Получаване на pn преход и неизправящ преход



Дата25.10.2018
Размер264.35 Kb.
ТипГлава
ГЛАВА 9
ПОЛУЧАВАНЕ НА PN ПРЕХОД И НЕИЗПРАВЯЩ ПРЕХОД
9.1. Преходът в концентрацията – основен елемент в конструкцията на полупроводниковия прибор (изправящи и неизправящи преходи)
Основен елемент в конструкцията на един полупроводников прибор е създаването на PN преход и на неизправящи преходи. Неизправящите преходи имат линейна зависимост между тока и напрежението и са от голямо значение за общото действие на прибора. В зависимост от предназначението си всеки PN преход притежава поне два контакта, изградени на базата на неизправящия преход.

Конструктивните възможности за създаване на PN преход и на неизправящ преход са няколко: сплавяне, дифузия, епитаксия и йонна имплантация. В зависимост от това, дали се създава преход в концентрацията с или без промяна на проводимостта, се получава PN преход или неизправящ преход. При всички видове технология за получаване на тези преходи трябва да се отчита компенсацията на примесите, получаващи се при използване на дифузия, сплавяне или йонна имплантация. Само при епитаксията създаденият преход не е за сметка на компенсация. Това е предимство на този метод, тъй като компенсацията винаги е свързана с вторични ефекти, оказващи влияние върху преноса на токовите носители. Към преходите в концентрацията може да отнесем и прехода метал – полупроводник, като го разглеждаме като рязък преход. Поради факта, че проблемите на PN прехода и неговото създаване са широко известни и изучавани в многобройни курсове, тук са разгледани само основните положения, характеризиращи отделните технологии на изготвяне и особеностите в технологичните схеми на процесите.


9.2. Сплавяне
Сплавянето представлява взаимодействие при висока температура на два или повече елемента – метал или метална сплав и полупроводник. Както е известно от теорията на металознанието, на всяка система вещества може да се определи диаграма на състоянието, показваща системата при повишена температура. Сплавянето представлява приложение на бинарните (или по-сложни) системи за нуждите на полупроводниковата технология. Сплавянето намира приложение за получаване на сплавно – дифузионни транзистори и неизправящи контакти.

Особено важно е сплавянeто за сложните полупроводници, които с развитието на полупроводниковата техника намират все по-широко приложение и за които омовите контакти все още подлежат на изследване.



9.2.1. Същност и механизъм на сплавяне
Същността и механизмът на сплавянето се изясняват с помощта на диаграмите на състоянието. За всички диаграми е характерно, че на абсцисната ос се нанасят атомните или тегловните проценти на компонентите, а на ординатната ос – температурата. За по-сложни системи се избира триъгълна форма на диаграмите или по-сложна, отчитаща особеностите на системата. Връзката между атомните и тегловните проценти се изразява с помощта на

(9.1)

където A и B са атомните тегла, а и b – тегловни проценти,  и  - атомни проценти.

Процесът сплавяне се изразява в образуването на рекристализационен слой, който като твърд разтвор съдържа необходимия компонент при запазване на кристалната решетка на полупроводниковия материал. В този случай чрез възможните механизми на заместване в кристалната решетка или на вграждане, които всъщност изразяват механизма на получаване на промяната в типа проводимост, се получава необходимото изменение на концентрацията. На фиг. 9.19.3 са показани характерни диаграми на състоянието за някои от използваните системи. За всички омови контакти е възможно да бъдат използвани подобни диаграми на състоянието.

Физическите процеси, извършващи се при сплавянето, се разделят на три основни стадия:

а) разтопяване на електродните елементи (сплави) и намокряне на полупроводниковата повърхност;

б) разтваряне на определен обем от полупроводника, определен от диаграмата на състояние;

в) образуване на рекристализационен слой чрез подходящ режим на охлаждане на системата.

Геометрията на PN прехода се определя от намокрения участък на полупроводниковата повърхност и се гарантира в някои случаи чрез подходящ държател. При получаване на омови контакти сплавянето може да се извърши или върху цялата площ на пластинaтa за получаване на обратен контакт, или локално за получаване на омов контакт в активните части на структурата, например дрейн и гейт на полеви транзистор, електроди на планарни Гън елементи и др. Дълбочината на прехода се контролира чрез обема на разтворения полупроводник, определен от диаграмата на състоянието. Концентрацията от примесните атоми, вградени в полупроводника, се изчислява с помощта на числото на Авогадро. При сплавно – дифузионните транзистори в легиращата сплав се поставя допълнително необходим дифузант, който дифундира в полупроводника при температурата на сплавяне или при друга технологично определена температура.

