авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Разработка и исследование технологических основ формирования легированных анодных пленок диоксида кремния

-- [ Страница 4 ] --

Выявлено, что наибольшее уменьшение плотности дислокаций в 67 раз в диффузионных слоях P c As наблюдалось при соотношении массовых долей H3PO4:H3AsO4, равном 14: 0,2.

При соотношениях массовых долей H3BO3: H3AsO4, равных 5: 0,002 происходит наибольшее уменьшение плотности дислокаций - в 6,4.

Особый интерес для полупроводниковой электроники представляет диффузия фосфора в кремний из анодных оксидных пленок в условиях быстрой термической обработки (БТД).

Известная модель диффузии фосфора из ЛАОП предсказывает изменение формы профиля распределения примеси в подложке от erfc-функции до распределения Гаусса вследствие истощения примеси в пленке. В силу особенностей процесса анодного окисления примесь в пленке распределена неравномерно, значительная ее часть сосредоточена вблизи границы раздела ЛАОП-полупроводник. Это не оказывает заметного влияния на распределение примеси при длительной диффузии. Однако в настоящее время процесс БТД ограничивается несколькими секундами, десятками секунд. При таких временах неравномерность распределения примеси в ЛАОП несомненно будет играть определенную роль. Поэтому для использования ЛАОП в качестве источника примеси при БТД необходимо выяснить характер этого влияния.

Диффузия осуществлялась на установке ИТО-18, обеспечивающей нагрев излучением галогенных ламп. Концентрационные профили определялись из измерений поверхностного сопротивления четырехзондовым методом на приборе ИУС-3 в сочетании с послойным удалением кремния анодированием в электролите вышеуказанного состава и последующим растворением ЛАОП в растворе HF. Концентрацию NSP в удаляемых слоях Si определяли по графикам Ирвина (NS, ). Удельное сопротивление удаленного слоя кремния рассчитывали, исходя из измеренного поверхностного сопротивления и толщины удаленного слоя.

Зависимость величины поверхностного сопротивления от времени отжига представлена на рис. 10. Как видно из этого рисунка, характер изменения Rs отличается от подобных зависимостей для слоев, сформированных диффузией из эмульсионной пленки. Если в случае диффузии из эмульсионной пленки Rs монотонно уменьшается, то при диффузии из АОП на графике Rs наблюдается минимум.

Данный характер изменения Rs можно объяснить изменением поверхностной концентрации в процессе отжига, показанном на рис. 11. Из этого рисунка видно, что минимальное значение Rs при

5 с соответствует максимальному значению поверхностной концентрации. Изменение же поверхностной концентрации, в свою очередь, может быть связано с неравномерностью распределения примеси в ЛАОП.

Рис. 10. Зависимость поверхностного сопротивления легированных фосфором слоев, сформированных диффузией из анодной оксидной пленки, от времени отжига  Зависимость поверхностной-205 Рис. 11. Зависимость поверхностной концентрации фосфора от времени отжига

Как видно из рис. 12 и 13 концентрационные профили P в Si сильно отклоняются от гауссового распределения и проходят намного ниже кривых, задаваемых аппроксимирующим выражением

15/) exp(- x2/4Dt), (14)

(штрихпунктирные линии). В случае аппроксимации erfc распределением по формуле

N(x) = 1,341019 erfc (x/2), (15)

(на рисунках - пунктирные линии) наблюдается меньшее отклонение аппроксимирующих кривых от экспериментальных (на рисунках - сплошные линии).

Формулы (14) и (15) получены подстановкой значения 31020см-3 средней концентрации фосфора в ЛАОП соответственно в уравнение, описывающее диффузию в полубесконечное тело из ограниченного источника, и математическую модель диффузии из равномерно легированной оксидной плёнки. Несовпадение экспериментальных зависимостей с теоретическими обусловлено, вероятно, тем, что фосфор неравномерно распределён по толщине ЛАОП и пребывает в них в виде P2О5 и P. Следовательно, при кратковременном отжиге концентрация фосфора на поверхности раздела непостоянна и меньше её среднего уровня.

