Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР'ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР'ии
ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР'
ИЗДАТЕЛЬСТВО МИР'
и
и
гттгтп: I _1..П7ГТГ1 'Ll I I Ti I. I I J T"l' 1П~ТТТГ1~ТТ“1 "I
яя^яели ж-евеш-жа т-эа -^-в^^ш
^Ч^ати^ЬП-^ХЖ^!
W^^ш^№Ж^
e;6Bj$
Т. Сугано, Т. И кома, Е. Такэиси■
Введениев
МИ КРОЭЛ ЕКТРОН И КУи
Перевод с японскогоканд. техн, наук В. В. Комарова, М. Е. Панюковапод редакцией
канд. техн, наук В. Г. Ржанова
Москва «Мир» 1988
ББК 32.85
С89 УДК 621.38
Сугано T., Икома T., Такэиси Б.
С89 Введение в микроэлектронику: Пер. с яп. — М.: Мир, 1988. — 320 с., ил.
ISBN 5-03-001109-9
Книга является переводом первого тома 11-томной серии по микроэлектронике, написанной крупными японскими специалистами. В эту серию входят книги, дающие исчерпывающий обзор современного состояния методов конструирования, технологии производства и применений интегральных схем. Излагаются методы проектирования и изготовления интегральных схем, а также их базовые структуры. Большое внимание уделено новой технологии изготовления схем, обеспечивающей получение практически бездефектных приборов.
Для специалистов в области микроэлектроники и вычислительной техники, инженеров, занимающихся использованием этой техники, а также студентов соответствующих специальностей.
ББК 32.85ББК 32.85„ 2403000000-113
ББК 32.85
ББК 32.85
С 041(01)-88 174”88»41
Редакция литературы по электронике
Учебное издание
Такуо Сугано, Тосиаки Икома, Ёсиюки Такэиси
ВВЕДЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКУ
Заведующий редакцией Ю. А. КузьминНаучный редактор Т. Г. ХохловаМладшие редакторы Т. В. Ежкова, И. А. ГревцоваХудожник В. С. СтуликовХудожественный редактор Н. М. ИвановТехнический редактор А. Л. ГулинаКорректор Т. М. Подгорная
ИБ № 6381
Издательство «Мир», 129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Риж-ский пер., 2.
Московская типография № 11 Союзполиграфпрома при Госу-дарственном комитете СССР по делам издательств, поли-графии и книжной торговли. 113105, Москва, Нагатинскаяул., д. 1.
Сдано в набор 15.06.87. Подписано к печати 1.02.88. Формат 60Х90*/1в.
Бумага типографская Ns 1. Печать высокая. Гарнитура литературная.
ISBN 5-03-001109-9 (русск.)ISBN 4-00-010181-1 (япон.)ISBN 5-03-001109-9 (русск.)ISBN 4-00-010181-1 (япон.)Объем 10,0 бум. л. Усл. печ. л. 20,0. Усл. кр.-отт. 20,0. Уч.-изд. л. 19,2. Изд. № 8/5362. Тираж 30 000 экз. Зак. 1133. Цена 1 р. 80 к.
ISBN 5-03-001109-9 (русск.)
ISBN 4-00-010181-1 (япон.)
ISBN 5-03-001109-9 (русск.)
ISBN 4-00-010181-1 (япон.)
© Такуо Сугано, Тосиаки Икома, Ёсиюки Такэиси. Iwanami Shoten Publishers, Tokyo, 1985
Предисловие редактора перевода
Успехи в развитии электроники, и в особенности микроэлектроники, лежат в основе современной научно-технической революции. Этим фактором обусловливаются стремительность развития техники и технологии интегральных схем, а также быстрый рост основного параметра, характеризующего технический уровень интегральных схем, — степени интеграции.
Принцип непрерывного повышения степени интеграции стал главным в развитии микроэлектроники. В настоящее время по этому признаку установилась следующая условная классификация интегральных схем (ИС). ИС малой степени интеграции содержит около 100 элементов, большая интегральная схема (БИС) — на два порядка элементов больше, а на кристалле сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) размещается приблизительно 106 элементов.
По мере роста степени интеграции и миниатюризации элементов ИС достигаются не только главные цели, связанные с уменьшением габаритов и массы электронных устройств, но и снижается себестоимость, растут надежность и быстродействие, расширяются функциональные возможности. Появление СБИС привело к переходу от интегральной схемы к интегральной системе, т. с. ныне логическая СБИС — это микро-ЭВМ, а СБИС ЗУ — основная память такой ЭВМ.
Большим достоинством БИС и СБИС является то, что их можно выпускать в очень большом количестве и ассортименте и на их основе можно создавать такие электронные устройства, о создании которых до их появления говорить нс приходилось. Это обстоятельство создало реальную предпосылку широкого использования совершенных электронных управляющих устройств в различных сферах жизни и деятельности человека: производстве, обработке информации, управлении, быту. Их применение обеспечит рост производительности труда на основе комплексной автоматизации производства, создания «безлюдных» производств и «интеллектуальных» машин и аппаратов.
В настоящее время в периодической литературе публикуется большое количество работ, посвященных различным физикотехнологическим и конструктивным аспектам создания интегральных схем различного назначения, которые обладают различными наборами характеристик и параметров. В основном эти работы посвящаются проблемам создания интегральных схем на кремнии, который находит пока наиболее широкое применение. В последнее время все более пристальное внимание
разработчиков привлекают полупроводниковые материалы группы A111 Bv, так как на этих материалах в силу их определенных физических свойств можно создавать приборы и интегральные схемы с такими характеристиками, получить которые при использовании кремния нельзя. Публикаций, дающих читателю целостное представление о физике полупроводниковых материалов, технологии изготовления и основах конструирования интегральных схем, явно недостаточно.
