Распределение примесей при диффузии и неограниченного и ограниченного источников

2





БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ

И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ















РЕФЕРАТ

на тему: 

"Распределение примесей при диффузии и неограниченного и ограниченного источников"





























МИНСК, 2008


При формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников. Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине перехода (Рисунок 1). 

При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается (Рисунок 2). 

Показанное на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей. 



Рисунок 1. Распределение примеси N(x) при диффузии из бесконечного (постоянного) источника по толщине пластины х: 

No - поверхностная концентрация



Рисунок 2. Распределение примеси N(xj при диффузии из ограниченного источника по толщине пластины х: 

N01, N02, N03 - поверхностные концентрации в момент времени t1, t2, t3 соответственно; No - исходная поверхностная концентрация

Локальная диффузия



Рисунок 3. Схема локальной диффузии: 

1 - маскирующий оксид; 2 - диффузионная область; 3 - пластина; l1 - размер окна в оксиде; l2 - размер полученной диффузионной области; l - уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии; xj - глубина p-n-перехода

При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (Рисунок 3), коте рое увеличивает размеры диффузионной области на Д/ и влияе на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерам] окон глубина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения l могут достигать 0,8 хj.

При создании активных и изолирующих областей ИМ< часто используют двухстадийную диффузию (Рисунок 4). Дл; этого вначале в поверхность полупроводникового материал 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводя определенное количество легирующей примеси из бесконечной источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацш при небольшой глубине диффузионной области ("загонка' примеси) (Рисунок 4, а, б). 

Первую стадию проводят при сравнительно невысоки: температурах (950 - 1050° С) в окислительной атмосфере На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекл; 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (Рисунок 4, б). 

Вторую стадию - диффузионный отжиг, называемую "раз гонкой" (Рисунок 4, в), проводят предварительно удалив примесно-силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050 - 1230° С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глуби на проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная об ласть 5. Температура и длительность второй стадии диффузии определяются заданными параметрами p-n-перехода. 



Рисунок 4. Стадии "загонки" (а, б) и "разгонки" (в) примеси при проведении двух стадийной диффузии: 

1 - маскирующий оксид; 2 - пластина; 3 - объемный источник; 4 - примесно-силикатное стекло; 5 - диффузионная область после разгонки; 6 - маскирующая пленка для последующей литографии.

Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку 6 для последующей фотолитографии. 

Многостадийная диффузия.

Необходимость проведения двухстадийной диффузии при легировании бором связана с тем, что требуется получать распределение со сравнительно невысокой поверхностной концентрацией, а с помощью одностадийной диффузии это не всегда удается. Для остальных примесей двухстадий-ная диффузия обеспечивает заданные параметры р-п - переходов и возможность получения маскирующего оксида. Двухстадийную диффузию проводят различными способами 



Рисунок 5. Схема процесса диффузии в открытой трубе из газообразного или жидкого (а), твердого (б) и поверхностного (в) источников: 

1 - газовая система; 2 - источник примеси; 3 - кварцевая труба; 4 - кремниевые пластины; 5 - нагреватель; 6 - выходное отверстие.

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой трубе (Рисунок 5). Он является основным для первой стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт) загружают в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой 1 подачи газа-носителя. 

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровождается реакциями



на поверхности Si 2Р2О5 + 5Si - > 5SiO2 + 4Р

Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элементов, например: 

4РОС13 + ЗО2 => ЗР2О5 + 6С12

Диффузия из газообразных и жидких источников проводится в однозонной диффузионной печи с резистивными нагревателями 5 (Рисунок 5, а, в). 

Способы проведения двухстадийной диффузии примесей в поверхность полупроводниковых пластин

Способ диффузии

Тип примеси

Особенности

Диффузия в открытой трубе

В, Р, Sb (твердый, жидкий, газообразный источники) 

Легкая управляемость составом ПГС, скоростью газового потока; атмосферное давление

Ампульный

As (твердый источник) 

Большая трудоемкость и себестоимость (одноразовое использование ампулы); безопасность диффузии мышьяка; вакуум 10-2 - 10-3 Па

Бокс-метод

В, Р, Sb

(твердый источник) 

Широкие пределы регулирования концентрации примеси, отсутствие влияние газового потока; атмосферное давление



При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (Рисунок 5, б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной - кассету с пластинами 4. Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает атомы примеси и переносит их в зону расположения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффундируют в глубь кремниевых пластин. 