Рис. 12. Профили распределения фосфора в кремнии после диффузии из анодной оксидной плёнки в изотермическом режиме при температуре 1273К в течение 5с (1; 1I и 1II) и 10с (2; 2I и 2II). 1I; 2I, рассчитанные по уравнению (14); 1II; 2II, рассчитанные по уравнению (15)  Профили распределения-210 Рис. 13. Профили распределения электрически активного фосфора в кремнии из анодной оксидной плёнки в изохронном режиме в течение 5с при температурах 1173К (1, 1I и 1II), 1273К (2, 2I и 2II) и 1373К (3, 3I и 3II). 1I, 2I 3I - рассчитаны по уравнению (14); 1II, 2II, 3II - рассчитаны по уравнению (15)

В случае же длительного термического отжига в результате процесса перераспределения P между ЛАОП и кремнием концентрация атомов фосфора на внутренней границе остаётся практически постоянной в течение достаточно длительного времени и распределение P в диффузионных слоях более удовлетворительно согласуется с математической моделью диффузии из равномерно легированной оксидной плёнки.

Технологические аспекты применения ЛАОП для создания элементов полупроводниковых приборов и интегральных схем представлены в пятой главе.

Приведены результаты использования фосфорсодержащих ЛАОП (ФАОП) для изготовления кремниевых МОП-транзисторов со встроенным каналом n-типа.

Формирование сильнолегированной ФАОП на кремниевых подложках марки КДБ-1 диаметром 35 мм проводили на установке с вакуумной присоской в этиленгликолевом электролите с массовой долей Н3РО4 (плотность 1,68 г/см), равной 11, 58 % при Тэл = 295 К, jг = 50 А/м, Uф =190 В, jк = 10 А/м.

После фотолитографии, в результате которой сильнолегированная ФАОП оставалась только над областями истока и стока размерами 200х400 мкм, выращивали маскирующую АОП в электролите с массовой долей НNO3 (плотность 1,41 г/cм) 0,19 % при тех же значениях jг, jк, но до Uф = 230 В. Затем вскрывали области над каналом шириной 15 мкм и формировали в них слаболегированную ФАОП в ЭГ + 0,19 % НNO3 + 0,0015 % Н3РО4.

В результате диффузии фосфора при температуре 1423 К в течение 2400 с в потоке азота были получены легированные слои областей стока, истока и канала с поверхностными сопротивлениями и глубинами залегания р-n-переходов, соответственно равными 8,7; 620 Ом/кв и 2,3; 0,9 мкм.

Подзатворный диэлектрик стравливали и выращивали новый толщиной 70 нм.

Перед вакуумным напылением пленки алюминия толщиной 1,2 мкм осуществляли термообработку при 773 К в течение 3600 с в потоке азота. Электрическая прочность подзатворного диэлектрика составляла (5…6) 106 В/см.

Результаты измерений параметров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Электрические параметры МОП-транзисторов (Uси – напряжение сток – исток; Uзи – напряжение затвор – исток; Ic – ток стока)

Параметр Значение параметра Режим измерения
Начальный ток стока, мА 0, 9….
3,4
Uси = 10 В Uзи = 0 В
Крутизна ВАХ, мА/В 0, 1….0,6 Uси = 10 В Uзи = 0 В
Ток утечки затвора, мкА 0,1 Uси = 0 В Uзи = 10 В
Напряжение отсечки, В 8….10 Iс = 10 мкА Uси = 10 В

Исследована возможность использования ФАОП для создания подлегированного n+-слоя на подложках кремния КЭФ – 4,5 диаметром 40 мм, утоненных травлением со светоприемной стороны мишени кремникона до толщины 10 мкм и защищенных с обратной стороны пленкой термического диоксида кремния толщиной 0,7 мкм.

Групповое анодирование партии из пяти подложек осуществлялось на установке с многопозиционным электродом при вращении подложек с числом оборотов 1 об/c в комбинированном режиме: сначала в гальваностатическом режиме при анодном токе силой 0,3 А (это соответствует плотности тока jг = 50 А/м ), затем после достижения напряжения формирования 240 В в потенциостатическом режиме – до уменьшения плотности тока jг в 5 раз. Общее время анодного окисления в 1,5 М растворе ортофосфорной кислоты в этиленгликоле с добавкой 1,5 М воды при температуре Тэл = 295 К составляло около 1 200 с.

В результате эллипсометрических измерений на ЛЭМ – 2 было установлено, что воспроизводимость по толщине оксидных пленок вдоль поверхности пластин и от подложки к подложке была не хуже 1,5 и 2,6 % соответственно относительно среднего значения, равного 120 нм ( по данным 20 измерений на каждой подложке).

Диффузия фосфора из анодных пленок в кремний проводилась в потоке азота при температуре 1323 К в течении 600с.

В результате были получены диффузионные слои глубиной Хjp = 0, 18 мкм ± 12 % с разбросом поверхностного сопротивления Rsp вдоль поверхности пластин и от подложки не более ± 6 % от среднего значения Rsp = 31 Ом/кв.

