Материал: LS-Sb89583
(tкип = 90 °С), PCl3 (tкип = 75 °C). В качестве твердых источников используют пластины нитрида бора BN или пластины на основе компонента SiP2O7.
Схема установки для диффузионного легирования из жидкого источника показана на рис. 2.3. Установка представляет собой проточный кварцевый реактор 1, находящийся внутри термической печи 2. Пары диф-
фузанта подаются в реактор газом-носителем N2, пропущенным через барбо-
тер 3, заполненный жидким диффузантом BBr3 или PCl3 и помещенный внутрь термостабилизатора 4. В остальном схема аналогична установке термического окисления (см. рис.1.1).
Рис. 2.3. Схема установки диффузионного легирования из жидкого источника
В реакционную зону подаётся также сухой кислород. В горячей рабо-
чей зоне установки при температурах диффузии 900...1000 °С происходят следующие химические реакции:
∙ окисление паров диффузанта:
4BBr3 + 3O2 → 2B2O3 + 3Br2; ∙ окисление поверхности кремния:
Si + O2 → SiO2;
∙ образование боросиликатного стекла на поверхности кремния:
mSiO2 + nB2O3 → mSiO2·nB2O3.
На границе раздела стекла с кремнием идет реакция восстановления примеси из оксида бора:
11
2B2O3 + Si → 3SiO2 + 4B.
Из примесно-силикатного стекла легирующая примесь диффундирует в кремний. Слой стекла является не только источником примеси, но также предохраняет поверхность кремния от эррозии и служит геттером для загрязняющих быстродиффундирующих примесей.
В случае проведения диффузии из твердых источников их располагают между рабочими кремниевыми пластинами на той же кварцевой лодочке.
Расстояние между пластиной и источником должно быть не более 2√ τ (где
D − коэффициент диффузии примеси в газовой фазе, τ − время диффузии) и составляет, обычно, 3...5 мм. Диаметр планарного источника должен быть не меньше диаметра рабочих кремниевых пластин.
Планарный источник из нитрида бора требует предварительной активационной термообработки в сухом кислороде для образования на поверхности легируемых пластин оксидного слоя:
4BN + 7O2 → 2B2O3 + 4NO2.
Планарный фосфорный источник активации не требует, так как разла-
гается с выделением Р2O5. В присутствии сухого кислорода на поверхности легируемых пластин идут реакции окисления кремния:
Si + O2 → SiO2
и образования примесно-силикатного стекла:
mP2O5 + nSiO2 → mP2O5·nSiO2,
из которого и осуществляется диффузия примеси.
Диффузионное легирование в планарной технологии обычно проводят в две стадии. Первая стадия − диффузионная загонка из примесно-силикат- ного стекла соответствует диффузии из неограниченного (постоянного) источника:
C(x,τ) = Cповerfc[x/(2√ |
|
)], |
(2.1) |
τ |
где Спов − поверхностная концентрация легирующей примеси, которая на стадии загонки обычно поддерживается на уровне предельной растворимости Cs; x − глубина; D − коэффициент диффузии (D = D0exp(−E/kT), D0 −
предэкспоненциальный множитель, E − энергия активации, T – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана (k = 8.62·10– 5 эВ/K)); τ − время диф-
фузии. Параметры основных легирующих примесей в кремнии приведены в табл. 2.1.
12
Вторая стадия − диффузионная разгонка проводится после удаления
источника примеси – примесно-силикатного стекла, как правило, при более высоких температурах и длительностях. На этой стадии распределение примеси соответствует случаю диффузии из ограниченного источника
|
|
С(x,τ) = Q/√ |
|
·exp[−x2/(4Dτ)] |
(2.2) |
||||||
|
|
π τ |
|||||||||
где Q − количество примеси в слое после первой стадии: |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Q = τ /π |
. |
|
(2.3) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
Параметры легирующих примесей в кремнии |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Коэффициент |
|
Предельная растворимость |
|
|
|||||
|
Примесь |
диффузии |
|
при t = 1000...1200 °С |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D0, см2/с |
|
E, эВ |
|
|
Сs, см–3 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
B |
25 |
3,51 |
|
|
(4,0...5,5)·1020 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Al |
4,8 |
3,36 |
|
|
(1,8...2,1) ·1019 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
P |
10,5 |
3,69 |
|
|
(1,0...1,5) ·1021 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
As |
68,6 |
4,23 |
|
|
(1,5...2,0) ·1021 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Sb |
12,9 |
3,98 |
|
|
(4,0...6,0) ·1019 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вторую стадию диффузии обычно совмещают с процессом термического окисления (см. лаб. раб. 1). Изменением режимов проведения первой и второй стадий диффузии можно получить заданные параметры диффузионных слоев.
