Легирование методом термической диффузии примесей

В подавляющем большинстве случаев легирующая примесь вводится в монокристаллический кремний с целью изменения типа проводимости и образования/(-«-перехода на определенной глубине. Изменение типа прово­димости происходит, если максимальная концентрация введенной примеси превышает исходную (М_ясх) концентрацию. Образование /?-и-перехода про­исходит на глубине Х„, где концентрация введенной примеси оказывается равной исходной.

При термической диффузии (рис. 7.6) максимальная концентра­ция примеси всегда на поверхно­сти (Л/Ь) и монотонно убывает с глубиной.

Как известно, диффузия ато­мов или молекул в любой среде

Рис. 7.6. Принцип образования _{(} описы}.

р-и-перехода ^v *,*+*•, г«/

вается следующим уравнением (7-е

уравнение диффузий):

(7.1)

где У — плотность потока частиц, см~² • с"¹; D — коэффициент диффузии, см² • с"¹; А""— глубина проникновения частиц в направлении X, см (в рас­сматриваемом случае — по нормали к поверхности кристалла); N — кон­центрация частиц (атомов примеси), см Л

Множитель dNIdX представляет собой градиент концентрации приме­си, см"⁴, в направлении X. С повышением температуры процесса коэффици­ент диффузии быстро (экспоненциально) возрастает, так как возрастает энергия атомов легирующей примеси. В плотной структуре оксидной маски (SiO₂) коэффициент диффузии существенно меньше, за счет чего и обеспе­чивается избирательность легирования.

При высокой температуре процесса (порядка 1000 °С) атомы как ис­ходной, так и вводимой примеси ионизированы и образуют электрическое поле, всегда ускоряющее процесс диффузии. Зависимость коэффициента диффузии (в логарифмическом масштабе) от f и No при двух значениях ис­ходной концентрации A^ приведена на рис. 7.7.

Концентрация введенной примеси с глубиной меняется непрерыв­но, что описывается дифференциальным уравнением (уравнением непре­рывности):

(7.2)

Отсюда следует, что в элементарном объеме кристалла толщиной дх и площадью в 1 см² за время dt происходит накопление примеси (dN > 0), если плотность потока убывает (dJ< 0), и наоборот.

Решая совместно уравнения (7.1) и (7.2) можно получить 2-е уравне­ние диффузии, отражающее протекание процесса диффузии во времени:

(7.3)

Рис.7.7. Зависимость коэффициента диффузии фосфора и бора в кремний от температуры процесса диффузии: Л^ и N0 — исходная и поверхностная концентрации примеси, см~3

Рис. 7.7. Зависимость коэффициента диффузии фосфора и бора в кремний от температуры процесса диффузии: Л^ и N₀ — исходная и поверхностная концентрации примеси, см~³

Решение этого уравнения при определенных граничных условиях представляет собой функцию распределения N(x).

На практике используются два варианта проведения процесса — диф­фузия из постоянного внешнего источника и диффузия из конечного по­верхностного источника.

В первом случае внешний (вне рабочей камеры) источник постоянно поставляет к поверхности пластин-заготовок примесь в газообразном со­стоянии, причем ее расход отрегулирован так, что на поверхности пластины поддерживается постоянная концентрация N₀, хотя примесь при этом посту­пает в глубь кристалла. Процесс выполняют до тех пор, покар-и-переход не окажется на заданной глубине.

При N₀ = const решение уравнения (7.3) приводит к функции:

(7.4)

где erfc(PO = 1 - erf(P) — дополнение функции ошибок erf(V) (до единицы). Значения функции erfc(F) приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Значения функции erfc V

V	erfc V	V	erfcF
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5	1,00000 0,88754 0,77730 0,67135 0,57161 0,47950 0,39614 0,32220 0,25790 0,20309 0,15730 0,11979 0,08969 0,06599 0,04771 0,03389 0,02365 0,01621 0,01091 0,00721 4,678-1 0'3 2,97ЫО'3 1,863-1 0"3 1,143-10-3 6,89- КГ4 4,07-10^	2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0	2,36- 10"4 1,343- КГ4 7,5- 10'5 4,1 1-Ю'5 2,21 -Ю-5 1,16-Ю"5 6,02- IQ-6 3,05-10"* 1,52-КГ* 7,43-1 0'7 3,55- 10'7 1,67-Ю"7 7,68-1 0"8 3,48- 10"8 1,54-КГ* 6,7- 1Q-9 2,86- 10'9 1,19-КГ* 4,89- 10-'° 1,96-10-'° 7,74-Ю-11 2,99- КГ" 1,13-10-" 4,21-Ю-12 1,53-Ю"12

Поскольку в данном случае может быть создана и выдержана до конца процесса предельно высокая концентрация на поверхности кристалла, этот одностадийный процесс рекомендуется для областей п⁺ и р⁺ (эмиттерные области в биполярных транзисторах, истоки и стоки МДП-транзисторов). Характер изменения профиля распределения примеси при постоянном внешнем источнике с течением времени приведен на рис. 7.8, из которого видно, что с течением времени /ьи-переход углубляется. Для вычисления необходимого времени прохождения процесса технологу должны быть за­даны разработчиком физической структуры параметры Х„, N₀ и ЛГ_ИСХ.