Разработанные технологические процессы диффузии фосфора и бора в кремний из ЛАОП, выращенных в электролитах на основе ЭГ, были опробованы при изготовлении n-p-n транзисторов.

Глубина залегания эмиттерного и коллекторного p-n-переходов составляла 2,0±0,2 и 3,0±0,2 мкм соответственно.

Для создания эмиттерных и базовых областей n-p-n транзисторных структур применялось 2 способа проведения процессов диффузии примеси:

  1. с использованием внешнего источника диффузанта:

а) диффузия фосфора проводилась сначала в потоке кислорода с парами трехлористого фосфора (температура диффузии Tд=1323 K, время t = 6мин), затем в течении 40 мин в потоке сухого кислорода без паров PCl3 (поверхностная концентрация фосфора NSP1021 см-3);

б) диффузия бора осуществлялась в 2 этапа: первый этап проводился в потоке азота из параллельно расположенной на расстоянии 1 см относительно подложек кварцевой пластины, насыщенной борным ангидридом (Tд=1163 K, t=60мин); второй этап диффузии бора в кремний КЭФ-1,0 производился при Tд=1423 K в потоке сухого кислорода (t=30мин), увлажненного кислорода (t=50мин), затем в течении 40 мин снова в потоке сухого кислорода (поверхностная концентрация бора NSВ3,1·1018 см-3);

  1. источником диффузанта служили фосфор- или борсодержащие ЛАОП толщиной около 120 нм:

а) диффузия фосфора велась из ЛАОП, сформированных в электролите без добавки HNO3 с массовой долей H3PO4 12,1% (Tд=1423 K, t=30мин, NSP1,5·1020 см-3);

б) термодиффузионное легирование бором проводилось из ЛАОП, полученных в электролите с массовой долей H3BO3 10% и HNO3 0,21% (Tд=1473 K, t=90мин, NSВ3,5·1018 см-3).

Базовые области n-p-n транзисторов создавались диффузией бора первым способом, а эмиттерные p-n-переходы формировали обоими способами диффузии фосфора.

Эмиттерные области фототранзисторов получали диффузией фосфора первым способом, а коллекторные p-n-переходы создавали двумя способами диффузии бора.

Установлено, что пробивное напряжение Uэб=5,6±0,4В эмиттерных p-n-переходов (n-p-n транзисторов), созданных диффузией фосфора первым способом ниже, чем у эмиттерных областей, сформированных диффузией P из ЛАОП (Uэб=9,4 ±0,6В).

Это, по-видимому, обусловлено соответствующим различием градиентов концентрации фосфора.

Фототранзисторы с базовыми областями, полученными диффузией бора из ЛАОП, имеют более высокие значения коэффициента усиления в схеме с общим эмиттером =440±160 по сравнению с изготовленными при помощи диффузии бора первым способом =170±100.

Таким образом, использование диффузии примесей в кремний из ЛАОП позволяет улучшить некоторые электрические характеристики n-p-n-транзисторов по сравнению с традиционными способами диффузии фосфора из жидкого, а бора из твердого внешнего источника.

Было опробовано также два способа изготовления кремниевых интегральных микросхем (ИС) с диодами и резисторами, имеющими различное значение поверхностного сопротивления диффузионных слоев:

1. По типовому технологическому процессу изготовления ИС с изоляцией элементов р-п-переходами.

После создания изолированных областей двухэтапной диффузией из борного ангидрида в пленке термического оксида толщиной 0,7 мкм вытравливались контрольные, диодные и резисторные области размерами, соответственно равными 1,0 х 1,0; 0,1 х 0,1; 0,05 х 0,5 мм2. В открытые области проводилась диффузия бора (1-й этап) в потоке азота из борного ангидрида, нанесенного на кварцевую пластину, расположенную параллельно поверхности подложек, при Тd =1163К в течении 3600 с. Удалялось боросиликатное стекло и проводился второй этап диффузии бора в потоке сухого кислорода при 1473К в течении 300 с. Затем вытравливалась оксидная пленка над резисторными областями и осуществляли третий этап диффузии в парах кипящей деионизированной воды при 1473 К в течении 1800 с.

Поверхностные сопротивления диодных Rsd и резисторных Rsr областей измерялись в соответствующих контрольных окнах при помощи 4-зондового пробника с расстоянием между зондами 200 мкм. Глубина р-п-переходов Хj определялась окрашиванием сферических шлифов на отрезанных от целого диска сегментах.

