Технология формирования за творной области БСИТ-транзистора с применением твердого планарного источника

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 26, 2012.

-I-

УДК 682.381

Шахмаева А.Р., Захарова П.Р.

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАТВОРНОЙ ОБЛАСТИ БСИТ-ТРАНЗИСТОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТВЕРДОГО ПЛАНАРНОГО ИСТОЧНИКА

Shakhmaeva A.R., Zakharova P.R.

TECHNOLOGY OF FORMATION OF SHUTTER BSIT-TRANSISTOR USING SOLID PLANAR POWER

В работе рассмотрена технология формирования затворной области БСИТ с применением твердого планарного источника, описан метод термической диффузии. В отечественной и зарубежной практике при изготовлении полупроводниковых приборов в качестве источника диффузии р-типа используют нитрид бора. Диффузия с использованием пластин нитрида бора обладает достоинствами в части воспроизводимости процесса, возможности получения высокого процента выхода годных приборов. Также в работе приведены графики зависимостей и распределения примеси в структуре моделируемого транзистора.

Ключевые слова: примесь, нитрид бора, кремниевая пластина, термическая диффузия.

The paper considers the technology of the slide area BSIT using solid planar source, described a method of thermal diffusion. In the domesticand foreign practice in the manufacture of semiconductor devices as a source of diffusion of p-type use boron nitride. Diffusion using plates of boron nitride has advantages in terms of reproducibility of the process, the possibility of obtaining high yield rate devices. Also in the paper shows the dependence and distribution of impurities in the structure of the simulated transistor.

Key words: impurity, boron nitride, silicon wafer, thermal diffusion.

БСИТ-транзистор представляет собой технологическую разновидность СИТ-транзистора с нормально-закрытым каналом, но с более сложной геометрической формой затвора.

Со второй половины 80-х годов, когда в производстве полевых транзисторов, включая и МОП МТ, произошел качественный прорыв - появилась возможность технологической реализации мощных СИТ- и БСИТ-транзисторов с широким диапазоном рабочих токов и напряжений по новой технологии многоячеечных структур с вертикальным каналом. При этом сток и исток разнесены по разные стороны кристалла, и каждый такой прибор представляет собой параллельное соединение от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч элементарных ячеек - транзисторных структур, создаваемых методами полупроводниковой технологии в едином технологическом цикле на одном монолитном кристалле.

Коллектив сотрудников ФГБОУ ВПО «ДГТУ» проводит исследовательские работы по реализации и оптимизации технологического маршрута производства БСИТ - транзистора, который в последующем мог бы быть использован для управляемых выпрямителей.

Для формирования затворной области БСИТ был выбран метод термической диффузии с применением твердого планарного источника - нитрида бора.

В отечественной и зарубежной практике при изготовлении полупроводниковых приборов в качестве источника диффузии р-типа используют нитрид бора.

Диффузия с использованием пластин нитрида бора обладает достоинствами в части воспроизводимости процесса, возможности получения высокого процента выхода годных приборов, так как на величину поверхностного сопротивления и глубину залегания перехода влияют только два фактора: температура и время загонки [1].

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 26, 2012.

А-

В связи с тем, что увеличивается диаметр используемых кремниевых пластин (от 100 мм к 250 мм, от 250 мм к 500 мм), требуется равномерное распределение примеси внутри этих пластин.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что с увеличением расстояния между источником примеси и пластиной и при значениях температуры и времени процесса глубинар-п перехода уменьшается. С увеличением температуры и времени проведения процесса при постоянном значении расстояния между источником примеси и пластиной глубина р-п перехода возрастает.

Для определения зависимости Rs (t) и Rs (Т0С) пластины после химической обработки загружались в кварцевую кассету. Вначале загружали пластины BN, а затем кремниевые пластины.

Расстояние между пластиной BN и кремниевой пластиной S=3,0 мм.

Контроль Rs проводился на установке FPP-5000 (импорт) по пяти точкам на пластине. График зависимостей представлен на рисунке 1.

Rs, Ом/кв 500

450 400 350 300 250

200i 150

100 к

Из графиков зависимостей видно, что с увеличением температуры процесса и с увеличением времени проведения процесса сопротивление диффузионного слоя уменьшается.

Для получения необходимого нам сопротивления диффузионного слоя

при формировании 1-й базы, из графиков зависимостей мы выбираем температуру, равную 900 °С и время процесса - 20-25 минут. Для формирования 2-й базы (70+5 Ом/см ) выбираем температуру процесса - 950 0С, время проведения процесса составила 20-25 мин.