Електродната сплав трябва да отговаря на различни изисквания:

а) да осигурява необходимия тип и концентрацията на примесите;

б) да има необходимото налягане на парите, гарантиращо получаването на преход, което е особено важно при създаването на локални PN преходи

в) да се обработва лесно и да може да се нанася върху полупроводниковата повърхност, т. е. да мокри добре полупроводниковата повърхност;

г) да съдържа необходимите компоненти, осигуряващи висока гранична разтворимост и никакви вредни примеси за структурата. Важно конструктивно условие при сплавянето е, че времето не участва при определяне на дълбочината и концентрацията на прехода, а има значение за хомогенизиране на прехода и за гарантиране на плоскопаралелността на неговата геометрия. Неправилният избор на режима може да доведе до изменение и влошаване на електрическите параметри на прибора.


9.2.2. Изчисляване на дълбочината на сплавяне. Видове сплавяне
Като изходна точка за изчисляване на дълбочината на преходите трябва да се считат диаграмата на състоянието и изборът на начина на сплавянето. Ha фиг. 9.4 а и б са скицирани геометриите на възможните варианти за получаване на локален изправящ или неизправящ преход [42]. Използват се следните означения, необходими за извършване на изчисления:

F(T0) – съотношение на съставките, определено от диаграмата на състоянието;

Vnn – обем на разтворения полупроводник;

VM – обем на разтворения метал;

 – специфична плътност.

За геометрията на фиг. 9.4 а важи

f(T0)


За случая на свободно разливане (фиг. 9.4 б) важат следните зависимости:


r-h=r cos; D1/2=r sin

h=r(1-cos) r=D1/2 sin





[k=1,251,44 за D0=(0,920,58) mm];
; .
Kъм тези формули трябва да се прибави и преразпределението на примесите за случая на сплавно – дифузионния транзистор.

От гледна точка на сплавяването получаването на омови контакти в полупроводниковата технология има две разновидности – в някои случаи се използва температурна обработка подевтектичната температура на съответната система, а в други случаи, обратно – цели се именно получаване на евтектична сплав. B първия случай проблемите са твърде общи с конструктивните особености на прехода метал – полупроводник. Ето защо разглеждането на омовите контакти може да бъде разделено между сплавните преходи и прехода метал – полупроводник.



9.3. Преход метал - полупроводник
9.3.1. Конструктивни особености
B полупроводниковата технология широко приложение намира Шотки –преходът. Исторически погледнато, Шотки – преходът предхожда много изследвания в други области на полупроводниковата технология, но поради сложността на технологичния процес и до голяма степен поради слабите познания в областта на механизма на протичането на отделните технологични операции допреди 10 – 15 години той не беше намерил голямо приложение при създаването на полупроводникови прибори. B съвременната полупроводникова техника Шотки – преходът намира все по-голямо приложение под формата на Шотки – диоди, Шотки – биполярни транзистори, Шотки – полеви транзистори и разнообразни омови контакти.

За стандартното производство на Шотки – диоди се използва планарно –епитаксиалната технология на базата на силициеви N+ - пластини със специфично съпротивление 0,001.cm и ориентация (111) (фиг. 9.5). След израстването на епитаксиален слой с дебелина 5 – 6 m, концентрация 1015 – 1016 cm-3 пластините се окисляват. Чрез фотолитография се отваря прозорец в окиса, след което пластината се подлага на основно почистване преди отлагането на метала. Самата метализация се извършва чрез пиролитично разлагане (MoCl5 за молибден) и чрез вакуумно изпарение или разпрашване (алуминий). Пиролизата се извършва по реакцията


2MoCl5+5H22Mo+10HCl
при температура между 400 0C и 500 0C. Скоростта на водорода в реактора е под 4 cm/s, парциалното налягане на MoCl5 – 5.10-3 Тогг. Времето на отлагане на слой Mo с дебелина от 0,1 m до 0,3 m е около 25 min. За изпарението на Al се. използва алуминиева лента с чистота 5 N. Следващата операция е фотолитография, с която се структурира металният слой. Последната операция в технологичната схема е създаването на обратния контакт, след което структурите могат да бъдат монтирани в подходящ корпус. За обратен контакт при Si се използва сплавта злато – антимон или чист алуминий, а за GaAs – злато – германий.