Книга «Введение в микроэлектронику» поможет восполнить этот пробел и даст читателю достаточно четкое представление о круге вопросов, имеющих первостепенное значение для микроэлектроники, начиная с рассмотрения электронной теории строения полупроводниковых кристаллов и кончая конструктивно-технологическими основами создания полупроводниковых приборов и больших интегральных схем на таких материалах, как кремний и материалы группы AinBv.
В большой широте охвата проблем, связанных с разработкой технологии и конструкций как отдельных приборов, так и БИС и СБИС на их основе, заключается основное достоинство этой книги. Главы книги написаны различными авторами — крупными специалистами в тех областях, которые они освещают, и тем нс менее книга не воспринимается как сборник статей, ей присущи простота и органичность изложения. Книга «Введение в микроэлектронику» соответствует своему названию. Она знакомит читателя с основными понятиями и задачами микроэлектроники. Значительный объем книги посвящен изложению электронной теории строения полупроводниковых материалов и теории транзистора Шокли, служащих теоретической основой всей микроэлектроники.
Успехи в совершенствовании основных характеристик БИС и СБИС в большой мере зависят от достижений в области технологии и в особенности от того, насколько быстро идет совершенствование таких главных составных частей технологии, как формирование изображения, травления рисунка, легирование и др.
В книге «Введение в микроэлектронику» в достаточно общем виде без излишнего загромождения формулами и цифрами дастся описание методов современной технологии изготовления БИС и СБИС, таких как электронно-лучевая литография и рентгенолитография, плазмохимическая обработка, ионная имплантация, выращивание проводящих и диэлектрических слоев; обсуждается также круг проблем, которые подлежат решению при разработке новых технологических процессов.
В настоящее время технология схем на материалах группы AIHBV уже достигла высокого совершенства и, по мнению специалистов, БИС на этих материалах в некоторых важных об-
ластях могут успешно конкурировать со схемами на кремнии в силу того, что применение таких материалов обеспечит существенное повышение быстродействия. Уже появились сообщения о создании БИС на GaAs, которые имеют внутреннюю задержку распространения сигнала 94 пс/вентиль и мощность рассеяния 580 мкВт/вентиль. По мнению некоторых специалистов, мы приближаемся к пределу физических возможностей кремния, в связи с чем материалам группы AmBv отводится все более важная роль, и количество публикаций по разработке БИС и СБИС на данных материалах непрерывно возрастает.
Нс обошли вниманием эту перспективную группу материалов и авторы книги «Введение в микроэлектронику», отведя освещению некоторых проблем технологии и проектирования элементов и ИС на их основе относительно большой объем.
Перевод авторского предисловия и первых трех глав выполнен В. Комаровым, главы 4—6 переведены М. Панюковым.
Книга может быть использована в качестве учебного пособия для студентов, аспирантов и инженеров радиоэлектронных специальностей. Она, несомненно, окажется полезной также специалистам, работающим в смежных областях и желающим пополнить свои знания в области технологии и конструирования БИС и СБИС и их применения в радиоэлектронной аппаратуре.
В. Ржаное
Микроэлектроника — это исключительно обширная область электронной техники, включающая как электронные приборы и устройства на микросхемах, так и разнообразные системы с их использованием. Элементной базой микроэлектроники являются большие интегральные схемы (БИС).
Скачок в развитии техники интегральных схем (ИС) обусловлен стремительным ростом степени интеграции — от устройств, содержащих всего несколько элементов на одном кристалле, до схем памяти емкостью 1 Мбит, а также значительным расширением их функциональных" возможностей, что проявилось в создании кристаллов микропроцессоров и даже целых микрокомпьютеров. Разработка современных методов проектирования заказных специализированных ИС ломает устоявшееся ранее представление о невозможности мелкосерийного производства БИС широкой номенклатуры.
Техника ИС опирается на технологию материалов, а также на исследования в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов. В последнее время к кремнию, используемому в качестве основного материала для изготовления ИС, добавились полупроводники группы АШВ\ Ожидается появление серийных приборов на переходах Джозефсона.
Эта книга представляет собой как бы вводную часть 11-томного курса лекций по микроэлектронике издательства «Иванами сётен». В ней изложены основы физики полупроводников и освещены их свойства, необходимые для понимания электрических характеристик приборов; рассмотрены принципы работы различных полупроводниковых приборов; описана технология получения исходных материалов для полупроводниковых приборов и ИС, а также базовые технологические процессы их изготовления; даны типовые структуры биполярных и МОП ИС; представлены ИС на полупроводниках группы An,Bv и элементах Джозефсона. Книга содержит много конкретных примеров и необходимых пояснений.
В первой, вводной главе показано развитие микроэлектроники, ее влияние на современное состояние техники электрон-
ных систем и социальную сферу нашей жизни без освещения истории миниатюризации электронных схем. Дан общий обзор проблем современной микроэлектроники: технологии изготовления и конструирования приборов, техники проектирования заказных ИС. Изложены наиболее важные направления дальнейшего развития микроэлектроники, в частности создание новых технологических процессов, полупроводниковых приборов и ИС.
Вторая глава написана с целью ознакомления с физическими основами полупроводников, необходимыми для понимания их электрических характеристик. Здесь приведена кристаллическая структура основных полупроводников, используемых при изготовлении ИС, изложены вопросы, связанные с энергетическими зонами, механизмами переноса электронов, генерацией и рекомбинацией носителей.
Третья глава посвящена различным типам полупроводниковых приборов, применяемых в ИС. В этой главе объясняется работа биполярных и МОП-транзисторов, начиная с анализа характеристик основных структурных элементов, таких, как контакт «металл — полупроводник», рп-переход и МОП-структура.
Темой четвертой главы является технология изготовления кремниевых ИС. В ней рассмотрены монокристаллы кремния как исходного материала для ИС, описаны базовые технологические процессы: окисление, легирование примесями, выращивание пленок, формирование рисунка фотошаблонов, перенос рисунка, травление, формирование межсоединений, затронуты вопросы моделирования технологических процессов.