Для определения зависимостей поверхностного сопротивления от времени и температуры процесса при разгонке используем пластины после операции загонки бора.

На этапе разгонки нам необходимо получить поверхностное сопротивление диффузионного слоя, равное 350±50 Ом/см . Для этого оы ис пользуем рабочие пластины с операции загонки бора и проводим процесс разгонки бора, меняя температуру процесса и время процесса (рисунок 2).

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 26, 2012.

А-

Rs, Ом/кв

перехода использовались пластины с операции разгонка бора.

Пластины нитрида бора могут встречаться с различными параметрами, температурой их использования, отличаются по назначению.

Отбор сорта пластин нитрида бора зависит от выбираемого значения поверхностного сопротивления Чем выше значение Я8, тем ниже темпер3тура и время загонки. В таблице 1 представлены основные сорта пластин нитрида бора.

Для применения этих пластин в процессе изготовления транзисторных структур предлагается технология их обработки перед использованием. Она осуществляется в следующем порядке:

1. Процесс сушки. Удаляется часть влаги из пластин БК при температуре 350°С в течение 30 минут;

2. Процесс окисления. Пластины окисляют в сухом кислороде. На поверхности БК пластин выращивают слой Б203;

3. Процесс стабилизации. Выдержка пластин в среде азота некоторое время для равномерного распределения Б203 на поверхности пластин;

4. Процесс хранения проводится в среде азота с расходом 15 л/ч. В случае хранения пластин БК, которые прошли одно окисление необходимо проявлять внимание гигроскопичности Б203.

Для проведения диффузии пластины нитрида кремния помещают в специальную кварцевую лодочку, где их ставят вертикально на определенном расстоянии друг от друга. Между ними помещают кремниевые пластины.

Таблица 1

№ п/п Содержание бора Температура диффузии Применение, назначение Отличительные особенности

1. 95% БК,5% стекла Менее 1080 °С, 30 Для формиро- Применение с низкой

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 26, 2012. 1=

на основе связующего вещества В203-СаО, или 97% ВК и 3% В20з-Са0

минут в сухом кислороде с расходом 1 л/мин

вания

активных областей

транзистора

концентрацией, малая гигроскопичность

97% ВК,

з% стекла на основе связующего вещества В203-Са0,

Менее 1080 °С, 30 минут в сухом кислороде с расходом 1 л/мин

Для формирования

активных областей

транзистора

Применение с низкой концентрацией, малая гигроскопичность, долговечность

97% ВК и3%А120з

Менее 1050-1200 °С, 30 минут в сухом кислороде с расходом 1 л/мин

Для изоляции стока

Применение со средней и высокой концентрацией, малая гигроскопичность

Применение нитрида бора в качестве диффузанта основано на том, что в интервале температур 800-1300 0С при окислении на его поверхности образуется жидкая пленка оксида бора (химическая формула В2О3) по реакции:

4ВК(т)+ 3О2= 2В203(ж)+ 2К2 .

Обычное осаждение с пластины ВК на кремниевые пластины, которое преобразовывается в источник диффузии бора в кремний и осуществляется с помощью газовой фазы В203. Осаждение при температуре 11000С или выше приводит к значительному возрастаниючисла кристаллических дефектов и ямок на поверхности, которые невозможно удалить. Поэтому необходимо оптимизировать процесс с целью снижения температуры.

Экспериментальные исследования показали, что скорость транспортировки слоев стекла к кремниевым пластинам существенно зависит от количества остаточных водяных паров. Если в технологическую среду добавить микрочастицы водяных паров, то возникает ускоренная транспортировка слоев стекла и появляются изменения в поверхностном сопротивлении диффузионных слоев в кремнии. Водяные пары можно получить путем соединения водородного газа внутри газовой смеси кислорода с азотом, который представляет атмосферу внутри печи. Атмосфера внутри печи создается формовочным газом (90%К2, 10% Н2). После формирования в течение 10 минут атмосферы добавляется 1% кислорода от формированных 99% газа и проводится транспортировка стекла в течение 2-3 минут. Затем добавка кислорода прекращается, лодочка извлекается из печи. Кремниевые пластины выгружают из лодочки.

Эти водяные пары изменяют составляющую В203 на поверхности ВК пластины на составляющую НВ02:

В203(ж) + Н2О = 2НВ02(г).

Давление паров НВ02 по сравнению с давлением паров В203 на порядок выше.Таким образом, оксид бора испаряется и переносится на пластины кремния, создавая необходимый диффузионный поток атомов бора в поверхностном слое кремния. Атомы бора диффундируют в поверхностные слои кремния, создавая р-п переход.