В качестве поверхностного источника используют легированные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллического кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде. 

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управлять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к пластине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположения относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса и др. 

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10~2 - 10~3 Па или заполняют инертным газом и запаивают (Рисунок 6). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200° С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1 диффузионной печи с нагревателем 3. 

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно провопить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирования до ± 2,5%. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме. 

После проведения процесса ампулу разрушают (вскрывают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ применяют преимущественно при диффузии мышьяка. 

Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем.



Рисунок 6. Схема процесса диффузии в замкнутом объеме: 

1 - кварцевая труба; 2 - ампула; 3 - нагреватель; 4 - кремниевые пластины; 5 - источник примеси 



Рисунок 7. Схема процесса диффузии бокс-методом: 

1 - кварцевая труба; 2 - ампула; 3 - нагреватель; 4 - кремниевые пластины; 5 - источник примеси; 6 - выходное отверстие; 7 - пришлифованная крышка лучае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (Рисунок 7). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс. 

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси. Преимуществом перед ампульным способом является возможность многократного применения кварцевой ампулы. 




физико-химические основы ионного легирования



Преимущества ионной имплантации позволили этому методу выйти за рамки исследовательских лабораторий и шагнуть, в промышленность. Ионная имплантация позволяет не только существенно повысить эффективность, снизить себестоимость и процент брака при производстве некоторых существующих типов полупроводниковых приборов, но и создавать принципиально новые приборы. Например, при создании высокоомных резисторов обычной технологией возникали трудности из-за больших размеров этих резисторов. Если же использовать ионное легирование, то можно довольно легко получить высокоомные слои с небольшими размерами. В последнее время, применяя ионную технологию, были получены, а затем качественно улучшены варакторы, IMPATT - диоды, МОП-транзисторы. 

Наряду с легированием полупроводников, ионные лучи находят применение и для осуществления травления материалов. В основу положен факт приблизительного равенства объемов веществ различной природы, распыляемых частицами малых энергий. Следовательно, распыление пленки фоторезиста и материала в окнах этой пленки происходит примерно с одной скоростью. В данном процессе полностью отсутствует подтрав фигур травления и потому очень точно воспроизводится рисунок фоторезиста. 

Новые возможности применения ионного луча, такие, как ионолитография, селективное осаждение пленок из ионных пучков и др., открывает широкие перспективы ионнолучевой технологии для создания полупроводниковых приборов и ИС. 

Технологическое оборудование, использующее ионные лучи, различается по своему конструктивному решению, мощности, степени автоматизации, однако все это основано на одинаковом принципе действия - ионизация атомов, сепарация и ускорение ионов до необходимой энергии и внедрение их в образцы. 


конструкция автомата ионнолучевого легирования



Автомат ионнолучевого легирования "Иолла-2" имеет следующие основные технические данные: 

энергия ионов - 10-75 кэВ; 

максимальная температура мишени - 600°С; 

предельное давление в рабочей камере - I-T0 мм рт. ст.; 

рабочее давление в источнике ионов - 10-10 мм рт. ст.; 

угол отклонения ионного пучка - 60°; 

точность измерения введенной дозы - 5%; 

плотность тока пучка ионов - до 10 мкА/мм; 

размер обрабатываемых пластин - 15x15 тг 

Принципиальная схема автомата представ; на рисунке 1. 

Схема полностью соответствует рассмотренному принципу построения ионнолучевых установок. Смесь газа, содержащая легирующий элемент, вводится в источник ионов (ИИ) в ионизационную камеру, где молекулы газа ионизуются электронами, эмиттируемыми катодом. Магнитное поле постоянного магнита обеспечивает большую степень ионизации. Образовавшиеся положительно заряженные ионы вытягиваются из щели ионизатора напряжением I-5 кВ и предварительно ускоренные поступают в камеру масс-сепаратора, а оттуда в рабочую камеру. Щелевая диафрагма, которая располагается перед входом в камеру, пропускает отсепнрированный пучок ионов на образец. Контроль тока пучка осуществляется тонким зондом, помещенным на его пути, а весь ток можно определить с помощью заслонки, которая препятствует пучку попадать на образец. Зонд регистрирует порядка 1% полного тока. 



Рисунок 8 Принципиальная схема ионнолучевого автомата “Иолла-2”. 