В случае конечного поверхностного источника (вторая стадия двух-стадийного процесса) поверхность кристалла содержит определенное количе­ство примеси на единицу площади, и процесс сводится к перераспределению

Рис. 7.8. Характер изменения профиля Рис. 7.9. Изменение профиля распреде-распределения примеси при постоянном ления примеси с течением времени при внешнем источнике с течением времени конечном поверхностном источнике

(разгонке) ее по глубине до тех пор, пока р-и-переход не углубится на за­данную величину Х„. Таким образом, количество примеси, введенное пред­варительно в поверхностный слой, или доза легирования Q, см~, сохраняет­ся постоянной до конца процесса разгонки.

При Q - const решение уравнения (7.3) приводит к функции:

(7.5)

где Dp и /р — коэффициент диффузии и время процесса разгонки.

При отсутствии внешнего источника примеси разгонка происходит при непрерывном уменьшении концентрации примеси на поверхности.

Характер изменения профиля распределения примеси с течением вре­мени приведен на рис. 7.9, из которого следует, что концентрация примеси на поверхности постепенно убывает, /?-л-переход углубляется, а доза леги­рования Q, характеризуемая площадью под кривой распределения, остается неизменной.

Необходимая доза легирования Q обеспечивается на первой стадии процесса (загонка примеси) с постоянным внешним источником примеси:

где £>з и /з'— коэффициент диффузии и время процесса загонки; #оз — кон­центрация примеси, поддерживаемая на поверхности пластины в течение процесса загонки.

Рис. 7.10. Схема рабочей камеры диффузионной печи

Двухстадийный процесс рекомендуется для областей с умеренной концентрацией примеси на поверхности и относительно глубоких (базовые области биполярных транзисторов, изолирующие «карманы» в КМДП-струкгурах). В этом случае разработчиком структуры также должны быть заданы параметры слоя Х„, N₀ и Л^„_сх после второй стадии.

Двухстадийный процесс позволяет осуществлять контроль результа­тов после первой стадии и корректировать режим второй стадии.

Схема рабочей камеры диффузионной печи приведена на рис. 7.10. Собственно камера представляет собой кварцевую (или керамическую) тру­бу 1, снабженную резистивными нагревателями 2 (три секции с независи­мым регулированием температуры). Крайние секции поддерживают малый градиент температуры, обеспечивающий средней секции рабочую темпера­туру до 1250 °С с высокой точностью (цо ±0,25 °С). Именно в этой части камеры на кварцевом (или керамическом) держателе 3 располагаются обра­батываемые пластины 4, имеющие на рабочей поверхности оксидную маску. При выполнении загонки примеси или одностадийного процесса диффузии в камеру из внешнего источника непрерывно подается диффузант, пред­ставляющий смесь легирующей примеси (акцептор бор или донор фосфор) с транспортирующим газом (аргон).

При разгонке примеси в двухстадийном процессе в камеру непрерыв­но подается только аргон, поддерживающий чистоту рабочей зоны. Побоч­ные продукты процесса на выходе собираются специальными сборниками.

В зависимости от диаметра одновременно может обрабатываться до трех десятков пластин. Технические характеристики диффузионной одно-зонной печи СДО-125/3-12 следующие:

Количество технологических труб, шт......................... 3

Диапазон рабочих температур, °С............................... 700... 1250

Диаметр рабочей трубы, мм........................................ 120

Диаметр обрабатываемых пластин, мм................................... до 80

Минимальная длина рабочей зоны (мм) с нерав­номерностью распределения температуры, °С

±0,25.................................................................... 450

±0,5...................................................................... 600

Стабильность поддержания температуры в пределах

рабочей зоны, °С................................................................ ±0,25

Воспроизводимость температурного уровня, °С................................ ±0,5

Время выхода печи на максимальную рабочую

температуру, ч................................................................... 2

Максимальная мощность, потребляемая в

установившемся режиме, кВт.................................................... 18

Размеры, мм.................................................................. 1852x630x2150

Масса, кг......................................................................... 800

7.7. Легирование методом ионной имплантации

При ионной имплантации атомы легирующей примеси ионизируют в сильном электрическом поле и облучают потоком ионов поверхность пластины с подготовленной заранее оксидной маской (рис. 7.11). Имея при подлете к поверхности одинаковую энергию, ионы при вхождении в кремний испытывают многократные столкновения с ядрами и кулонов-ское взаимодействие с электронами атомов кремния. Это приводит к по­степенному торможению ионов вплоть до полной остановки. Путь, прой­денный отдельным ионом в кристалле кремния (длина пробега), является величиной случайной и для совокупности ионов, внедренных в кристалл, оценивается средним значением пробегов хс_р.

Разброс отдельных пробегов относительно среднего значения оцени­вается средним квадратическим отклонением о.

Рис. 7.11.Легирование ионной имплантацией

Параметры распределения пробегов Xq, и о зависят от энергии ионов £ и от эффективного диаметра атома примеси (иначе говоря от порядкового номера 2 в периодической системе элементов). Чем выше Е и меньше г, тем больше Хср и а (табл. 7.2).