Използването на алуминий за Шотки – контакт има предимства поради по-изгодните металургични качества на системата Al – Si. Използването на алуминий прави Шотки – диодите интегруеми в биполярните и МОS –интегрални схеми, където този метал се използва най-често за омови контакти. Поради отличните си шумови характеристики и малко време на превключване Шотки – диодите са приложими за СВЧ. Простата технологична схема, характеризираща се с избягване на дифузионните процеси, позволява голяма свобода при комбинирането им с останалите планарно – епитаксиални прибори. Без да се усложнява технологичният процес, само с една промяна на шаблоните се изготвят Шотки – диоди, включени успоредно на прехода колектор – база в биполярните транзистори за намаляване на времето на превключване.

Електрическите параметри на диода са тясно свързани с технологичните. Тази връзка се осъществява от големината на потенциалната бариера Фв, тока на насищане Is и коригиращия фактор n. При производството на Шотки – прехода основно значение има чистотата на повърхността на полупроводника на мястото, където трябва да се получи преходът. Ha практика се получава винаги междинен слой, който се състои главно от SiO2, O2, а така също и от елементи и техните съединения, участващи в технологичния процес (F, H, Cl, Na). Междинният слой нарушава експоненциалния характер на волт – амперната характеристика в права посока и неговото влияние се отразява с фактора n в уравнението, който в идеалния случай е единица. Този фактор е критерий за правилното протичане на технологичния процес, т. е. получаване на чиста повърхност на полупроводника (n е в интервала 1,051,1 за алуминий и 1,21,4 за молибден за повече от четири декади на волт – амперната характеристика).

Отклонението на характеристиките от експоненциалния закон при големи плътности на тока в права посока се дължи на съпротивлението на обратния контакт. Междинният изолиращ слой намалява потенциалната бариера, в резултат на което се увеличава обратният ток и се намалява пробивното напрежение. Както е известно, обратното напрежение на прехода зависи от радиуса на закривяване на обеднената зона. При Шотки – прехода този радиус е фактически нула, в резултат на което има големи отклонения в разпределението на еквипотенциалните линии в полупроводника на краищата на металния електрод (30 – 40 пъти по-голяма напрегнатост на полето). B резултат на това при Шотки – прехода пробивът се получава винаги в тези области. При концентрация 1016 cm-3 пробивното напрежение теоретично е под 5 V, измерено на ниво 10 А. Постигането на достатъчно високо пробивно напрежение при Шотки – диодите е важна задача, изискваща допълнителни технологични операции, чиято основна цел е повлияването на потенциалното разпределение на краищата на металния електрод. Въпреки това постигнатото пробивно напрежение е винаги по-ниско от теоретично възможното за един рязък PN преход.

Шотки – полевият транзистор има конструкция, подобна на тази на МОS –полевия транзистор. Основната разлика е, че между гейта и канала няма изолиращ слой, което води до получаване на Шотки – преход на това място. При прилагане на напрежение на гейта се изменя дълбочината на обеднената зона под металния електрод, чрез което се управлява проводимостта в канала. B такъв случай Шотки – полевият транзистор има характеристики, подобни на тези на полевия транзистор с PN преход, а от друга страна – технологична схема, подобна на тази на широко навлезлите в употреба МОS – транзистори, отличаваща се с простотата и по-лесното контролиране на технологичния процес поради избягване на трудоемката Р- дифузия за гейта. Проблемите, свързани с повърхностните състояния в полупроводника и електричните товари в изолиращия слой, имат второстепенно значение. Областта на приложение на Шотки – полевия транзистор като дискретен елемент или елемент на интегрална схема, нискочестотен или високочестотен елемент зависи от неговите параметри, които от своя страна са отражение на геометричните размери и технологичния процес. Важно предимство на този тип транзистор е възможността да се получи голяма стръмност, която при малки дължини на канала осигурява усилване и при свръхвисоки честоти. Шотки – техниката е в състояние да измести напълно полевите транзистори с PN преход. При високи честоти транзисторите, изградени на тази основа, намират широко приложение в линейните и логическите интегрални схеми.

Ha фиг. 9.6 а е представена технологичната схема на един дискретен Шотки – полеви транзистор, характеризиращ се с едновременното изготвяне на омовите контакти сорс и дрейн с Шотки прехода на гейта. Използва се N- или Р-тип подложка от Si или полуизолираща подложка от GaAs, върху която се израства епитаксиален слой с N- проводимост. Чрез избора на голямо специфично съпротивление на подложката се цели да се намалят паразитните проводимости. За постигане на голяма стръмност епитаксиалният канал има голяма концентрация – 5.1016 cm-3. Използването на по-големи концентрации е ограничено от изискванията за големината на пробивното напрежение на гейта. Специални технологични операции се използват за осигуряване на пробивни напрежения, по-големи от 30 V. Епитаксиалният канал има дълбочина от 0,5 до 2 m. Ha местата на сорса и дрейна за Si се извършва N+- дифузия със следните параметри: повърхностна концентрация от фосфор 1021 cm-3 и дълбочина от 0,5 до 1 m.