Напряжение пробоя диодов Uобр и сопротивление резисторов Rr измерялись после вжигания вакуумнонапыленных алюминиевых контактов при токах, равных 1 и 100 мкА.

2. По маршрутной технологи, приведенной на рис.14.

Формирование БАОП в контрольных, резисторных и диодных окнах на подложках кремния марки 40 КЭФ-1,0 /250 ЭКДБ-10-1б осуществлялось на установке с вакуумной присоской в боратном электролите с нитратной электропроводящей добавкой с массовой долей Н3ВО3 10% при температуре электролита Тэл = 293К и постоянной плотности тока jr =100 А/м2, а затем до десятикратного уменьшения jr. Диффузия бора из БАОП в кремний проводилась при Тd=1473 К в течении 5400 c в потоке азота 1,2 10-2 л/с.

а б

в

Рис.14. Основные этапы технологического процесса создания элементов ИС диффузией бора из БАОП с различной толщиной и уровнем легирования: а – формирование БАОП в резисторных и диодных окнах; б – формирование БАОП в активных резисторных областях и термическая обработка; в – вскрытие контактных окон и нанесение алюминиевой металлизации

Результаты измерения параметров диффузионных слоев и характеристик диодов и резисторов на 2-х опытных партиях по 6 дисков в каждой приведены в табл. 2 и на рис. 15. Поверхностные сопротивления Rsd и Rsr измерялись в десяти различных контрольных областях подложки, глубина залегания р-п-переходов Хj - в трех, пробивное напряжении Uобр диодов и сопротивление резисторов Rr - на 100 элементах. Как следует из табл. 2 и рис. 15, а, б разбросы значений параметров диффузионных слоёв и электрических характеристик диодов и резисторов с приблизительно равными Rs и Хj практически одинаковы, однако р-п-переходы, созданные диффузией бора из БАОП, имеют более «мягкие» характеристики пробоя (1, рис. 15, б), что, возможно, обусловлено особенностями распределения бора при данном способе легирования.

Таблица 2

Характеристики диодов и резисторов интегральных микросхем

Способ диффузии бора Rsd, Ом/кв Хj, мкм Rsr, Ом/кв Хj, мкм Uобр, В Rr, кОм
1-этапная диффузия из БАОП 260±6,7% 3,0 485±12,2% 2,16 55±11% 4,7±14%
3-этапная диффузия (из B2O3) 270± 7,1% 2,60 500±12,6% 2,0 57± 0% 4,9±13%

а б

Рис. 15. Гистограммы разброса значений сопротивления резисторов(а) и обратные ветви вольт-амперных характеристик диодов (б), сформированных диффузией бора из БАОП (1) и из борного ангидрида (2)

Таким образом, диффузией бора из БАОП можно создавать элементы кремниевых интегральных микросхем с удовлетворительными электрическими характеристиками.

Следует отметить, что подобный технологический процесс может быть использован также для создания МОП-транзисторов со встроенным диффузионным каналом дырочной проводимости.

Выявленные технологические возможности процессов термодиффузионного легирования кремния с использованием ЛАОП в качестве твердого диффузанта открывают перспективы упрощения технологии изготовления ряда современных полупроводниковых приборов, в том числе ИС на взаимодополняющих МОП – транзисторах (КМОПИС) и многодиодных матриц.

Для реализации могут быть рекомендованы следующие схемы изготовления этих структур, основные этапы которых показаны на рис. 16-18.

Последовательность операций при изготовлении КМОПИС (рис. 16):

а) вскрытие окон под МОП – транзистор с n–-каналом и формирование в них сильнолегированной ФАОП;

б) поочередное вскрытие окон над карманом для МОП – транзистора с р–- каналом и каналом n–- типа, выращивание в них слаболегированных ФАОП и получение р-n-переходов диффузией Р из ФАОП с различной концентрацией фосфора;

в) поочередное вскрытие окон над охранным кольцом, истоком, стоком р+ - типа и каналом р– - типа и формирование в них БАОП с различным уровнем легирования В;

Рис. 16. Основные этапы технологического процесса изготовления КМОПИС с использованием одновременной диффузии фосфора и бора из ЛАОП с различной концентрацией примесей

г) создание р-n-переходов диффузией бора из БАОП, удаление ЛАОП во всех областях, формирование нового подзатворного диэлектрика (ФАОП), вскрытие контактных окон и нанесение алюминиевой металлизации.

На рис. 17 содержание операций состоит в следующем:

а б в г


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.