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.

Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рис. 5, а), а во втором — на определенных участках пластины через окна в маске, например, в слое SiO₂ (рис. 5, б).

Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривую N_a(x) на рис. 6).

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 p—n -перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом (рис. 5, 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.

Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, в исходную пластину n -типа можно во время 1-й диффузии внедрить акцепторную примесь и получить р- слой, а затем во время 2-й диффузии внедрить вполученный р -слой(на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию.

При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концентрацию предыдущей, в противном случае тип проводимости не изменится, а значит, не образуется p-n -переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном материале) не может быть сколь угодно большой: она ограничена особым параметром — предельной растворимостью примеси. Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой температуре она достигает максимального значения N_{np макс}, а затем снова уменьшается. Максимальные предельные растворимости вместе с соответствующими температурами приведены в табл. 1.

Таблица 1. Максимальная предельная растворимость типичных примесей в кремнии

Примесь	As	Р	В	Sb
Nnp, см-3	20*1020 (1150 °С)	13*1020 (1150 °С)	5*1020 (1200 °С)	0,6*1020 (1300 °С)

Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью. Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен, не удается обеспечить более 3-х последовательных диффузий.

Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источниками диффузантов являются их химические соединения.

Это могут быть и жидкости (BBr₃,POCl), и твердые тела (В₂О₃, Р₂О₅), и газы (В₂Н₆, РН₃).

Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотранспортных реакций — так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диффузионные печи.

Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов. В таких печах (рис. 7) имеются две высокотемпературные зоны, одна — для испарения источника диффузанта, вторая — собственно для диффузии.

 

Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к потоку нейтрального газа-носителя (например, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны.

В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходимости в их высокотемпературном испарении. Поэтому используются однозонные печи, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии.

При использовании жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кислород. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел SiO₂, т.е. в сущности — стекло.

 

В присутствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорно-силикатное стекло. При температуре выше 1000° эти стекла находятся в жидком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии, т.е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта — окислов — образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода.

Также учитывается необходимость прецизионной регулировки температуры в диффузионных печах. Допустимая нестабильность температуры составляет до ± 0,2 °С (т.е. сотые доли процента).

Ионная имплантация. 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, опять же, больше количество радиационных дефектов. Типичное распределение примеси при ионной имплантации показано на рис.7 сплошной кривой. Как видим, это распределение существенно отличается от диффузионного наличием максимума. Вблизи максимума кривая хорошо аппроксимируется функцией Гаусса, см. (7).

Поскольку площадь ионного лучка 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. 7) Ионная имплантация так же, как диффузия, может быть общей и локальной (избирательной). В последнем, более типичном случае облучение (бомбардировка) проводится через маски, в которых длина пробега ионов должна быть значительно меньше, чем в кремнии. Материалом для масок могут служить распространенные в ИС двуокись кремния и алюминий. При этом важным достоинством ионной имплантации является то, что ионы, двигаясь по прямой линии, внедряются только вглубь пластины, а аналогия боковой диффузии (под маску) практически отсутствует.

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.