Поради голямата концентрация преходите там нямат изправящ характер, което се обяснява с малката широчина на потенциалната бариера и тунелния преход през нея. По този начин съпротивлението на прехода намалява и общото съпротивление се определя от обемното съпротивление на полупроводника. Ha фиг. 9.6 б са представени волт –амперните характеристики на трите прехода (сорс и дрейн заедно).
9.3.2 Омови контакти в полупроводниковата технология
Технологично са известни два случая при изготвянето на омови контакти. B единия случай темперирането става подобно на прехода метал – полупроводник, при което целта е да се премахне междинният слой, състоящ се от различни примесни атоми, включително и окиси на полупроводника. B този случай не се забелязват съществени различия и особености при изготвянето на контактите по отношение на Шотки –прехода. Във втория случай темперирането води до легиране на полупроводника, за постигането на което системата се загрява до температура, по-висока от евтектичната. И в двата случая е необходимо да се постигне линейна VA – характеристика в двете посоки.

Физическият смисъл на линейността се състои обикновено във факта, че общият импеданс на контакта е определен от серийното съпротивление, образувано от обемната част на полупроводника, за която VA –характеристика е линейна при малка напрегнатост на електричното поле, и от импеданса на Шотки – бариерата, който е функция на концентрацията на примесите в полупроводника. Влиянието на импеданса на бариерата е много по-малко в сравнение с влиянието на обемната част на полупроводника при голяма концентрация. B този аспект теорията на омовите контакти се редуцира в изследване на условията, при които импедансът на Шотки – бариерата е малък. От теорията на приборите са известни три транспортни механизма през такава бариера: термоемисия, термополева емисия и тунелен механизъм (TE, TFE, FE). Tе отговарят съответно на двата възможни варианта за изготвяне на контакти:

а) да бъде избран метал, който образува с полупроводника ниска потенциална бариера, или

б) да се избере такава концентрация на полупроводника, че бариерата да бъде възможно най-висока и съответно най-тънка, така че да бъде осигурен тунелен механизъм.

B практиката винаги се изхожда от втория вариант, т. е. избор на повишена концентрация на примесите, особено за случая на N-полупроводник. При Р-полупроводник най-ниската стойност на потенциалната бариера е получена чрез платинов силицид, при което височината на бариерата е около 0,25 eV. При стайна температура термоемисията през тази бариера дава специфично контактно съпротивление около 1,4.10-4 /cm2. Това е достатъчно ниска стойност за реализиране на линейна VA – характеристика. Контактите се получават чрез отлагане на метал върху полупроводника, структуриране на металния слой за получаване на метални площадки и подходящ избор на температурна обработка в зависимост от металургичните свойства на системата.

При конструирането на биполярен транзистор се получава винаги голяма концентрация на повърхностния слой на емитера, в резултат на което при този омов контакт не съществуват проблеми. B същото време при контакта на базовата област, където концентрацията е по-малка, могат да се получат по- големи контактни съпротивления.

При сложните полупроводници омовите контакти се получават обикновено чрез легиране. B зависимост от вида на материала, обемен или епитаксиален, и концентрацията на примесите се използват различни сплави: GaAs за обемен материал (подложка)

- 250 nm In – Au (5.cm GaAs – [100]), (90:10)%;

10-4 .cm2;

- Ge – Au (24:76)% при 38O 0C;

- Sn – Au (36:64)%;

за епитаксиален слой N – N+

In – Au

Sn – Ag (2:98)%, 250 nm 55O 0C до 65O 0C



(P) – Zn, Cd, Be, Mg

GaPAu

(N) – S, Se, Te, Si, Sn

N Ge:Ag/Sb, 100 nm Ag/50 nm Sb/200 nm Ag – 600 0C/1 min

Ge

P Ge:Al – 100 nm – 200 0C и 200 nm – 20 0C


Особени проблеми възникват при изготвяне на омови контакти на някои от оптоелектронните прибори. При изготвянето на луминесцентни диоди на базата на галиев фосфид освен сложните проблеми при легирането се поставят и изисквания за получаване на по-добри оптически свойства, свързани с отражението от обратния контакт. Ha фиг. 9.7 а, б са показани такива възможности, реализируеми чрез изменяне на съдържанието на разтворените съставки в металите, използвани за омови контакти [270, 274, 278].
9.4. Дифузия
9.4.1. Механизъм на дифузията и математическо изразяване на дълбочината на преходите
Процесът дифузия е добре известен и разглеждан в много курсове. Термодинамиката на процеса се описва по начин, подобен на процесите окисление (гл.4) и епитаксия (гл. 8). За пълнота на излагания материал тук се разглеждат само основните зависимости, определящи разпределението на примесите, както и в блокова форма всички математически изрази, получени в резултат на решението на уравненията на Фик.

