Поверхностная концентрация

Удельное поверхностное сопротивление. Под удельным поверхностным сопротивлением понимают (ГОСТ 21515—76) поверхностное сопротивление плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата. В простейшем случае, когда электроды представляют собой две токопро-водящие параллельные полоски на образце ( 1-2), поверхностное сопротивление Rs пропорционально зазору ^ между электродами и обратно пропорционально их длине а:

иих и тех же методов и приборов; в дальнейшем сопротивление образца будем обозначать Rx. Величина Rx тесно связана с удельными характеристиками материалов: объемным сопротивлением р„, поверхностным сопротивлением ps, а иногда и внутренним сопротивлением рг.

Наряду с отмеченными недостатками метод тройной диффузии имеет существенное достоинство, заключающееся втом, что структура формируется в матричном монокристалле кремния с совершенной кристаллографической структурой, что позволяет реализовать большой процент годных БИС и СБИС высокой степени интеграции. Как оказалось, не очень жесткие требования к точности изготовления фотошаблонов, присущие этому методу, дают возможность использовать его для создания СБИС. Изготовление таких СБИС осуществляется следующим образом. Сначала в кремниевую пластину р-типа (ориентация 100) с удельным сопротивлением 3—5 Ом-см проводится диффузия мышьяка для создания коллекторных областей транзисторов. Удельное поверхностное сопротивление этих областей равно 95 Ом/D при глубине залегания р-п-перехода 0,3 мкм. Затем проводится диффузия бора для формирования базовых областей с поверхностным сопротивлением

ся в низкоомных резисторах на достаточно высоких частотах при ((о1д)2^0,1]?2, т. е. при d)LR/R ^0,3, Параметры пленочных резисторов зависят от свойств применяемых материалов, толщины пленки и условий ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением ps от десятков до десятков тысяч ом на квадрат. С уменьшением толщины пленок ps увеличивается, но одновременно повышается ТК/?, а также ухудшается временная и температурная стабильность пленок.

Объемное удельное сопротивление однородного образца связано с поверхностным сопротивлением соотношением р — РПОУ, а удельная проводимость сг=ап/йУ. Значение удельной проводимости, вычисленное по этой формуле для слоя с неоднородным распределением концентрации носителей заряда, соответствует удельной проводимости слоя, усредненной по его толщине. Согласно (1.8), напряженность электрического поля ^ = /рп/(2я). Тогда

Один из способов снижения систематической погрешности состоит в создании на поверхности эпитаксиальной структуры таких условий, при которых изгиб зон незначителен. В ряде случаев этого можно достичь с помощью специальной химической обработки поверхности. Например, для кремния л-типа измерение рекомендуется проводить непосредственно после освежения поверхности в плавиковой кислоте, включая операции промывки в деиони-зованной воде и сушки. Такая химическая обработка поверхности кремния n-типа с р<16 Ом-см устраняет приповерхностный изгиб зон. Однако ,и этот способ в полной мере не устраняет трудностей, при контроле параметров тонких эпитаксиальных слоев. Случайная погрешность измерений составляет ±10% npi- доверительной вероятности 0,95 для слоев с поверхностным сопротивлением меньше 10 кОм, и она резко возрастает при увеличении поверхностного сопротивления.

Если диффузионный слой создан на подложке с целью образования p-n-перехода, то такой слой характеризуют четырьмя параметрами: поверхностным сопротивлением р„, поверхностной концентрацией примеси Nn, глубиной образования р-я-перехода w и концентрацией примеси Na в исходном материале, которая определяет степень компенсации диффундирующей примеси. В зависимости от источника диффундирующей примеси ее распределение по толщине диффузионного слоя, т. е. профиль легирования, определяется дополнительной функцией ошибок

Однако этим схемам присущ ряд недостатков, которые существенно ограничивают возможности их практического применения. Так, технология производства полупроводниковых ИМС практически исключает возможность получения широкой шкалы номинальных значений сопротивления диффузионных резисторов и емкостей конденсаторов. Реальные номинальные значения сопротивлений стабильных диффузионных резисторов лежат в пределах от 200—300 Ом до 15—20 кОм. Использование диффузионных слоев с высоким удельным поверхностным сопротивлением для расширения диапазона реализуемых на их основе резисторов не может быть неограниченным, так как при этом существенным становится влияние собственной электропроводности кремния, обусловливающей недопустимо большое возрастание температурного коэффициента сопротивления. Поэтому при проектировании полупроводниковых ИМС, содержащих резистивные элементы, следует выбирать некоторое оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления диффузионного слоя, которое позволяло бы получать достаточно малые размеры резистора при установленном значении температурного коэффициента сопротивления. Как следует из опыта проектирования и практического использования полупроводниковых ИМС, оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления диффузионных слоев составляет около 200 Ом/П и может быть получено непосредственно в процессе формирования базовой области интегрального транзистора.