Благодаря этому факту можно с большой скоростью и при меньшей температуре диффундировать бор. С помощью этой методики при использовании кремниевых пластин большого диаметра можно управлять разбросом значений поверхностного сопротивления внутри пластины ±1 %, между пластинами ±3%. Это и является следствием того, что скорость паров НВ02 высока.

Транспортировка слоев стекла в этом случае при обычной температуре осаждения завершается за очень короткое время, почти все слои стекла выращиваются на кремниевых пластинах на начальной стадии операции осаждения.

В результате обработки нескольких сотен пластин с использованием вышеизложенного метода на пластинах не появилось никаких дефектов, ямок на поверхности.

-I-

После загонки примеси образовавшееся на поверхности кремния примесносиликатное

стекло должно быть удалено, чтобы при последующей температурной обработке не происходило дальнейшего поступления примеси в полупроводник, а также не было химического взаимодействия примеси с кремнием с образованием труднорастворимых соединений. В то же время, если поверхность кремния остается открытой, то при разгонке примесь из легированного слоя будет испаряться в окружающую среду, тем самым не будут выполняться граничные условия о непроницаемости поверхности при х = 0:

Поэтому процесс разгонки примеси проводится в кислородсодержащей среде в присутствии азота. Содержание кислорода может составлять 2-10%. Вначале для предотвращения испарения примеси проводят кратковременное (5-10 мин) окисление кремния в сухом кислороде, затем содержание кислорода снижают.

На втором этапе диффузии идут одновременно два конкурирующих процесса — диффузия примеси вглубь кристалла и окисление поверхности кремния обогащенной примесью. От соотношения скоростей этих двух процессов будут зависеть результирующая поверхностная концентрация примеси, глубина залегания р-пперехода и вид распределения примеси по глубине диффузионного слоя.

На границе двух фаз кремний-окисел кремния будет происходить перераспределение примеси, на которое влияют следующие параметры:

• коэффициент сегрегации примеси с_ „

равный отношению равновесных концентраций примесей при данной температуре в кремнии и окисле кремния;

• отношение коэффициентов диффузии примеси в кремнии и окисле кремния при

данной температуре _ р

г ~ '

• отноше- С = ниегдеЛ—константа параболического роста окисла [2].

Это значение характеризует способность примеси уйти из той части объема кремния, которая переходит в окисел. Если скорость окисления мала, примесь успеет перераспределиться в полупроводнике из поверхностного слоя в более глубокие слои. Если же скорость роста окисла велика, примесь будет захватываться растущим окислом в соответствии с коэффициентом ее сегрегации.

Если т >1, то примесь при окислении оттесняется в кремний и ее концентрация на границе раздела двух фаз возрастает. Если же т< 1, то примесь поглощается окислом и поверхность кремния обедняется ею. Следует учитывать, что при окислении на каждую единицу объема окисла затрачивается 0,44 объема кремния. Поэтому даже при т = 1 поверхность кремния будет слегка обедняться примесью.

Меняя окружающую среду и температуру диффузии, можно управлять величиной параболической константы роста окислаВи тем самым управлять перераспределением примеси.

5 : X-Sllcc 2

Вог

1 о2°

1 о18

1 о'6 — v

1 о"1 —

1 о'г \

1 о'°

1 оа

1 ое L L 1 I 1 1 1 I i i J I L

О 2 4 6 Y [um]

Рисунок 3. График зависимости на границе раздела затвор - подложка при диффузии в зависимости от концен-

трации носителей и глубины залегания примеси

Экспериментальные результаты, полученные при воспроизведении технологического цикла диффузии бора с использованием планарного источника в структуру кремниевой пластины для формирования затворной области кристалла транзистора БСИТ, совпадает с результатами моделирования, выданными комплексом ТСАРБупорвув (см. рис. 3, рис. 4'

Э, Вс7т_рзв'5,0^|лагле<,и]т_рг>р3_!р5,.и< 0-0

-40 --20 -О -

20--1

40 -

Boron [ст^З] 1.SE+-S

3.5Е+15

| j Э.ОЕ+12

180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 38^ 4.3Е+07

X [um]  1.0Е+05

Рисунок 4. Распределение примеси бора в структуре БСИТ Библиографический список:

1. ИсмаиловТ.А., ШахмаеваА.Р., Базовые процессы формирования активных областей структуры мощных кремниевых транзисторов: монография.- СПб.: Политехника, 2009.-152 с.

2. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А., Технология, конструкция и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1.- М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 397 с.

3. TCAD Synopsys Manuals.

Е

.3.

60 -00 -