При определяне на механизма на дифузия трябва да се има предвид видът на полупроводника. За случая на силиций и на дифузия на елементи от 3-та и 5-та група на Менделеева таблица може да се счита за доказано, че тя се осъществява с помощта на т. нар. ваканционен механизъм. Основата на този механизъм е проникването на чуждите атоми чрез свободните места в кристалната решетка (ваканции), като при това се осъществява непрекъснато взаимодействие между самите атоми и ваканциите. Следователно енергията на активация, която всъщност интересува конструктора и определя дълбочината на преходите, се определя от общата вероятност за предвиждането на примесните атоми и ваканциите, за тяхното взаимодействие и т. н. По-сложен е въпросът за дифузията в сложните полупроводници. При галиевия арсенид е установено, че активиращата енергия за галия и арсена се различава почти два пъти. Установено е, че при дифузия на елементи в сложните полупроводници става замяна на едните или на другите атоми само в съответната част от кристалната решетка.

Голямо значение има и влиянието на различните дислокации, което е особено силно изразено при повишена плътност. B този случай напредването на дифундиращите атоми е много по-бързо, което се използва в практиката, напр. при силовите прибори. Друга особеност е влиянието на радиуса на дифундиращите примеси. Установено е [273, 274, 275], че от радиуса на атомите зависи до голяма степен дифузионният коефициент. Обяснението на това се търси в появата на вътрешни напрежения. Ако дифундират малки атоми с голяма концентрация, в кристалната решетка се получават големи напрежения. Този ефект има най-голямо значение при голяма разлика между атомния радиус и размерите на кристалната решетка. B резултат на тези вътрешни напрежения се получават дислокации, които по-нататък влияят върху характеристиките на изготвените структури.

Математическото описание на дифузионния процес е известно от многобройни изследвания. Въпреки това за конструктора е трудно да избере математически апарат, описващ напълно използвания от него метод на дифузия. От една страна, трябва да се гарантира получаването на необходимата вертикална геометрия, а от друга страна, да се създадат условия за удовлетворяване на граничните условия, необходими при решаването на диференциалните уравнения. Всеки технологичен метод осигурява само с известно приближение определени гранични условия, водещи до едно или друго математическо решение. Основните математически изрази, описващи стандартните дифузионни процеси, ще бъдат дадени в блокова форма, като се използват означенията; N –концентрация на cm-3, Q – концентрация на cm2, LD – дифузионна дължина, х – координата, перпендикулярна на повърхността, N0 – повърхностна концентрация, xj, хев, хсв, хсп, хвmax – дълбочина на преходи, съответстващи на максимума на разпределение в базата , а – градиент на разпределение, Rs(R0) – листово съпротивление, – средна специфична проводимост,  - специфично съпротивление на материала [269, 274, 276, 277], Освен това се използват и някои основни зависимости, както следва: [279] на фиг. 9.8.1 – (N) за T=300 K Si, Ge и GaAs (P- и N-проводимост), фиг. 9.8.2 – (N) за същите материали, фиг. 9.8.3 – D(1000/T 0K) за Si, Ge и GaAs, фиг. 9.8.4 – максималната разтворимост на различни примеси в SI в зависимост от температурата. B помощ на изчисленията са фиг. 9.8.5, 9.8.6, 9.8.7 и 9.8.8, известни като криви на Ирвин, даващи възможност за определяне на зависимостта R(N) чрез средната специфична проводимост. Параметри са концентрацията и типът проводимост на материала, в който е извършена, дифузията за случая на Гаусово разпределение. Ha фиг. 9.8.9 е представено изчисление на вертикалното и хоризонталното разпределение на примесите за двата случая – erfc и Гаус при практическото провеждане на дифузия през защитна маска от SiO2.