Сз уменьшаются, но такой способ уменьшения емкостей ограничивается напряжениями пробоя соответствующих р-м-пере-ходов. Влиянием рассматриваемых емкостей объясняется спад частотной характеристики резистора. Для каждого резистора имеется своя частота, выше которой наблюдается спад, но в большинстве практических случаев она составляет около 10 МГц ( 2.27). При расчете номинальных значений сопротивлений диффузионных резисторов удобно пользоваться удельным поверхностным сопротивлением (сопротивлением слоя) ps=pv/d, -где pv — среднее значение удельного объемного сопротивления материала резистивной области, учитывающее неравномерный характер распределения диффундирующих примесных атомов; d — толщина проводящего слоя резистора. Величина ps представляет собой сопротивление слоя с квадратной поверхностью, равной произвольной единице площади для случая протекания тока параллельно этой поверхности. Поэтому номинальное значение сопротивления резистора

Применение в качестве нагрузочных резисторов нормально открытых МДП-транзисторов позволяет отказаться от высоко-омных диффузионных резисторов, занимающих на исходной подложке большие площади. Нормальная работа инвертора может быть обеспечена в случае, если сопротивление нагрузочного резистора примерно в 10—20 раз превышает сопротивление открытого ключевого транзистора (R^ Ю/?к). Так как типичное значение сопротивления открытого ключевого транзистора RK= = 3 кОм, то сопротивление нагрузочного транзистора /?„^ЗО.кОм. При использовании в качестве нагрузочного резистора диффузионного резистора с поверхностным сопротивлением Rs = = 200 Ом/П и шириной полоски b =10 мкм занимаемая площадь составила бы около 1500 мкм2, тогда как площадь под МДП-транзистор не превышает 700 мкм2.

Наибольшим поверхностным сопротивлением обладает так называемый пинч-резистор (сжатый резистор), который также изготавливается при базовой диффузии в виде резистивного слоя. Однако поперечное сечение этого слоя уменьшают при помощи р-п-перехода, образуемого путем эмиттерной диффузии по поверхности резистивного слоя. Этот p-n-переход, сжимающий сечение резистора, увеличивает поверхностное сопротивление со 100 — 200 Ом на квадрат для обычного диффузионного резистора до 10 кОм на квадрат. Это позволяет изготавливать резисторы большого номинала на относительно малой площади. Особенностью пинч-резистора является то, что он имеет линейную характеристику только при малых падениях напряжения. Он обладает также невысоким пробивным напряжением (5 —10 В).

где УУ8 — поверхностная концентрация предварительно на-х несенной примеси.

Поверхностная концентрация примеси после второй стадии

Поверхностная концентрация примесных атомов для такого диффузионного распределения является функцией времени и выражается как

где DI — коэффициент диффузии атомов примеси на стадии загонки; NS[ — поверхностная концентрация атомов, диффундирующих на этой стадии.

а затем исследовав эту функцию при малых значениях длительности разгонки t. В пределе при t-*-Q поверхностная концентрация примесных атомов, определенная из соотношения (2.12), неограниченно возрастает, тогда как в действительности она должна в точности равняться поверхностной концентрации NS{, характерной для стадии загонки.

Из этого выражения следует, что поверхностная концентрация диффундирующих атомов на стадии разгонки

Исследование поведения функции N(0, t) при t-^О позволяет показать, что поверхностная концентрация в начале стадии разгонки равна поверхностной концентрации на стадии загонки:

выбирают с учетом нескольких противоречивых требований. В частности, для увеличения коэффициента инжекции эмиттера и повышения пробивного напряжения перехода эмиттер — база уровень легирования базовой области необходимо понижать. Однако это привело бы к недопустимому возрастанию паразитного омического сопротивления между базовым контактом и активной областью базы. Кроме того, если поверхностная концентрация базового слоя становится менее 5-106см~3, то на поверхности этого слоя возможно образование инверсной п-обла-сти, наводимой нескомпенсированным положительным неподвижным зарядом, локализованным в покрывающем поверхность слое оксида. В результате между коллекторной и эмиттерной областями может возникнуть проводящий слой. Увеличение уровня легирования эмиттера требуется для получения более высокого коэффициента инжекции. Но при очень высоких уровнях легирования, близких к пределу растворимости соответствующей примеси в кремнии (до 1021 см~3), возникают искажения структуры кристаллической решетки, что в свою очередь вызывает уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда в эмиттере и, следовательно, уменьшение коэффициента инжекции.

Пунктирная прямая 2 на 2.16 соответствует распределению примесных атомов в эпитаксиальном слое, которое обычно является однородным. Выбор значения удельного объемного сопротивления эпитаксиального слоя рэп обусловлен необходимостью обеспечения достаточно высокого напряжения пробоя перехода база — коллектор. Кривая 3 соответствует распределению примесных атомов акцепторного типа в базе. Уравнение этой кривой приблизительно может быть представлено гауссовой функцией, а типичные значения удельного поверхностного сопротивления составляют 120—200 Ом/П. Распределение атомов эмиттернои примеси донорного типа представлено кривой 4. При формировании эмиттернои области транзисторной структуры в качестве легирующего элемента обычно используют фосфор. Уравнение кривой 4 с высокой степенью точности может быть представлено двумя функциями дополнительного интеграла ошибок способом, описанным в настоящей главе. Поверхностная концентрация атомов эмиттернои примеси примерно соответствует пределу их растворимости при температуре диффузии, т.е. составляет величину порядка Ю21 см""3. Ширину базовой области транзистора, заключенной между коллекторным и эмит-терным переходами, обычно выбирают в пределах 0,6—0,8 мкм с допустимыми отклонениями, составляющими ±0,1 мкм.

где N.S6 — поверхностная концентрация атомов базовой примеси после второй стадии диффузионного процесса; Dr,, /6 — соответственно коэффициент диффузии и длительность второй стадии диффузионного процесса.

диффузионных слоев кремния р-типа при гауссовом распределении концентрации N:,(x) в базе транзистора. На рисунке приняты обозначения: /V.s— поверхностная концентрация; Nn — концентрация в исходной кремниевой подложке или в эпи-таксиальном n-слое; x/d — отношение текущей координаты,