3.3. Легирование.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Этому способу мы уделим главное внимание. Однако за последние годы широкое распространение получил и другой способ легирования — ионная имплантация, — который рассматривается в конце раздела.

Диффузия. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 3.3, а), а во втором — на определенных участках пластины через окна в маске, например, в слое Si0₂ (рис. 3.3, б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального слоя неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую N_a(x) на рис. 3.3,а).

В случае локальной диффузии примесь распространяется не только вглубь пластины, но и во всех перпендикулярных направлениях, т.е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузии участок р-n-перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 3.3, б). Соотношение между глубинами боковой и основной — «вертикальной» — диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя L. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,7 L.

Примеси характеризуются коэффициентом диффузии D, определяющим плотность потока П диффундирующих атомов, т. е. атомов, проходящих в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению диффузии: П = - D grad N. Чем больше D, тем быстрее распространяются примесные атомы и меньше время получения слоя заданной толщины. Теоретические расчеты показывают, что , следовательно, время диффузии . Для бора или фосфора при L = 2 ... 3 мкм и температуре Т — 1100°С оно составляет около одного часа, а для мышьяка или сурьмы (доноры) на порядок больше из-за меньшего D. Формирование слоев большой толщины (около 10 мкм) — длительный процесс, который применяется редко. Коэффициент диффузии существенно увеличивается с ростом температуры - на порядок на каждые 100 ºС. С этим связана необходимость поддерживания температуры с высокой точностью: ± (0,1 ... 0,2) °С.

Другой параметр примесей — предельная растворимость (максимально достижимая концентрация примесей N_npen) в отличие от D незначительно увеличивается с ростом температуры (в 2 .: .3 раза на каждые 300 °С при Т< 1300 °С). Она составляет 10²⁰ ...10²¹ при T = 1100°С.

Использовать чистые легирующие вещества затруднительно. Например, бор тугоплавок, мышьяк высокотоксичен, фосфор легко воспламеняется и т. д. В качестве источников примесей применяют их соединения в твердом (В₂О₃, Р₂О₅), жидком (ВВг₃, РОС1₃) или газообразном (В₂Н₈, РН₃) состоянии, называемые диффузантами. В результате химических реакций на поверхностях пластин при высокой температуре выделяются нужные атомы примесей.

Если над пластинами избыток диффузанта, то у их поверхности быстро устанавливается максимальная концентрация примесей, близкая к предельной растворимости, которая далее не изменяется.

Распределение концентрации примесей при таком режиме диффузии, называемом загонкой примесей, показано на рис. 3.4.а для разных температуры и времени процесса . Атомы примесей сосредоточены в узком приповерхностном слое. Назначение загонки обычно состоит во введении определенной дозы легирования (числа атомов, поступающих через единицу поверхности) . Для окончательного формирования диффузионного слоя введенную примесь подвергают перераспределению на втором этапе, называемом разгонкой примесей. Подачу диффузанта прекращают, примеси распространяются вглубь при , поверхностная концентрация уменьшается, а толщина слоя возрастает. На рис. 3.4.б приведены графики функции N(х) после загонки и разгонки .

Для создания нескольких слоев с разными типами электропроводности диффузия проводится многократно. Например, при первой диффузии в пластине n-типа можно сформировать р-слой, а затем при второй диффузии ввести в него доноры на меньшую глубину, получив структуру типа n-p-n. При многократной диффузии концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, чтобы изменился тип проводимости и образовался p-n-переход. Максимальная концентрация ограничена предельной растворимостью, поэтому число последовательных диффузий, как правило, не превышает трех. Последующие диффузии из-за высокой температуры вызывают нежелательную разгонку примесей, введенных на предыдущих этапах. Поэтому температуру и (или) время последующих диффузий надо выбирать меньше, а коэффициент диффузии и предельную растворимость примесей больше, чем для предыдущих.

Ионное легирование. Ионной имплантацией называют метод легирования пластины (или эпитаксиального слоя) путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, достаточной для их внедрения вглубь твердого тела.

Ионизация атомов примеси, ускорение ионов, и фокусировка ионного пучка осуществляются в специальных установках типа ускорителей частиц в ядерной физике. В качестве примесей используются те же материалы, что и при диффузии.

Глубина внедрения ионов зависит от их энергии и массы. Чем больше энергия, тем больше получается толщина имплантированного слоя. Однако с ростом энергии возрастает и количество радиационных дефектов в кристалле, т.е. ухудшаются его электрофизические параметры. Поэтому энергию ионов ограничивают величиной 100-150 кэВ. Нижний уровень составляет 5-10 кэВ. При таком диапазоне энергии глубина слоев лежит в пределах 0,1-0,4 мкм, т.е. она значительно меньше типичной глубины диффузионных слоев.

Концентрация примеси в имплантированном слое зависит от плотности тока в ионном пучке и времени процесса или, как говорят, от времени экспозиции. В зависимости от плотности тока и желательной объемной концентрации время экспозиции составляет от нескольких секунд до 3-5 мин и более (иногда до 1-2 ч). Разумеется, чем больше время экспозиции, тем больше количество радиационных дефектов.

Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рис. 3.5 сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума. Вблизи максимума кривая хорошо аппроксимируется функцией Гаусса.

Поскольку площадь ионного пучка меньше площади пластины (а иногда и кристалла), то приходится сканировать пучок, т.е. плавно или «шагами» перемещать его (с помощью специальных отклоняющих систем) поочередно по всем «строкам» пластины, на которых расположены отдельные ИС.

По завершении процесса легирования пластину обязательно подвергают отжигу при температуре 500 - 800 °С для того, чтобы упорядочить кристаллическую решетку кремния и устранить (хотя бы частично) неизбежные радиационные дефекты. При температуре отжига процессы диффузии несколько меняют профиль распределения (см. штриховую кривую на рис. 3.5).

В принципе ионную имплантацию, как и диффузию, можно проводить многократно, «встраивая» один слой в другой. Однако сочетание энергий, времен экспозиции и режимов отжига, необходимое для многократной имплантации, оказывается затруднительным. Поэтому ионная имплантация получила главное распространение при создании тонких одинарных слоев.

Главными преимуществами ионной имплантации являются: низкая температура процесса и его хорошая контролируемость. Низкая температура обеспечивает возможность проведения ионной имплантации на любом этапе технологического цикла, не вызывая при этом дополнительной диффузии примесей в ранее изготовленных слоях.

Ионная имплантация так же, как диффузия, может быть общей и локальной (избирательной). Легирование обычно осуществляют через маску SiO₂ или Si₃N₄ толщиной около 0,5 мкм, превышающей длину пробега ионов в этих материалах. Так как ионный пучок направлен перпендикулярно поверхности, а боковое рассеяние ионов невелико, то горизонтальные размеры легированной области точно соответствуют отверстию в маске (рис. 3.6.). Это является преимуществом по сравнению с легированием путем диффузии, так как позволяет получать области меньших размеров. Принципиально возможно локальное легирование без применения маски с помощью сканирования остросфокусированного ионного пучка, включаемого и выключаемого по заданной программе.