От математическите изрази се вижда, че основната задача е определянето на повърхностната концентрация и на дълбочината на преходите, което е равностойно с познаването на листовото съпротивление. Представената методика за, изчисляване на разпределението на примесите е в основата на изчислението на в
ертикалната геометрия, описано в гл. 11








9.4.2. Технологична схема на дифузионния процес
Съществуват различни варианти и методи за провеждане на дифузията. От една страна, конструкторът трябва да познава добре особеностите на структурата, а от друга страна, да познава възможностите на отделните варианти, за да може по-добре да реализира необходимото вертикално разпределение. Така например съществуват особености в дифузионния процес при биполярните прибори в сравнение с MOS приборите. Освен това между самите биполярни прибори съществуват големи различия. При силовите прибори е необходима голяма дълбочина на преходите,която изисква използане на такива технологични схеми за, дифузия, които са в състояние ефективно да осигурят необходимото разпределение. Особености съществуват и при дифузията в различните полупроводникови материали. He е едно и също дали се прави дифузия от N- или от Р-тип в силиций или галиев арсенид. При това различията не се свеждат само до различни параметри на процеса, а могат принципно да видоизменят начина на провеждане, независимо че полученото разпределение може да се описва по един и същи начин. Особеностите на дифузионните процеси са описани в гл. 11 за различните биполярни прибори, където е направено пълно изчисление на вертикалното разпределение за случая на една биполярна интегрална'схема.

Особеностите на дифузионния процес, разгледани най-общо, като особености на технологичната операция могат да се сведат до:

а) етапност при провеждане на дифузията;

б) нанасяне или транспортиране на дифузантите;

в) аномалии в разпределението на примесите.

Така например общото е, че се препоръчва и предпочита дифузията да се извършва на два стадия поради възможността от по-добро контролиране на процеса и по-ниската температура на първия стадий. При едноетапната дифузия се получават гранични условия, отговарящи на erfc –разпределение. При двустадийната (двуетапната) дифузия в първия етап се създава тънък приповърхностен слой, богат на примеси, служещ като източник при втория стадий на дифузията. Двустадийната дифузия създава гранични условия, гарантиращи разпределението на примесите по гаусовите формули, което в много случаи е конструктивно по-изгодно от разпределението. Двустадийната дифузия е възможна при използване на дифузия в отворена система независимо от вида на дифузанта. При сложните полупроводници отворената система не е подходяща, тъй като при тях съществуват проблеми, свързани с различното парциално налягане на съставките на сложния полупроводник, подобни на тези при епитаксията. Ето защо при тези полупроводници се използуват кварцови реактори от затворен тип, в които допълнително се поставя източник на компонента с по-голямо налягане на парите (за галиев арсенид – арсен). От направените изследвания при дифузията на цинк.в галиев арсенид и галиев фосфид се забелязва [273], че се получават редица аномалии в разпределението в резултат на металургични ефекти в двукомпонентните системи.

При използването на дифузантите са възможни няколко варианта.

Едни от най-широко разпространените методи са потапяне на подложката в разтвор на дифузанта, отлагане на дифузанта чрез вакуумно изпарение или галванична реакция, осигуряване на директен контакт между дифузанта и подложката. B тези случаи на дифузия оригиналният източник на дифузант (първичният) и локалният източник на дифузант, който се отлага на мястото върху подложката, са еднакви. При използване на дифузия в отворена система обаче при повечето използвани методи тези източници са различни. Конструкторът трябва добре да подбира оригиналните източници на дифузант (течни, твърди или газообразни), които винаги са отделени от тази част на реактора, където се намира подложката и се провежда процесът. Обикновено транспортът се извършва, чрез подходящ носещ газ. Като локални източници на дифузия се получават различни окиси на примесния елемент. Като пример може да бъде разгледана фосфорната дифузия. Източник на дифузия могат да бъдат твърдият P2O5 или течните фосфорен оксихлорид и фосфорен хлорид. C подходящ носещ газ и окислителен процес върху подложката като локален източник на дифузант отново ще се получи фосфорен петоокис. Могат да бъдат използвани фосфорен бромид или газообразни продукти, които направо се смесват с носещия газ без барбутьорни системи, като фосфин и някои други. Особено широко приложение при Р- дифузията за силиций намира борният нитрид. При него също се осъществява депозиране на локален дифузант под формата на борен окис при подходящ температурен режим. Подложките от борен нитрид се поставят в непосредствена близост да силициевите подложки (обикновено над тях) и се загряват примерно до 1090 0 с подходящ температурен градиент в атмосфера от чист аргон. След необходимата температурна стабилизация на системата носещият газ се сменя с чист кислород, при което се осъществяват следните реакции:

ВN+3О22В2О3+2N2;

В2О32О2HBO2

Първата реакция е основна, а втората – възможна.

