Поверхностной концентрации

Применяют в основном два способа газовой диффузии: проводник перед нагреванием запаивают в ампуле с газом вместе с некоторым количеством примеси или диффундирующий пар пропускают вдоль образца в потоке инертного газа. Молекулы пара будут адсорбированы всеми поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, а при достаточно большой температуре будут диффундировать вглубь. Равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией осуществляют, контролируя давление пара.

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

с диффузионным профилем Nd(y) и поверхностной концентрацией примеси М„. Отношение Y/Y' близко к единице во всем диффузионном слое, за исключением узкой области в непосредственной близости к р-л-переходу, где Nd(y) и Na соизмеримы. Поэтому в (1.20) можно положить Y/Y'—1-

МОП-транзисторы. Это обусловлено стремлением получить максимальное быстродействие БИС. Обычно число п-ка-нальных ключей в составе БИС, определяющих предельную скорость обработки информации, значительно больше числа /7-канальных. При формировании тг-канальных транзисторов в карманах р-типа с достаточно высокой поверхностной концентрацией примеси падает подвижность электронов и соответственно снижается быстродействие n-канальных ключей.

Реакция анодного растворения протекает с участием дырок и электронов, поскольку захват электронов может происходить как из зоны проводимости, так и из валентной зоны полупроводника. Кинетика анодного растворения определяется поверхностной концентрацией дырок, т. е. диффузией их из объема к поверхности. Все внешние воздействия, способствующие увеличению концентрации дырок на поверхности, - нагрев, освещение, инжекция дырок через р-п-переход — ускоряют процесс анодного растворения.

Зависимость электрофизических свойств легированных слоев от условий ионного легирования и последующего отжига сложна и во многом определяется индивидуальными свойствами вводимой примеси. Электрофизические свойства легированных слоев характеризуются поверхностной или слоевой проводимостью у, либо обратной ей величиной — удельным поверхностным или слоевым сопротивлением ps; поверхностной концентрацией носителей заряда ns; эффективной холловской подвижностью носителей заряда цэф; распределением подвижности и концентрации носителей заряда по глубине в пределах легированного слоя; эффективностью легирования или коэффициентом использования / определяемой как отношение поверхностной концентрации носителей к поверхностной концентрации внедренной примеси ns/Ns.

Физические процессы, происходящие на поверхности раздела кремний — оксид и в объеме оксида, а следовательно, и скорость окисления зависят от содержания примесей в исходном кремнии. По мере окисления на поверхности устанавливается динамическое равновесие, характеризующееся поверхностной концентрацией примеси в кремнии N&, суммарной концентрацией примеси в оксиде и коэффициентом преобразования примеси т = N$i/Nsio2.

Между поверхностной концентрацией N0 и средней проводимостью слоя 0 существует жесткая связь. Для ее определения необходимо знать закон распределения примеси и исходную концентрацию Л^исх. На 1.15 приведены графики, называемые кривыми Ирвина, -которые позволяют определять концентрацию примеси на поверхности в зависимости от средней проводимости слоя:

Наблюдаемый характер примесного профиля подтверждает предположение относительно различных коэффициентов диффузиии атомов, находящихся в ионизированном и нейтральном состояниях. Поэтому в соответствии с изложенным, результирующий примесный профиль целесообразно разбить на две области ( 1.6), каждая из которых характеризуется своим коэффициентом диффузии и своей поверхностной концентрацией. В области, условно ограниченной значением концентрации, при котором в ионизированном состоянии находится по-

Между поверхностной концентрацией N0 и средней проводимостью слоя 0 существует жесткая связь. Для ее определения необходимо знать закон распределения примеси и исходную концентрацию Л^исх. На 1.15 приведены графики, называемые кривыми Ирвина, -которые позволяют определять концентрацию примеси на поверхности в зависимости от средней проводимости слоя:

3.7а). Из формулы следует, что распределение примеси определяется ее поверхностной концентрацией >NS, коэффициентом диффузии D и временем диффузии t. Если процесс диффузии прервать,

лиз, оно быстро снижается до пренебрежимо малого значения с ростом поверхностной концентрации дырок;

чение «о находят с помощью зависимостей, вычисленных теоретически или построенных по калибровочным образцам с известным значением п0. Наиболее важен этот метод в связи с возможностью измерения поверхностной концентрации носителей заряда для эпи-таксиальных и диффузионных слоев.

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.

Более точную математическую модель, описывающую стадию разгонки при малой длительности процесса, можно построить исходя из предположения, что диффузия осуществляется из ограниченного источника конечной толщины /г с однородной концентрацией примесных атомов, равной поверхностной концентрации

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

Значение этой величины в точности равно поверхностной концентрации в начале диффузионного процесса и не устремляется в бесконечность, как следовало из решения (2.6) в случае пла-нарного источника.

Из рисунка видно, что максимальное значение концентрации Л/max наблюдается не на поверхности полупроводниковой подложки, как при диффузионных процессах, а на некотором удалении от поверхности, зависящем от энергии ионов. Увеличению энергии ионов соответствует смещение максимальной концентрации в глубь полупроводника и уменьшение поверхностной концентрации. При увеличении энергии ионов, изменяющих тип электропроводности полупроводника, их концентрация вблизи поверхности может оказаться настолько малой, что перекомпенсация концентрации исходной примеси окажется невозможной. В таких случаях инверсный слой возникает в глубине полупроводника, т. е. образуются два р-п-перехода.

Допустим, требуется определить число промывок i, необходимое для уменьшения поверхностной концентрации примеси от 1020 до 5-Ю15 см~2 на поверхности пластины 100 см2 при промывке в объеме воды 500 см3. Из эксперимента известно, что в большинстве случаев Кр — 2. Тогда сог-

5.14. Зависимость коэффициента диффузии бора в кремнии от концентрации при Т =1520 К и поверхностной концентрации примеси NO = 2-10" м-3

Для определения поверхностной концентрации легирующей примеси необходимо знать характер распределения примесей в диффузионной области, который зависит от условий проведения процесса.

Для определения поверхностной концентрации примеси используют найденные экспериментальным путем глубину залегания диффузионного p-n-перехода и значение поверхностного сопротивления, по которым строят графические зависимости поверхностной концентрации N0 =/[l/(psx?)] для различных законов диффузионного распределения при разных концентрациях примеси в исходных кристаллах.