Технологический процесс изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет легирования эпитаксиальной пленки
1. Параметры процесса эпитакси

Исходные данные:

Кремниевая эпитаксиальная структура (КНК) – p⁺ - n – типа;

Номинальное удельное сопротивление  эпитаксиального слоя 0,5 Ом∙см;

Удельное сопротивление  подложки 0,008 Ом∙см;

Толщина эпитаксиального  слоя 8 мкм;

Диаметр подложки 80 мм (8 см);

Ориентация подложки (100).

Рассчитаем для начало время эпитаксиального процесса. Нам уже известные скорость эпитаксии и толщина слоя. Расчет ведется по формуле:

 

Рассчитаем скорость подачи SiCl₄ в реактор, для этого рассмотрим уравнение реакции (6), из которого следует, что из одного моля тетрахлорсилана в результате реакции образуется один моль кристаллического кремния. Следует не забывать, что расчет условный, так как не весь подаваемый в реактор SiCl₄ осаждается на пластине.

Найдем скорость осаждения, воспользовавшись следующей формулой:

                                                                                                                 (12)

где V – скорость роста эпитаксиальной пленки, см/мин;

      W_Si – скорость осаждения кремния, г/(см²∙мин);

      d – плотность кремния, d = 2,33 г/см³.

 

                                                                                                            (13)

где W_Si^’ – скорость осаждения кремния, моль/(см²∙мин);

      M_Si – молярная масса кремния, M_Si = 29,08 г/моль.

 

Теперь найдем скорость осаждения  тетрахлорсилана на подложку, для этого умножим скорость осаждения кремния на молярный объем газа при н. у., равный V_m = 22,4 л/моль

 

Зная радиус пластины (r = 4 см), найдем площадь одной пластины и соответственно скорость подачи тетрахлорсилана на такую пластину.

 

 

Для расчета подачи хлорида фосфора, воспользуемся уравнениями реакций (6) и (11). Из них видно, что в результате протекания реакции (6) образуется одна молекула кремния из одной молекулы тетрахлорсилана, а в результате реакции (11) образуется одна молекулы фосфора из одной молекулы  треххлористого фосфора.

Концентрацию фосфора  в эпитаксиальном слое найдем по кривым Ирвина (рисунок 9). Концентрация N_P равна 1,2∙10¹⁶ см^-3, а собственная концентрация кремния равна N_Si = 5,02∙10²² см^-3, следовательно, на одну реакцию (11) приходится 4,18∙10⁶ реакций (6). Так как нам известна скорость подачи тетрахлорсилан, то можно определить скорость подачи хлорида фосфора, она составит 1,726∙10^-10 л/мин.

Скорость подачи водорода в реактор 0,224 л/мин.

Параметры процесса занесем  в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры процесса эпитаксиального наращивания

Параметр	Значение
Скорость эпитаксии, мкм/мин	0,8
Время эпитаксии, мин	10
Температура процесса, 0С	1200
Скорость потока SiCl4, л/мин	7,214∙10-3
Скорость потока PCI3, л/мин	1,726∙10-10
Скорость потока H2, л/мин	0,224

 

Рисунок 9 – Зависимость  удельного сопротивления от концентрации примесей

2. Расчет легирования переходного слоя пленка – подложка за счет диффузии

Для расчета легирующего профиля  воспользуемся тем, что и подложка и эпитаксиальный слой является полубесконечными. То есть речь идет о диффузии из концентрационного порога. В этом случае распределение примеси рассчитывается по формуле:

                                                                             (12)

где N(x,t) – концентрация примеси, см^-3;

N₀ – начальная концентрация примеси, см^-3;

x – координата;

D – коэффициент диффузии примеси, см²/с;

t – время эпитаксии, с.

Для начала, перед расчетом распределения  примеси, определим их концентрацию в подложке и эпитаксиальном слое по кривым Ирвина (рисунок 10):

N_{подложка} = 10¹⁹ см^-3,

N_{эпитакс. слой} = 1,2∙10¹⁶ см^-3.

Такая простейшая модель представляет собой распределение примеси  в автоэпитаксиальной структуре. Процессы диффузии в этом случаи рассматриваются как независящие друг от друга, а реальное распределение примесей на границе раздела представляет собой сумму отдельных распределений, которое находится по следующей формуле:

  (13)

Определим коэффициент диффузии для примеси в подложке и эпитаксиальном слое, для этого воспользуемся  следующей формулой:

                                                                                                        (14)

где D – коэффициент диффузии примеси, см²/с;

D₀ – постоянная диффузии, см²/с;

ΔE – энергия активации, эВ;

k – постоянная Больцмана, 8,6∙10^-5 эВ/К;

T – температура эпитаксии, К.

В таблице 2 приведены некоторые  сведения о постоянной диффузии примесей и энергии активации.

Примесь	D0, см2/с	ΔE, эВ/К
Бор	3,2	3,5
Фосфор	10,5	3,69

 

Для бора коэффициент диффузии вычисленный по формуле (14) равен D_B = 3,206∙10^-12 см²/с, а для фосфора D_P = 2,348∙10^-12 см²/с. Величина √Dt в формуле 12 имеет размерность длины и называется диффузионной длиной, физический смысл которой является среднее расстояние, преодолеваемое диффундирующей частицей в направлении выравнивания градиента концентрации за время t. Для нашего случая они равны √D_Bt = 4,386∙10^-5 см и √D_Pt = 3,753∙10^-5 см.