2.2.Порядок выполнения работы
1.Получить инструктаж по технике безопасности от руководителя ра-
боты.
2.Ознакомиться с установкой диффузионного легирования, ее техническим описанием и характеристиками.
3.Получить от руководителя работы задание на режим диффузионного легирования пластин кремния (температура, время, тип источника, расходы газов).
4.Проверить температуру в рабочей зоне установки с помощью термо-
пары.
13
5.Установить начальные расходы газов в соответствии с заданными режимами (по указанию руководителя).
6.Подготовить для диффузии контрольные пластины кремния типа, противоположного диффузионному слою; с помощью пинцета поместить контрольные пластины в пазы кварцевой лодочки.
7.Вдвинуть лодочку с пластинами в рабочую зону установки с помощью автоматического загрузчика или вручную.
8.Проконтролировать заданные режимы проведения диффузионного процесса.
9.По окончании процесса диффузии выдвинуть лодочку с легированными пластинами из реактора и установить заглушку на кварцевую трубу.
10.Переложить пластины из кварцевой лодочки в специальную тару.
11.После удаления примесно-силикатного стекла (проводится в химическом шкафу с вытяжкой с помощью травителя на основе плавиковой кислоты) измерить сопротивление диффузионного слоя четырехзондовым методом в нескольких точках контрольной пластины.
12.Измерить толщину диффузионного слоя методом окрашивания косого шлифа.
13.Определить поверхностную концентрацию легирующей примеси по кривым Ирвина (см. рис. 2.1).
14.Рассчитать коэффициент диффузии легирующей примеси в соот-
ветствии с формулами (2.1) − (2.3).
15. Сравнить результаты расчета коэффициента диффузии легирующей примеси с данными из литературных источников (см. табл. 2.1) при соответствующей температуре.
2.3. Отчет о работе
Отчет о работе должен содержать:
1.Краткие сведения о методах диффузионного легирования кремния.
2.Схему установки диффузионного легирования, её описание и технические характеристики.
3.Краткое описание методики измерения параметров диффузионного
слоя.
14
4.Результаты индивидуальных измерений и расчетов параметров диффузионного слоя для заданного режима диффузионного легирования; оценку разброса сопротивления диффузионного слоя по контрольной пластине.
5.Результаты индивидуального расчета коэффициента диффузии легирующей примеси и сравнения его с данными из литературных источников.
6.Выводы по работе.
2.4.Контрольные вопросы
1.Каковы основные легирующие примеси в кремнии и методы проведения диффузионного легирования.
2.Опишите особенности диффузии легирующих примесей из жидких и из твердых источников.
3.Какова роль плёнки примесно-силикатного стекла, образующейся на первой стадии диффузии.
4.Укажите способы управления глубиной диффузии и поверхностной концентрацией легирующей примеси.
5.Укажите основные параметры диффузионных слоев и методы их контроля.
Список рекомендуемой литературы
Королёв М. А., Крупкина Т. Ю., Ревелева М. А. Технология, конструкции и мето-
ды моделирования кремниевых интегральных схем. М.: Бином, 2009. С. 91−116.
Технология СБИС / под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. T. 1. С. 227−291.
Лабораторная работа 3
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Цель работы: изучение технологии получения легированных слоев методом ионной имплантации и исследование параметров ионно-легированных слоев.
3.1.Общие сведения
Впланарной технологии кремниевых ИМС ионная имплантация применяется для создания легированных слоев и локальных областей n- и p-типов проводимости с заданным распределением примеси по глубине. Ионно-легированные слои используются для формирования активных (дио-
ды, транзисторы) и пассивных (резисторы, конденсаторы, подныры) элемен-
15