От отложения борен окис по-нататък продължава същинската дифузия в силициевата подложка. Реакциите, описващи получаването на елементарен бор, са аналогични със случая на фосфорната дифузия:

2О3+3Si4В+3SiO2;

2HBO2+2Si2B+2SiO2+H2.

Създаването на локалните източници на дифузант върху подложката е най-критичният момент, определящ до голяма степен гарантирането на граничните условия, за които са решени уравненията на Фик. Една голяма част от аномалиите в дифузионния профил се дължат именно на отклонения при получаването на тези локални източници. Използването на локални дифузанти при сложните полупроводници под формата на различни покрития намалява разликата в. парциалното налягане на компонентите и гарантира по-добри условия за дифузия.

Получаването на аномалии в разпределението на примесите трябва да се разглежда и като причинено от възможни отклонения в механизма на самата дифузия. Той се определя от няколко реакции, протичащи едновременно и които заедно определят резултиращото вертикално разпределение. От една страна, това е вече споменатото образуване и отлагане на локалния дифузант под формата на различни окисни покрития. По-нататък следва редукцията на тези окиси по описаните по-горе реакции, а след това същинската дифузия. B последния етап отложеното покритие играе съществена роля за гарантиране на граничното условие за едностранна дифузия. За засилване на тази му функция в този етап се провежда допълнително окисление, което винаги се практикува едновременно или непосредствено след дифузията.

При провеждане на дифузионния процес е необходимо да бъдат гарантирани следните по-важни условия – предварително насищане на кварцовия реактор, скорост на носещия газ, температура на процеса, съдържание на многокомпонентната система (носещ газ, кислород, дифузант, съдържание на остатъчни пари в носещия газ). Някои от тях са предварително известни и в такъв случай не е необходимо да се отчитат, но подценяването им може да доведе до редица аномалии.

Като причина за анормалните вертикални разпределения в полупроводниковите структури трябва да споменем и вече дискутираният проблем – създаването на механични напрежения, водещи до дислокации по време на дифузията в резултат на крайните размери на дифундиращите атоми. Освен това изследванията на някои автори показват, че напредването на атомите на дифузанта е съпроводено с тяхното йонизиране. Вследствие на това се получава електрическо поле, обосновано от по-големия коефициент на дифузия на електроните и дупките, което може сериозно да повлияе на вертикалното разпределение. Освен това известни са и някои други конструктивни проблеми, като например потъването на базата под емитера и съществуването на електрически неактивни дифундирали примеси. Потъването на базата под емитера в резултат на емитерната дифузия е резултат на изменението на дифузионния коефициент на борните примеси на базата в NPN транзистора под влияние на настъпващия фронт от фосфорни атоми. Това изменение може да бъде както за сметка на йонизирането на фосфорните атоми, така и за сметка на възникването на допълнителни механични напрежения. Във всеки случай конструктивно винаги трябва да се стремим емитерната дифузия да бъде по възможност по-къса, т. е. да се провежда при по-висока температура или на по-малка дълбочина. Това не винаги е възможно, тъй като системата от държател ладия и пластини винаги изисква определено време за постигане на равновесни условия. Някои автори считат, че в случая може да се дефинира един общ дифузионен коефициент от вида:

,

чрез който може да се обясни количествено потъването на базата. Други изследвания показват, че действително в повърхностния слой съществуват големи области от електрически неактивни дифундирали примеси. B случая помага един темпериращ процес от порядъка на 10 min при температури от около 90O 0C във влажен кислород. Експериментално е доказано, че при това става пълно активизиране на дифундиралите примеси.


9.5. Йонна имплантация
Йонната имплантация е сравнително нов метод за получаване на вертикално разпределение от примеси в полупроводников материал. B зависимост от типа на примесните атоми и тяхната концентрация тя се използва както за създаване на изправящи, така и на неизправящи преходи. Предимствата на тази технологична операция в сравнение с дифузията са най-вече в по-точното задаване на концентрацията в необходимата област на подложката. При това точността не зависи от стойността и вида на концентрацията. Това не винаги е възможно при дифузията, особено за случая, когато трябва да се получат по-малки повърхностни концентрации (Р- изолиращата област в CMOS техниката или полевия транзистор с PN преход). Освен това йонната имплантация може да се извършва с екраниращи маски и през изолиращи покрития. Такава маска може да представлява гейтът на един полеви транзистор с изолиран затвор, което позволява чрез йонната имплантация да бъдат конструирани структури с нищожни капацитети от препокриване.