Рабочая камера сконструирована таким образом, чтобы обеспечить автоматическую работу установки. Во-первых, предусмотрена загрузка и выгрузка образцов без разгерметизации объема рабочей камеры. Для этого служат шлюзовые устройства загрузки (ШЗ) и выгрузки (ШВ) и механизм захвата образцов для последующей его обработки. Для равномерной обработки по всей площади образца предусмотрено сканирование, которое осуществляется механической разверткой обрабатываемого предмета с помощью механизма сканирования (Рисунок 9). Поскольку обрабатываемая под ложка находится под высоким потенциалом (до 80 кВ), весь механизм должен быть надежно изолирован от корпуса. Поэтому к фланцу I он крепится на высоковольтном керамическом держателе-вводе, а привод механизмов от двигателя 8 осуществляется через диэлектрические оси 10. На керамическом стакане закреплен механизм вилки 4, где размещается оправка с подложкой и подогреватель подложки 5. Механизм качания вилки включает храповое колесо 13, собачки 12,15, кулачок 14, продольную направляющую 6. Ведомый вал 7, приводящийся в движение двигателем 8 через вильоновское уплотнение 9 и ось 10, приводит в движение вилку, которая совершает колебательное движение вместе с валом и поступательное относительно направляющих, жестко связанных с валом, что обеспечивает равномерную обработку подложки ионным лучом. Управление работой двигателя осуществляется с помощью контактной группы 3 и блока микропереключателей II с кулачками 16. 

После окончания легирования вилка поворачивается и выгружает оправку с образцом кассету шлюза выгрузки и переходит к шлюзу загрузки для приемки нового образца. Загруженный образец поворачивается в положение для прогрева и легирования. Так повторяемся цикл, пока вся серия загруженных заготовок не будет пролегирована. Автомат останавливается и производится смена кассет в шлюзах. 



Рисунок 9. Механизм сканирования: 

I-фланец; 2-высоковольтный керамический держатель; 3-контактная группа; 4-вилочный держатель образцов; 5-раддационннй подогреватель образцов; 6 - продольная направляющая; 7-ведомый вал; 8-двигатель; 9-вильсоновское уплотнение рабочей оси; 10-рабочая ось; II-блок микропереключателей; 12-собачка; 13-храповое колесо; 14-кулачок; 15-собачка. 



вакуумная схема



Для нормальной работы источника ионов требуется создавать достаточно высокий вакуум. Поскольку в лоточнике напускается газ, то это приводит к необходимости создавать отдельную мощную линию откачки ионного источника. 

Вакуумная схема установки приведена на рисунке 3. Она состоит из линии предварительного разряжения и линии выcокого вакуума. Предварительное разряжение создается механическим насосом I (BH6-2) с производительностью 5 л/сек. Откачка на высокий вакуум осуществляется диффузионным насосом H5C-MI (ДНИ и ДНП). Откачка рабочей камеры и источника ионов производится через электромагнитные краны ЭМ1 и ЭМ2 и форвакуумную ловушку ФЛ-I, которая необходима для предотвращения попадания паров масла их механического насоса в откачную систему. Электромагнитные краны ЭМЗ и ЭМ4 позволяют откачивать шлюзы загрузки (ШЗ) и выгрузки (ШВ) и систему напуска газов на форвакуум при включенных диффузионных насосах. С помощью: крана ЭМ-5 проводится разгерметизация шлюзов. Напуск газа в источник ионов осуществляется с помощью натекателей HI и Н2. 

Высокий вакуум создается диффузионными насосами со скоростью откачки 500 л/сек при давлении 0.001 мм pт. ст. Предельное давление 2-5*10(-7) мм рт. ст. обеспечивается этими насосами благодаря использованию масла с высокой упругостью паров. Вакуум контролируется известными методами. Давление в форвакуумной части и в системе напуска измеряется термопарными манометрами ПМТ-4М, а высокий вакуум ионизационным манометром ПМИ-2. 

Для предотвращения попадания паров масла в рабочий объем у насосов ДНП и ДНИ имеются водяные ловушки Л1 и Л2. 


ЛИТЕРАТУРА



Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для ВУЗов - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил. 

Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. - М.: Радио и связь, 2001. -528 с. 

Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Мн.: Выш. шк., 2000. -238 с. 

Таруи Я. Основы технологии СБИС Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2000-480 с.