Теперь воспользовавшись формулой (12) произведем расчет легирование  примеси для подложки и эпитаксиального  слоя, и результаты занесем в таблицу 3.

Таблица 3 – Расчет распределения  бора в подложке и фосфора в  эпитаксиальном слое

Бор		Фосфор
N(x,t), см-3	x, мкм	N(x,t), см-3	x, мкм
1∙1019	-3	1,2∙1016	2
1∙1019	-2,7	1,199∙1016	1,75
9,999∙1018	-2,4	1,197∙1016	1,5
9,996∙1018	-2,1	1,189∙1016	1,25
9,981∙1018	-1,8	1,164∙1016	1
9,922∙1018	-1,5	1,105∙1016	0,75
9,735∙1018	-1,2	9,923∙1015	0,5
9,266∙1018	-0,9	8,174∙1015	0,25
8,333∙1018	-0,6	6∙1015	0
6,857∙1018	-0,3	3,826∙1015	-0,25
5∙1018	0	2,077∙1015	-0,5
3,143∙1018	0,3	9,459∙1014	-0,75
1,667∙1018	0,6	3,574∙1014	-1
7,339∙1017	0,9	1,111∙1014	-1,25
2,652∙1017	1,2	2,827∙1013	-1,5
7,797∙1016	1,5	5,862∙1012	-1,75
1,854∙1016	1,8	9,87∙1011	-2
3,551∙1015	2,1	-	-
5,458∙1014	2,4	-	-
6,716∙1013	2,7	-	-
6,604∙1012	3	-	-

 

Построим графики распределения  для бора и фосфора (рисунки 10 – 11).

Рисунок 10 – Распределение  бора в подложке

Рисунок 11 – Распределение  фосфора в эпитаксиальном слое

 

Рассчитаем по формуле (13) суммарное распределение примесей на границе раздела, результаты занесем  в таблицу 4 и построим график этого  распределения (рисунок 12).

Таблица 4 – Суммарное  распределение примесей на границе  раздела

Nсумма(x,t), см-3	x, мкм
1∙1019	-3
1∙1019	-2,75
1∙1019	-2,5
9,999∙1018	-2,25
9,994∙1018	-2
9,976∙1018	-1,75
9,922∙1018	-1,5
9,781∙1018	-1.25
9,466∙1018	-1
8,868∙1018	-0,75
7,901∙1018	-0,5
6,569∙1018	-0,25
5,006∙1018	0
3,443∙1018	0,25
2,111∙1018	0,5
1,144∙1018	0,75
5,462∙1017	1
2,313∙1017	1,25
8,994∙1016	1,5
3,591∙1016	1,75
1,831∙1016	2
1,343∙1016	2,25
1,228∙1016	2,5
1,205∙1016	2,75
1,201∙1016	3

 

 

1 – распределение бора  в подложке; 2 – распределение  фосфора в эпитаксиальном слое; 3 – суммарное распределение примесей  на границе раздела

Рисунок 12 – Суммарное  распределение примесей на границе  раздела подложка – эпитаксиальный слой

Глубина залегания p⁺ - n перехода составляет x = 1,88 мкм.

 

3.  Марка полученной структуры

Исходя из свойств эпитаксиальной пленки, ее типа проводимости, удельных сопротивлений, видов примесей которыми легируется подложка и эпитаксиальный слой мы получим следующее:

 

где  80 – диаметр подложки, мм;

8 – толщина эпитаксиального  слоя, мкм;

КДБ – кремний дырочного типа проводимости легированный бором;

0,5 – удельное сопротивление  эпитаксиального слоя, Ом∙см;

800 – толщина пластины, мкм;

КЭФ – кремний электронного типа проводимости легированный фосфором;

0,008 – удельного сопротивление подложки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения данной курсовой работы был разработан и описан технологический  процесс изготовления кремниевой эпитаксиальной структуры (КНК). На первом этапе были произведены подготовительные работы, связанные с механической обработкой подложки (резка, шлифовка, полировка  и очистка).

Второй этап включает в себя непосредственное выращивание эпитаксиального слоя на уже готовой для этого подложке. Был выбран наиболее распространенный метод получения эпитаксиальной пленки кремния – хлоридной метод. Метод получил популярность за простоту и доступность исходных материалов. Выбран тип реактора с горизонтальным потоком ПГС для выращивания  и оптимальный режим процесса (таблица 1). Легирующая примесь для  подложки – бор, выбрана исходя из того, что примесь «медленная»  и это позволит понизить эффект самолегирования. Для эпитаксиального слоя выбрана примесь – фосфор, он имеет высокую скорость диффузии в кремнии. Описан метод очистки водорода.

В практической части бы выполнен расчет распределений примеси в подложке и эпитаксиальном слое, а также суммарного распределения на границе раздела слой – подложка. Простроены профили легирования и графики их распределения (рисунки 10 – 12). Глубина залегания p⁺ - n перехода равна x = 1,88 мкм. Все данные расчетов распределения примесей занесены в таблицы 3 и 4.