C помощта на йонната имплантация могат да бъдат реализирани и високоомни съпротивления. Друго важно приложение на йонната имплантация е стабилизирането на силициевия двуокис при MOS транзисторите, в резултат на което се получава структура, издръжлива на рентгеново лъчение. Това е от голямо значение за приложението й за специални нужди. Известно е [271, 272, 275], че има йонна имплантация на алуминиеви йони в окиса под затвора, с което се гарантира стабилно прагово напрежение в N- каналните транзистори. Възможно е също така и имплантиране на метални йони, в областите на контактните площадки, като се избират метали, осигуряващи голяма концентрация на вграждане. Широко приложение намира йонната имплантация и при изследване на самите преходи. Чрез йонно разпрашване и спектроскопичен анализ е възможно изследването на полупроводниковата подложка в дълбочина и определянето на концентрацията на примесните елементи.

При йонната имплантация се получават концентрационни профили, показани на фиг. 9.9 а [275]. Разпределението на атомите е по-различно от това при дифузията и се дефинира с дълбочината на максимума, с широчината му и с пълно гаусово математическо описание на разпределението. Дълбочината и широчината зависят от енергията на йоните, като те растат с увеличаване на енергията. В съвременната полупроводникова техника са известни данни за тези параметри на различни акцепторни и донорни примеси в силиций. На фиг. 9.9 б е показано влиянието на покритие от силициев двуокис при провеждане на йонна имплантация върху разпределението на примесите.

Съществен недостатък на йонната имплантация са големите разрушения в кристалната решетка, получавани за сметка на отдаването на кинетичната енергия от йоните. Тези механични увреждания трябва да бъдат отстранявани чрез подходящо темпериране за гарантиране на нормална подвижност. Обратно, чрез различна степен на възстановяване на последната може да бъде постигната различна стойност на листовото съпротивление на имплантираните съпротивления. На фиг. 9.10 а е показана такава възможност при следните параметри на йонната имплантация [271]:

Дозиране - (5.10121015) cm-2;

R - 100 35 k;

Т 0 на обработка - 450 0C950 0C.

Кривата при 950 0C отговаря на конвенционалната имплантационна техника. Значението на параметрите на йонната имплантация може да се забележи по температурния коефициент на имплантираните съпротивления. Както е известно (вж. гл. 11), дифузионните съпротивления притежават положителен температурен коефициент силно зависещ от стойността на листовото съпротивление и геометричните размери. При йонно имплантираните съпротивления съществуват различни влияния върху температурния коефициент, който може да бъде както близък до нулата, така и отрицателен, и положителен. На фиг. 9.10 б е показано значението на температурата на темпериращия процес върху стойността на коефициента. В зависимост от енергията на йоните и температурата на термообработката може да се получи различно изменение. Подобна зависимост показва и линейността на имплантираното съпротивление, като чрез частично или пълно възстановяване на подвижността могат да бъдат реализирани различни стойности и зависимости във волт – амперната характеристика на съпротивлението.

За реализиране на P- изолиращата област в CMOS процесите, както и за получаване на имплантирани области за сорса и дрейна, широко се използва в различни варианти йонната имплантация. Примерни режими за получаване на CMOS схеми са следните [271, 274, 275]:

-B11 – имплантация (N=3.1013 cm-2, E=65 keV) за P- вана, съпроводена от последваща дифузия;

- B11 – имплантация за прагово напрежение на Р-каналния MOS транзистор (50 keV, 3,5.1012 cm-2).

Важна особеност е комбинацията, при която имплантацията се използва като първи, а дифузията като втори стадий. По този начин се гарантира по-добра хомогенност на листовото съпротивление.


9.6. Контрол на параметрите на получените преходи
Основните параметри, необходими за конструкцията на полупроводниковата структура по отношение на преходите, са: листово съпротивление, дълбочина на преходите, странична дифузия и повърхностна концентрация. От показаните по-горе фигури и математически изрази се вижда, че тези параметри зависят силно един от друг. Важен параметър е определянето на вертикалното разпределение, за което също съществуват различни методи. Ha фиг. 9.11 а, б са показани различни възможности за изготвяне на шлифове, позволяващи с подходяща химична обработка (вж. гл. 3) определянето на дълбочината на преходите [270]. Такова измерване, съчетано с четирисондов метод за определяне на листовото съпротивление на повърхността на дифундирания слой, гарантира в голяма степен определянето на вертикалното разпределение на примесите, Съществуват редица алгоритми, позволяващи чрез CV – измервания да се определи разпределението на примесите. Обикновено чрез подходящо съчетание на различните методи се постига и най-голяма увереност в точността на измерването.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница