на каждой операции технологического процесса. В основу расчета погрешностей диффузионных элементов поло- жены функциональные связи выходных параметров этих элементов со свойствами и геометрией легированных областей. Так для диффузион- ных резисторов эти связи устанавливаются выражением b l R s r = , (8.37) где - s r поверхностное сопротивление слоя; - l длина резистора; - b ширина резистора. В общем виде функциональную связь выходного параметра с оп- ределяющими параметрами входящих элементов n x x x , 2 1 можно записать ( ) n x x x f y , 2 1 = (8.38) Для установления зависимости между погрешностью выходного пара- метра и погрешностями входящих элементов можно воспользоваться правилами дифференцирования. Для функции нескольких переменных при условии ее дифференцируемости по формуле полного дифферен- циала можно записать n n dx x f dx x f dx x f dy ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ = 2 2 1 1 . (8.39) Перейдя от дифференциалов к конечным приращениям при усло- вии малости последних, разделив обе части полученного выражения на уравнение (8.38) и выполнив математические преобразования, полу- чим значение относительной погрешности выходного параметра n n n x x A x x A x x A y y D + + D + D = D 2 2 2 1 1 1 , (8.40) где f x x f A f x x f A f x x f A n n n ¶ ¶ = ¶ ¶ = ¶ ¶ = ;... ; 2 2 2 1 1 1 161 Производственные погрешности выходного параметра - случайные величины, поэтому для их расчета можно применить метод, исполь- зующий основные положения теории вероятности. Согласно этому методу случайная погрешность определяется 2 2 2 i i i y K A d d S = , (8.41) где - y d случайная погрешность; - i d допустимая относительная погрешность - i K коэффициент относительного рассеяния i-того элемента, ко- торый, согласно эксперименту, можно принять равным единице. Учитывая это, относительную погрешность сопротивления диффузи- онного резистора можно записать 2 2 2 b l R s d d dr d + + = , (8.42) так как , 1 = s A r , 1 = l A 1 - = b A Для диффузионных резисторов, которые получают путем локаль- ной диффузии через маску в слое 2 SiO , относительная погрешность по ширине b d связана с тем, что примесь проникает не только перпен- дикулярно поверхности, но и под маску параллельно поверхности пла- стины, как это показано на рис.8.15. Рис. 8.15. Влияние краевых эффектов при диффузии Величину боковой диффузии принимают равной удвоенной глубине залегания n p - перехода. Тогда полученная ширина резистора R b будет равна pn м R x b b 2 + = , (8.43) 162 где - м b расчетная ширина, задаваемая маской. Если каждую из вхо- дящих величин представить как сумму расчетного значения и абсо- лютной погрешности ( ) pn pn м R x x b b b b D + + D + = D + 2 , то относительная погрешность резистора по ширине будет опреде- ляться формулой ( ) pn pn м R x b x b b d d d + + = 1 2 (8.44) В выражении (8.44) - D = b b b м м d относительная погрешность маски в слое 2 SiO , которая определяется точностью изготовления фотошаб- лона, точностью совмещения фотошаблона с пластиной и точностью травления слоя 2 SiO . Точность изготовления фотошаблона определя- ется точностью используемого оборудования. Например, при трехсту- пенчатой схеме изготовления эталонного фотошаблона его точность определяется точностью координатографа, редукционной камеры, фо- топовторителя [5,12] и точностью изготовления рабочего фотошабло- на, т.е. ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 1 тр совм фп к ред к фш b b b М b M b b D + D + D + ÷÷ ø ö çç è æ D + ÷÷ ø ö çç è æ D = D , (8.45) где - D к b точность координатографа; - D к ред b точность редукционной камеры; - D фп b точность фотоповторителя; - 1 М кратность уменьшения фотооригинала редукционной каме- рой; - 2 М кратность уменьшения промежуточного ФШ фотоповтори- телем; - D совм b точность установки совмещения, используемой при про- ведении фотолитографии по пленке на рабочем фотошаблоне; - D тр b погрешность при травлении непрозрачной пленки на рабо- чем фотошаблоне, равная двум толщинам этой пленки. 163 Окончательно погрешность изготовления маски ( ) ( ) ( ) 2 2 2 тр совм фш м b b b b D + D + D = D , (8.46) - D совм b точность установки совмещения и экспонирования, ис- пользуемой при совмещении фотошаблона с подложкой; - D тр b погрешность при травлении слоя 2 SiO , равная двум тол- щинам 2 SiO Относительная погрешность глубины залегания n p - перехода pn x d зависит от точности поддержания температуры и времени диффу- зии, а также точности концентрации в слое, куда проводится диффузия исх N и точности поверхностной концентрации диффузионной области 0 N Применив правила дифференцирования к выражению для глуби- ны залегания n p - перехода (8.11), получим значение относительной погрешности 2 0 0 0 2 2 2 ln 2 1 ln 2 1 2 1 2 ÷ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç ç è æ + ÷ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç ç è æ + ÷ ø ö ç è æ + ÷÷ ø ö çç è æ = исх исх исх a pn N N N N N N t T kT E x d d d d d (8.47) где - a E энергия активации примеси; - 2 T температура разгонки диффузионной области; - T d относительная погрешность по температуре на этапе разгон- ки, которая определяется точностью поддержания температуры диф- фузионной печи; - t d относительная погрешность по времени на этапе разгонки; - исх N N d d , 0 относительная погрешность по концентрации, кото- рая для монокристаллических подложек равна 0,2, для эпитаксиальных пленок - 0,1 и для диффузионных областей - 0,04. Погрешность изготовления резистора по длине имеет место лишь в том случае, когда длина резистора соизмерима с его шириной, и рас- считывается аналогично погрешности по ширине. В большинстве же случаев длина резисторов много больше ширины, и погрешностью по длине можно пренебречь. 164 Относительная погрешность резистора по поверхностному сопро- тивлению s dr определяется из зависимости s r от средней проводимо- сти слоя s . Для резистора, ограниченного только снизу pn s x s r 1 = (8.48) Применив правило дифференцирования к выражению (8.48), величина относительной погрешности равна ( ) ( ) 2 2 pn s x d s d dr + = (8.49) Относительную погрешность средней проводимости s d можно определить, воспользовавшись кривыми зависимости концентрации от проводимости (рис.8.5 и 8.6) для конкретной концентрации исх N Кривая, соответствующая значению 0 / = pn x x , аппроксимируется прямой на участке концентрации, равной концентрации в слое. Так как кривые построены в логарифмическом масштабе, уравнение прямой имеет вид b a N + = s lg lg (8.50) Продифференцировав это выражение и перейдя к конечным при- ращениям, получаем значение относительной погрешности средней проводимости 0 1 N a d s d = , (8.51) где - a тангенс угла наклона прямой, ограниченной точками с коор- динатами ( ) 1 1 , s N и ( ) 2 2 , s N 2 1 2 1 lg lg lg lg s s - - = N N a (8.52) Подставляя все рассчитанные значения компонент в выражение (8.42), определяется погрешность диффузионного резистора. |