Изготовление самосовмещенного

Рис. 8.18. Изготовление самосовмещенного кремниевого затвора для n-

канального МОП-прибора.

Рис. 8.19. Вид сверху n-канального МОП-транзистора с кремниевым затвором

Глава 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО–ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ

1. 
   Основы диффузионной технологии
   

Для разработки технологических процессов формирования легированных областей диффузией необходимо прежде всего знать механизмы взаимодействия примесей, образующих тот или иной тип проводимости с полупроводником, распределение примесей в подложке, типы и состояние легирующих примесей, конструкции и принципы работы базовых узлов диффузионного оборудования, способ транспортировки примесей в высокотемпературную зону диффузии и др.

Диффузия – процесс хаотического переноса молекул или атомов вещества, вызванный наличием градиента концентрации. Этот процесс наблюдается в веществах (средах), находящихся в любом агрегатном состоянии при наличии градиента концентрации, но скорости диффузии зависят от состояния вещества (υ_тв ≈ 10^–9 , υ_газ ≈10^–6). Если атомы примеси распределены неравномерно и существует градиент концентрации, то возникает направленный диффузионный поток, который стремится выровнять концентрацию. Аналогичное действие оказывает градиент температуры. Заметная диффузия в твердом теле происходит при температуре выше 1073 К. Особенности процессов диффузии применительно к изготовлению изделий интегральной электроники детально рассматриваются в разделах 9.9 – 9.18 данной главы.

2. Легирующие примеси и источники диффузии

Основными легирующими примесями в кремнии являются элементы III (акцепторы) и V (доноры) групп Периодической системы. Чаще всего для получения легированных областей р–типа используют бор, имеющий высокую предельную растворимость в кремнии, а для n–областей – фосфор.

В качестве донорных примесей можно использовать сурьму, мышьяк, а в качестве акцепторных – алюминий, галлий. Выбор примесей диктуется растворимостью элементов в полупроводнике, коэффициентом диффузии, способом маскировки и др. В последнее время возрос интерес к мышьяку как к легирующей примеси для создания скрытого слоя в коллекторных областях ИМС. Есть сведения об использовании для создания скрытых сильнолегированных слоев сурьмы и фосфора.
Диффузия акцепторных и донорных примесей, т. е. формирование областей с различным типом проводимости в полупроводниковых структурах, может производиться последовательно или одновременно. При формировании n–р–n–транзисторов одновременной диффузией необходимо, чтобы коэффициенты диффузии находились в соотношении D_n « D_p, а пределы растворимости – в соотношении N_n » N_p . Для р–n–р – транзисторов эти соотношения должны быть противоположными. Если сравнить радиусы,
например, Si (0,117 нм) и примесей, то нетрудно заметить, что примеси Р (0,110 нм), В (0,089 нм), С (0,077 нм) при внедрении вызывают сжатие решетки кремния, а примеси с большим радиусом Sb (0,141 нм), Ge (0,122 нм), As (0,121 нм), чем у Si, вызывают расширение его решетки. Это приводит к возникновению напряжений, деформации решетки и дефектов в решетке, что особенно критично при высоких плотностях примесей ~ 10²⁰– 10²¹ см^–3. Устранить возникновение таких явлений можно путем компенсации напряжений (деформаций), вызванных примесями одного сорта (Р, В, С), примесями другого сорта (Sb, Ge, As), электрически нейтральными примесями или одноименной примесью. Относительные концентрации примесей подбирают в соответствии с правилом Вегерда:
^^{ r }3 ^

  N_m ,   _^{ m }
_^{ r0 }
1_N ₀ ,
_


(9.1)

где ε – упругая деформация решетки; N_m – концентрация примеси; β – коэффициент примесного сжатия решетки; r_m и r₀ – атомные радиусы примеси и полупроводника; N₀ – атомная плотность полупроводника (5,5  10²² см^–3 для Si).
В качестве источников примеси могут быть газы, жидкости, твердые тела, чистые вещества и химические соединения. Наибольшее распространение получили газы: РН₃, ВСl₃, AsH₃, В₂Н₆ (Т_ист = 283– 303 К); жидкости: РОСl₃, РВг₃, РС1₃, ВВг₃ (T_ист= 275–473 К), твердые тела: В, В₂О₃, Sb₂O₃, As₂O₆, Р₂О₅, легированные пленки и др.
Диффузия, как правило, происходит в окислительной среде, вызывающей образование диэлектрических пленок, диффузию примесей в полупроводник и кислорода через выросшую пленку. Газообразная примесь взаимодействует с кислородом и SiO₂ с образованием примесно–силикатных стекол:
В₂О₃ + SiO₂ = В₂О₃ · SiO₂. (9.2)


На границе окисел – кремний протекает окислительно– восстановительная реакция с образованием элементарной примеси, диффундирующей в кремний:

B₂O₃  Si  2B 
SiO₂ , P₂O₅  Si  2P 
SiO₂ .


(9.3)

В последнее время широкое распространение приобретает метод диффузии из легированных пленок, наносимых на поверхность полупроводника при относительно низких температурах. В этом методе источниками диффузии могут служить легированные фосфором или бромом пленки, боросиликатные (В), фосфорносиликатные (Р) стекла, мышьяко– фосфоро-боросиликатные (As), SiO₂ (P + В) стекла.