Пятая глава содержит примеры конкретных структур биполярных и МОП ИС, современных способов электрической изоляции полупроводниковых элементов ИС, приведены структура и характеристики динамического ЗУ емкостью 1 Мбит.
И наконец, в шестой главе рассмотрены ИС на полупроводниках группы AHIBV, например ИС на полевых транзисторах с барьером Шоттки, и структуры транзисторов с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ) на основе полупроводников AUIBV, изложены основы построения приборов на переходах Джозефсона, работающих на совершенно других физических принципах, нежели полупроводниковые приборы, и описаны ИС на этих приборах.
Отдельные главы написаны следующими авторами: 1,6 — Т. Сугано, 2, 3 — Т. Икома, 4, 5 — Е. Такэиси.
Выражаем сердечную благодарность всему редакционному отделу «Иванами сётэн» за огромный труд по подготовке рукописи этого тома к изданию.
Июль 1985 г.Июль 1985 г.Т. Сугано
Июль 1985 г.
Июль 1985 г.
Т. Икома
Е. Такэиси
1
Интегральные схемы —основа микроэлектроники
Современная микроэлектроника получила необычайно быстрое развитие благодаря разработке и широкому применению сверхбольших интегральных схем (так называемых СБИС). Электронные схемы, выполненные на СБИС, обладают широкими функциональными возможностями, имеют крайне малые габариты, высокую надежность и низкую стоимость. В этой главе описана история развития техники полупроводниковых ИС, а также дан обзор современного состояния и перспектив развития микроэлектроники.
Развитие микроэлектроники
Начиная с 1940 г. усилия разработчиков электронной аппаратуры были постоянно направлены на миниатюризацию электронных схем, уменьшение габаритов и веса переносных электронных устройств. Уменьшение габаритов и веса электронных устройств не привело к существенному изменению их функциональных возможностей, однако значительно увеличило потребительский спрос особенно на транзисторную радиоаппаратуру. На примере транзисторных радиоприемников ясно прослеживается тот факт, что изобретение транзистора в сильной степени способствовало миниатюризации электронных устройств, ранее изготовляющихся на вакуумных электронных лампах. Это был первый шаг в направлении миниатюризации электронных устройств.
Замена ламп транзисторами не привела к миниатюризации телевизоров, поскольку их габариты определяются размерами электронно-лучевых трубок. За исключением телевизоров специального применения, транзисторные телевизоры не претерпе-
ли уменьшения габаритов подобно транзисторным радиоприемникам. Однако транзисторы позволили значительно уменьшить потребляемую мощность. Это привело к уменьшению тепловыделения внутри телевизионных приемников и, следовательно, к повышению их надежности.
Миниатюризация и повышение надежности транзисторных устройств явились большим шагом вперед на пути совершенствования изделий электронной техники. Но вот, в 1959 г. Дж. Килби и Р. Нойс независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле кремния строилась целая электронная схема. Сейчас такие схемы называют интегральными. ЙС способствовали появлению множества таких новых приборов, изготовить которые на базе отдельных навесных элементов и транзисторов, а тем более ламп, было попросту невозможно. Был сделан еще один шаг вперед на пути миниатюризации электронных схем. Появились электронные наручные часы. Калькуляторы стали уже не настольного, а карманного исполнения. Использование кварцевых резонаторов в электронных наручных часах позволило не только увеличить точность отсчета времени, но и реализовать новые функции, которых раньше не было в механических наручных часах. Электронные часы имеют цифровую индикацию и режим останова времени, могут работать в качестве будильника и осуществлять одновременную регистрацию времени для различных часовых поясов, выполнять функции простейшего калькулятора.
Таким образом, можно сказать, что создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловлены современной революцией в микроэлектронике. Так, появление электронных наручных часов произвело переворот в структуре часовой промышленности. Наручные часы из продукции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в недалеком прошлом полностью занимались производством механических наручных часов, изменили структуру производства в пользу электронных часов.
Аналогичным образом исчезли бытовые механические арифмометры, отошли на задний план такие простейшие вычислительные устройства, как счеты и логарифмические линейки. Кроме четырех арифметических действий: сложение, вычитание, умножение и деление, бытовые вычислительные устройства приобрели способность вычисления функций, программиро-
вания вычислений, памяти, что побудило называть их скорее не калькуляторами, а электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ мы перестали пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций. Таким образом, микроэлектроника в определенном смысле способствует и изменению нашего культурного уровня.
Сильное влияние оказали ИС на большие ЭВМ и промышленную электронную аппаратуру. На начальном этапе, когда технология сборки и изготовления приборов была еще несовершенной, интеграция не приводила к значительному улучшению характеристик приборов, изготовленных по этой технологии. Например, быстродействие электронных схем даже уменьшилось в результате интеграции. Однако по мере повышения быстродействия полупроводниковых приборов длительность задержки сигнала электронной схемой во многих случаях стала определяться не столько самими приборами, сколько монтажом схемы. Время задержки в монтажных проводах или межсоединениях складывается из времени распространения по ним со скоростью света электрического сигнала и времени на заряд и разряд паразитных емкостей проводов, достигающих порядочных значений. Вторая составляющая оказывает наибольшее воздействие на время задержки сигнала электронной схемой. Таким образом, для повышения быстродействия схем необходима их миниатюризация и интеграция. Этот факт в корне изменил отношение к ИС и способствовал совершенствованию технологии их изготовления.
Одним из важнейших структурных элементов ЭВМ является запоминающее устройство (ЗУ). Существуют ЗУ различного типа: от ЗУ с малым быстродействием и большой емкостью на магнитных элементах до быстродействующих ЗУ с малой емкостью на современных биполярных транзисторах. В зависимости от функциональных возможностей того или иного ЗУ выбирается так называемая многоуровневая организация памяти, выполняющая различные эксплуатационные задачи. Первые ЗУ, в которых в качестве элементов цифровой схемы использовались транзисторы, не могли конкурировать с ЗУ на магнитных сердечниках по цене и потребляемой мощности. Базовое полупроводниковое ЗУ появилось в 1969 г. в связи с разработкой технологии изготовления БИС. Дальнейшим развитием полупроводниковых ЗУ явились динамические ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) на полевых транзисторах со структурой «металл-окисел-полупроводник» (МОП-транзисторах). Количество и плотность элементов на кристалле полупроводниковых ЗУ увеличивалось по мере совершенствования технологии из-
готовления БИС. Причинами такого развития полупроводниковых ЗУ с технической точки зрения являются большое число битов информации на кристалл и малая площадь этих кристаллов, а с экономической — низкая стоимость ЗУ в пересчете на 1 бит информации.
Стоимость одного кристалла полупроводниковой ИС упрощенно можно представить выражением
_1/ + 6 I с!(1 1>
где Л — затраты на технологическое оборудование, оснастку, помещение и т. д.; В — затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР); С — текущие расходы на материалы, энергию, заработную плату в пересчете на одну полупроводниковую пластину ИС; V — количество пластин, изготовленных до окончания амортизации соответствующих основных производственных фондов; W — количество кристаллов на одной пластине; У — окончательный коэффициент выхода годных ИС.
Видно, что при увеличении W, т. е. уменьшении площади одного кристалла, увеличивается количество кристаллов, которые можно изготовить из одной полупроводниковой пластины при тех же затратах на их производство. Очевидно также, что для уменьшения площади кристаллов и одновременного увеличения емкости памяти на один кристалл необходимо уменьшать размеры элементов ИС. Короче говоря, основным направлением совершенствования изделий микроэлектроники является развитие технологии миниатюризации ИС.
Затраты А на технологическое оборудование, оснастку и т. д. в выражении (1.1) для определенных производственных мощностей, скажем для конкретного завода, не зависят от объема производства. Поэтому увеличение количества изготовляемых пластин V приводит к снижению стоимости одного кристалла. Поскольку раньше затраты на НИОКР при разработке приборов одного типа были велики, то мелкосерийное производство БИС развивалось слабо и в основном выпускались БИС массовых серий. Однако затем для поднятия спроса потребовалось расширение номенклатуры дешевых и надежных БИС, что в свою очередь потребовало уменьшения затрат на изготовление фотошаблонов. Это стало возможным благодаря введению современных методов проектирования с применением микропроцессорной техники. С целью расширения спроса на так называемые заказные БИС, т. е. специализированные приборы, изготавливаемые по отдельным заказам, появилась необходимость создания новых методов и систем автоматизированного проектирования, а также разработки соответствующих
программных средств. Возрастание роли заказных БИС в общем объеме производства изделий микроэлектроники является одной из характерных особенностей современного полупроводникового производства.
Следует отметить еще одну особенность развития полупроводниковой микроэлектроники. Снижение стоимости и миниатюризация микропроцессоров и ЗУ позволили использовать их в любом блоке вычислительной системы. Раньше, до появления полупроводниковых ЗУ, ЗУ на магнитных элементах из-за больших габаритов и высокой потребляемой мощности размещалось в отдельном блоке ЭВМ. Для считывания информации, накопленной в ЗУ, или записи информации в ЗУ необходима была постоянная связь между ЗУ и процессором. Характеристики такой системы зависели от скорости выборки в ЗУ, которая была невысокой. Для повышения быстродействия систем была разработана многоуровневая организация памяти. Ее создание стало возможным только благодаря появлению быстродействующих полупроводниковых ЗУ. Использование дешевых и миниатюрных полупроводниковых микропроцессоров и ЗУ, изготовленных по технологии БИС, позволило создать быстродействующие ЭВМ с параллельно-последовательной обработкой сигнала на основе магистральных и составных процессоров.
И в наши дни микроэлектроника не стоит на месте. Ее дальнейшее развитие связано с увеличением функциональных возможностей электронных устройств и упрощением пользования ими. Благодаря микроэлектронике станет возможным создание новой техники и технологического оборудования. К счастью, размеры кристаллов даже больших интегральных схем очень малы и в окружающем нас мире вполне хватит для них места. Хотя в силу физических ограничений выпуск полупроводниковых кристаллов уже не увеличивается обычными темпами, но все же можно предположить, что области применения БИС будут расширяться и в дальнейшем.
Состояние технологии изготовления БИС
Как отмечалось, технология микроэлектронного производства и проектирования заказных схем определяется технологией изготовления БИС. Рассмотрим состояние технологии БИС с этой точки зрения.
Совершенствование технологии микроэлектронного производства можно показать на примере изменения минимальной ширины линий рисунков топологий БИС. Так, для кристаллов ЗУ емкостью 16, 64 и 256 кбит минимальная ширина линий составляет соответственно 5, 2—3 и 1,5 мкм. Другими словами,
четырехкратное увеличение емкости памяти ЗУ на один кристалл соответствует двукратному уменьшению минимальной ширины линий рисунка. При одинаковых размерах рисунка емкость памяти пропорциональна площади кристалла. Поэтому четырехкратное увеличение емкости памяти ЗУ на один кристалл можно получить без изменения площади кристалла только за счет двукратного уменьшения размеров рисунка.
При переносе рисунка на кремниевую пластину с помощью фотошаблона, конечно, существует предел уменьшения размеров рисунка, определяемый уровнем развития технологии в каждый данный момент времени. В рамках этого ограничения сложность и размеры рисунка не оказывают влияния на стоимость кристалла, поэтому последняя пропорциональна площади кристалла. Допустим, что затраты на НИОКР, необходимые для двукратного уменьшения размеров рисунка, одинаковы для каждого последующего аналогичного уменьшения. Тогда при одинаковой площади кристаллов четырехкратное увеличение емкости памяти ЗУ приведет к его удешевлению в пересчете на 1 бит. В действительности же затраты на НИОКР, необходимые для каждого последующего двукратного уменьшения размеров рисунка, больше аналогичных затрат для предыдущего двукратного уменьшения размеров. Однако увеличение спроса на кристаллы ЗУ приводит к увеличению объема их производства. Поэтому снижается доля затрат на НИОКР в общей стоимости кристаллов. На этапе массового производства стоимость различных кристаллов ЗУ почти одинакова и не зависит от емкости памяти. Следовательно, стоимость 1 бит ЗУ по мере увеличения емкости памяти неуклонно уменьшается.
Возникает вопрос: до какого же уровня сохранится эта тенденция? Разработанный в 1984 г. кристалл ЗУ на 1 Мбит имеет площадь 46 мм2 при длине затворов МОП-транзисторов 1,6 мкм. При массовом их производстве минимальная ширина схемных линий уменьшится еще больше. Поэтому можно предположить, что тенденция уменьшения стоимости 1 бит ЗУ продолжится по крайней мере до ЗУ емкостью 1 Мбит.
С другой стороны, продолжаются работы по увеличению количества кристаллов, получаемых с одной полупроводниковой пластины, путем использования кремниевых пластин большого диаметра. Посмотрим, как увеличивался диаметр кремниевых пластин по мере развития микроэлектроники. В 60-е гг. на заре производства ИС диаметр кремниевых пластин составлял! дюйм (—25 мм). В настоящее время массовое производство ИС освоено на пластинах диаметром 5—6 дюйм (—125—150 мм). Появились монокристаллические слитки кремния диаметром от 8 до 10 дюйм ( — 200—250 мм). Увеличение диаметра кремние-
вых монокристаллов;, кроме того, оказывает положительное влияние на увеличение производительности микроэлектронного производства. В то же время это направление требует решения больших технических проблем, связанных с трудностями разделения пластин кремния увеличенной толщины на отдельные кристаллы, сохранением высокой однородности состава и плоскостности поверхности пластин большого диаметра, а также с необходимостью создания нового технологического оборудования (диффузионных печей, установок ионной имплантации и травления и др.) для Si-пластин увеличенного диаметра.
Главной проблемой технологии микроэлектронного производства является создание рисунка топологии. Уменьшение размеров рисунка, созданного оптическими методами, ограничено Змкм из-за влияния дифракции света. Поэтому в настоящее время применяется электронно-лучевая технология создания рисунка. Ускоряющее напряжение электронного луча обычно составляет 20 кВ и выше. Так как длина волны электрона менее 1 нм, то явление дифракции электронного луча не влияет на создание рисунка. Однако при непосредственном облучении пленки резиста электронным лучом электроны, прошедшие через пленку резиста, попадают в подложку, рассеиваются в ней и возвращаются обратно в пленку. Этот эффект, называемый обратным рассеянием электронов, снижает точность размеров рисунка. Так, например, для двух близко расположенных элементов рисунка эффекты обратного рассеяния каждого из этих элементов складываются, что приводит к так называемому «эффекту близости» — соседние элементы рисунка смыкаются в результате размытия их кромок. В настоящее время с помощью электронного луча получают элементы с размерами до 0,25 мкм.
Как уже отмечалось, технология оптической контактной фотолитографии для переноса рисунка с фотошаблона на кремниевую пластину позволяет получить размеры элементов до 3 мкм. Однако плотный прижим фотошаблона к кремниевой пластине увеличивает количество дефектов на фотошаблоне и уменьшает срок его службы. Кроме того, по мере уменьшения размеров элементов и увеличения диаметра кремниевых пластин возникает проблема оптической аберрации при фотолитографии. Чтобы избежать этих нежелательных явлений, в настоящее время широко применяют метод пошагового проекционного экспонирования. Для проекционного экспонирования выполняется соотношение:
= (1-2>
где R — разрешающая способность оптической системы; % — длина водны экспонирующего света; NA — апертура объектива.
Если для экспонирования используется A-линия спектра излучения ртутной лампы с Х=0,4 мкм, то для 7?=1 мкм /V Л =0,24. Поскольку размеры площадки однократного экспонирования составляют (15X15) мм2, рисунок фотошаблона невозможно перенести на поверхность кремниевой пластины за один цикл экспонирования. Для переноса всего рисунка используют метод экспонирования с пошаговым перемещением пластины.
После экспонирования слоя фоторезиста, покрывающего кремниевую пластину, рисунок с фоторезиста переносят на слои SiO2 и SisN4, сформированные на этой пластине. Для этого слой фоторезиста проявляют и проводят селективное травление слоев SiO2 и Si3N4 в соответствии с полученным рисунком. Методами влажного травления водными растворами проводят травление рисунков с размерами элементов до 3 мкм. Поскольку слои SiO2 и Si3M4 являются аморфными, то травление происходит равномерно во всех направлениях, распространяясь и под защитную пленку фоторезиста. Этот процесс называется под- травливанием. В результате подтравливания трудно получить высокую точность переноса рисунка. Величина подтравливания обычно соизмерима с толщиной слоев SiO2 и Si3N4 и составляет 0,1—0,5 мкм. При ширине линий рисунка 10 мкм относительная ошибка переноса рисунка в результате подтравливания невелика. Очевидно, что если ширина линий приближается к 1 мкм, то ошибка переноса достигает недопустимой величины.
Для выхода из этого положения вместо влажного травления используется метод ионного травления в разрядной плазме низкого давления. Средняя длина свободного пробега ионов гораздо больше размеров элементов рисунка. Кроме того, ионы ускоряются электрическим полем, приложенным перпендикулярно к поверхности пластины кремния. Широко используется реактивное травление с помощью ионов CF3+, которые вступают в химическую реакцию с SiO2 и Si3N4.
Таким образом, прогресс развития технологии микроэлектронного производства приводит к миниатюризации приборов, а следовательно, и к улучшению их технических характеристик.
Для биполярных транзисторов время пролета носителей в базе, определяемое ее шириной, и раньше было достаточно малым. Путем сужения ширины эмиттера была уменьшена емкость слоя объемного заряда эмиттерного перехода и тем самым сокращено время заряда и разряда эмиттерного перехода, а методом самосовмещения было уменьшено сопротивление базы. Это позволило улучшить характеристики биполярных транзисторов. В частности, разработан прибор, у которого величина произведения «временная задержка — мощность» приближается к 0,01 пДж.
МКММКМРис. 1.1. Зависимость временной задержки на один вентиль и произведения «временная задержка — мощность» от ширины эмиттера или длины канала.Рис. 1.1. Зависимость временной задержки на один вентиль и произведения «временная задержка — мощность» от ширины эмиттера или длины канала.
МКМ
МКМ
Рис. 1.1. Зависимость временной задержки на один вентиль и произведения «временная задержка — мощность» от ширины эмиттера или длины канала.
Рис. 1.1. Зависимость временной задержки на один вентиль и произведения «временная задержка — мощность» от ширины эмиттера или длины канала.
Для МОП-транзисторов при уменьшении длины канала увеличивается зависимость порогового напряжения от напряжения стока и возникает так называемый «эффект смыкания». Кроме того, при сужении области истока уменьшается коэффициент усиления в результате увеличения сопротивления этой области. Для длины канала 0,25 мкм временная задержка на один вентиль с коэффициентом разветвления по выходу 1 составляет 70 пс при произведении «временная задержка — мощность» 5 фДж, а при 40 фДж задержка уменьшается до 30 пс. Т. е. в МОП-транзисторах временная задержка менее 100 псек.
Интересно сравнить характеристики биполярных и МОП- транзисторов. На рис. 1.1 представлены зависимости временной задержки для некоторых типов вентильных схем от ширины эмиттера биполярного транзистора при толщине базы 0,2 мкм или от длины канала МОП-транзистора. В этом примере нагрузочная способность вентильных схем приведена к единице, поэтому необходимо обратить внимание на то, что для МОП-транзисторов временная задержка увеличивается примерно пропор-
ционально количеству нагру
зочных выходов. Как видно из рисунка, временная задержка логического вентиля с эмиттерной связью (ЭСЛ) крайне мала даже при ширине эмиттера свыше 0,3 мкм, а временная задержка для вентиля МОП-структуры с n-каналом, работающей в режиме обогащения и обеднения (n-МОП), при длине канала менее 0,3 мкм даже меньше временной задержки ЭСЛ-структу- ры с аналогичной шириной эмиттера. На рис. 1.1 приведена
также ось произведения «временная задержка — мощность», по которой видно, что такие n-МОП-структуры можно использовать в качестве быстродействующих логических вентилей. Следует отметить, что произведение «временная задержка — мощность» для комплементарных МОП-структур (КМОП) крайне мало, хотя их временная задержка несколько больше, чем у n-МОП-структур, работающих в режиме обогащения и обеднения. Поэтому в дальнейшем ожидается расширение областей использования КМОП-структур.
На рис. 1.2 схематично показана последовательность проектирования и изготовления ИС. Функции, выполняемые ИС, определяются техническими условиями на систему. Результатом проектирования являются рисунки фотошаблонов. При современной технологии изготовления ИС режимы технологических операций и этапы их изготовления не зависят от сложности
Рис. 1.2. Последовательность этапов проектированияРис. 1.2. Последовательность этапов проектированияи изготовления ИС.и изготовления ИС.
Рис. 1.2. Последовательность этапов проектирования
Рис. 1.2. Последовательность этапов проектирования
и изготовления ИС.
и изготовления ИС.
фотошаблонов и являются типовыми для большинства ИС. Поэтому процесс изготовления ИС можно разделить на этап проектирования фотошаблонов и последующий этап изготовления ИС.
Разумеется, что при проектировании фотошаблонов необходимо учитывать условия их изготовления. Условия проектирования должны удовлетворять соответствующим требованиям к геометрической форме и размерам рисунка. Поэтому существуют определенные правила проектирования фотошаблонов. Системы проектирования фотошаблонов зависят от разрабатываемых приборов. Используются различные системы проектирования: от полностью специализированных для изготовления совершенно новых ИС до типовых, например для создания вентильных матриц, у которых уже имеется типовая структура
размещения вентилей и требуется только спроектировать рисунок электрической разводки. В последнее время увеличивается потребность в типовых системах проектирования вентильных матриц с укороченным технологическим циклом от проектирования фотошаблонов до получения готовых кристаллов.
Важным параметром, определяющим стоимость кристаллов ИС, является коэффициент выхода годных ИС V в выражении (1.1). Очевидно, что для повышения коэффициента выхода следует улучшать технологию изготовления ИС, однако в значительной степени этот параметр определяется и субъективными факторами: ошибками работников, а также неизбежным внесением ими пыли в зону вакуумной гигиены полупроводникового производства. Имеется еще немало технологических операций, которые можно механизировать, например, загрузку полупроводниковых пластин, вывод на режим технологического оборудования, выбор фотошаблонов и др. Поэтому в последнее время в микроэлектронике широко развивается автоматизация технологических операций.
Микроэлектроника будущего
Итак, обзор направлений развития БИС приводит к основному выводу о том, что микроэлектронное производство и связанная с ним технология имеют серьезные нерешенные проблемы в области научных исследований и разработок.
Как отмечалось выше, при электронно-лучевом методе изготовления фотошаблонов точность рисунка ограничена обратным рассеянием электронов. Для уменьшения этого эффекта вместо электронов с малой массой хорошо использовать более тяжелые ионы. Раньше разработка установок с узким ионным лучом высокой плотности сдерживалась из-за больших габаритов и сложности ионных источников. Но вот поверхность металлической иглы стали покрывать жидким металлом, который в сильном электрическом поле ионизируется и улетучивается с острия иглы в виде узкого ионного луча диаметром 10 нм. С помощью такого луча можно получать микрорисунки. Создание ионно-лучевой литографии является важной задачей микроэлектроники.
Ранее указывалось, что для переноса рисунка с фотошаблона на пластину используется метод пошагового проекционного экспонирования. Однако этот метод менее производителен, чем метод одноэтапного экспонирования. Поэтому разрабатываются методы одноэтапного экспонирования с помощью рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение получают методом облучения металлической мишени электронным лучом и син-
хротронного излучения электронов с использованием электронных накопительных колец. Последний метод прекрасно подходит как источник рентгеновского излучения, используемый в рентгенолитографии, поскольку позволяет формировать рентгеновское излучение очень высокой плотности с требуемой длиной волны и параллельными лучами. Для рентгенолитографии важной технической задачей является разработка фотошаблонов, поскольку их рисунок изготавливается из пленок тяжелых металлов, а основой служит подложка, слабо поглощающая рентгеновское излучение.
Уменьшение размеров элементов приборов в плоскости полупроводникового кристалла должно сопровождаться уменьшением их размеров в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла. Для формирования мелких рп-переходов в последнее время стала применяться технология активации имплантированной примеси методом быстрого нагревания и охлаждения так называемая технология «импульсного отжига».
Толщина подзатворного изоляционного слоя МОП-транзисторов уже сейчас составляет 10 нм, но важной проблемой остается создание технологии получения таких тонких окисных пленок с хорошими электрофизическими характеристиками. Если толщина пленок 5Ю2 и Si3N4 на поверхности прибора достаточно мала, то в результате последующих операций травления, нанесения верхних слоев на поверхности этих пленок возникают повреждения глубиной до 5 нм, которые сильно влияют на свойства пленок и, следовательно, на характеристики прибора. При плазменных методах травления и нанесения слоев, широко используемых в настоящее время, поверхность приборов подвергается воздействию ионов и электронов с высокой энергией, и на ней неизбежно возникают дефекты и повреждения.
Думается, что сейчас возрастает значение процессов фотонного возбуждения при нанесении и травлении слоев. Дело в том, что электронные состояния компонентов, принимающих участие в химических реакциях, под действием фотонов возбуждаются и эти компоненты становятся химически активными.
Благодаря успехам микроэлектронной технологии длина канала полевых транзисторов и толщина базы биполярных транзисторов стали соизмеримы со средней длиной свободного пробега носителей, то есть носители перемещаются в пределах канала или базы почти без рассеяния. В связи с этим появилась возможность разработки нового класса приборов, которые можно назвать «приборами с баллистическим переносом». В частности, структуры типа «кремний-на-изоляторе» (КНИ- структуры), полученные нанесением тонкой монокристаллической пленки кремния на аморфный SiO2, можно использовать
не только в качестве обычных изоляционных подложек, но и для создания новых структур с трехмерной интеграцией.
Думается, что технология проектирования заказных ИС будет развиваться в направлении автоматизации на базе ЭВМ. Главную роль в расширении спроса на БИС будут играть системы автоматизированного проектирования (САПР) для различных уровней, от системного до логического, от логического до проектирования фотошаблонов, а также САПР для технологических операций, приборов и схем.
Как уже говорилось, на архитектуру ЭВМ оказало большое влияние создание многоуровневой организации памяти на БИС и быстродействующих систем с параллельно-последовательной обработкой информации. Можно ожидать, что области применения БИС и в дальнейшем будут расширяться, а микроэлектроника продолжит свое поступательное развитие.
В настоящее время наблюдается ускоренное развитие автоматизации управленческой деятельности, связанной с ведением служебного делопроизводства. Значительно возросла эффективность использования пишущих машинок с латинским шрифтом. С помощью словарных процессоров с латинским шрифтом можно легко отредактировать текст и исправить ошибки. Словарные процессоры с японским шрифтом гораздо удобнее, чем пишущие машинки с японским шрифтом, хотя и сильно уступают процессорам с латинским шрифтом. Это объясняется очевидными трудностями письменности японского языка. Но можно надеяться, что микроэлектроника поможет найти эффективное решение и этой проблемы. Например, уже сейчас достигли достаточного уровня системы автоматизированного распознавания рукописных текстов. Успехи в области распознавания речи позволят в недалеком будущем создать пишущие машинки со считыванием рукописного текста и речевым входом.
Применение микроэлектроники ускорит процесс автоматизации промышленного производства. Уже сейчас управление промышленными роботами является достаточно простым и осуществляется по заранее заданной программе. В дальнейшем, видимо, возникнет потребность в интеллектуальных роботах, способных самостоятельно принимать решения. Для их создания потребуются датчики, преобразующие различные неэлектрические воздействия в электрические сигналы. Кроме измерения сравнительно простых физических величин, таких как температура, давление, смещение, освещенность, влажность, скорость, ускорение, потребуются датчики для измерения более сложных параметров: мягкость, вязкость, клейкость и даже запах и вкус. Разумеется, обработка сигналов интегральными схемами будет проводиться только после
преобразования параметров объекта с помощью этих датчиков в электрические сигналы.
Биологические или медицинские датчики способны внести большой вклад в лечебную диагностику. Уже сейчас глухие могут распознавать речь путем передачи звуковых колебаний непосредственно на ушную мембрану. Аналогично будут разработаны устройства, позволяющие слепым непосредственно распознавать предметы, а немым произносить речевые звуки.
Микроэлектроника не ограничивается обработкой простых электрических сигналов. В ее задачи входит также генерация и обработка световых сигналов. Для генерации световых сигналов применяются полупроводниковые светодиоды и лазеры. Технология их изготовления имеет много общего с технологией изготовления БИС. С помощью таких светоизлучающих элементов и световодов значительно расширился объем передаваемой информации за счет передачи сигналов в очень широком частотном диапазоне. После преобразования оптических сигналов в электрические с помощью фоточувствительных полупроводниковых элементов обработку сигналов осуществляют те же БИС.
Светодиоды и полупроводниковые лазеры изготавливаются из полупроводников группы A,nBv. Если ИС, связанные с этими оптическими элементами, также изготовить из полупроводников этой группы, то можно получить полностью монолитную полупроводниковую структуру. В настоящее время главным направлением разработки ИС на полупроводниках группы AHIBV является создание приборов на полевых транзисторах с затвором Шоттки на основе арсенида галлия (GaAs). GaAs-транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ) дают реальную возможность создания схем пикосекундной логики, которые по своим параметрам отвечали бы широкополосным передаточным характеристикам световодов. Анализ реальных характеристик кремниевых МОП-транзисторов приводит к выводу о необходимости проведения исследований и разработок МОП-транзисторов на полупроводниках группы AniBv с целью получения более высоких технических характеристик. Важным направлением является разработка полевых транзисторов со структурой «металл — диэлектрик — полупроводник» (МДП) на фосфиде индия (InP).
С точки зрения технологии получения и обработки материала GaAs является более освоенным, чем InP, однако технические возможности МДП-транзисторов на GaAs ограничены высокой плотностью поверхностных состояний этого материала, в то время как InP имеет малую плотность поверхностных состояний и пригоден для изготовления МДП-транзисторов. С другой стороны, уровень Ферми у поверхности пластин InP
лежит вблизи дна зоны проводимости, и диоды Шоттки, изготовленные из этого материала, имеют большой ток утечки. Не отработана пока и технология изготовления полевых транзисторов с затвором Шоттки на InP. Тем не менее GaAs и InP, несомненно, будут использоваться для создания различных полупроводниковых приборов, в которых эти материалы имеют те или иные преимущества.
Отметим, что мы еще не дали оценку приборам с переходами Джозефсона. Надежность туннельных элементов со сверхпроводящими электродами из сплавов свинца, низкий уровень которой вначале делал проблематичным создание ИС, в настоящее время достаточно велика, что позволяет разрабатывать БИС на элементах Джозефсона. Сейчас главной проблемой таких ИС является уменьшение разброса параметров отдельных элементов. Быстродействие вентилей Джозефсона даже при ширине схемных линий 1 мкм составляет несколько пикосекунд, а потребляемая мощность—менее 1 мкВт на вентиль. Это лучше, чем у полупроводниковых элементов. Однако структура ИС на двухэлектродных элементах Джозефсона достаточно сложна. В то же время быстродействие в несколько пикосекунд можно реально получить и на полупроводниковых элементах, если минимальный размер линий будет составлять 0,1 мкм. Поскольку это является проблемой, в ближайшее время к разработке элементов с переходами Джозефсона следует относиться достаточно осмотрительно.
Теперь после обсуждения проблем развития современной микроэлектроники, перейдем к подробному изложению ее основ.
2
Электрические свойстваполупроводников
Полупроводниковые сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) в основном изготавливаются на основе кремния (Si), но в последние годы внимание разработчиков все больше привлекают полупроводники группы AHIBV (химические соединения и твердые растворы элементов III и V групп периодической таблицы). В частности, широкое распространение получили сверхбыстродействующие БИС на основе арсенида галлия (GaAs). Все эти полупроводники имеют монокристаллическую структуру. Теория идеальных монокристаллов практически полностью изложена и экспериментально подтверждена в многочисленных монографиях по физике твердого тела, появившихся в последнее время. Очень высокого уровня достигли технологии выращивания монокристаллов и изготовления полупроводниковых приборов. Например, для кремния разработаны технология выращивания бездислокационных (бескластерных) монокристаллов большого диаметра, основные технологические операции (окисление, диффузия), исключающие введение дефектов в формируемые структуры. Существует технология изготовления ИС с очень высокой степенью интеграции.
На реальные свойства полупроводников большое влияние оказывают отклонения от идеальной структуры монокристаллов (примесные элементы, дефекты кристаллической решетки, границы раздела слоев, состояние их поверхности и др.). Такие свойства полупроводников называют структурными. В этой главе изложен минимальный объем знаний, необходимый для понимания работы СБИС: структура энергетических зон полупроводников, электрические свойства полупроводников и влияние на них различного вида отклонений от идеальной структуры монокристаллов.
Структура кристаллической решетки и энергетических зон
Структура кристаллической решетки
Кристаллическая структура Si и GaAs. Атомы в монокристаллах размещаются упорядоченно. Такое упорядоченное расположение атомов называется кристаллической решеткой. Наиболее характерным свойством кристаллической решетки монокристаллов является трансляционная симметрия. Пусть вектор г равен
г = /ia + ^b + Zc,(2.1)
Рис. 2.1. а — простая кубическая решетка; б — гранецентрированная кубическая решетка. Кружками обозначены узлы кристаллической решетки.Рис. 2.1. а — простая кубическая решетка; б — гранецентрированная кубическая решетка. Кружками обозначены узлы кристаллической решетки.где (Л, k, I) — целые числа. Тогда каждый узел кристаллической решетки можно записать с помощью этого вектора г. Векторы а, Ь, с, вообще говоря, не обязательно принадлежат ортогональной системе координат и их длина зависит от структуры кристаллической решетки. Область, образованная тремя векторами а, Ь, с называется элементарной ячейкой. Выбор элементарной ячейки даже для одного кристалла неоднозначен. Существуют различные способы выбора элементарных ячеек. Элементарную ячейку минимальных размеров называют примитивной элементарной ячейкой.
Рис. 2.1. а — простая кубическая решетка; б — гранецентрированная кубическая решетка. Кружками обозначены узлы кристаллической решетки.
Рис. 2.1. а — простая кубическая решетка; б — гранецентрированная кубическая решетка. Кружками обозначены узлы кристаллической решетки.
По способу расположения узлов кристаллических решеток, обладающих трансляци
онной симметрией, различают 14 структур, которые называются решетками Браве. Если а, Ь, с — длины основных векторов, образующих элементарную ячейку, то решетки Браве классифицируются по величине углов между этими векторами. На рис. 2.1 показаны две простейшие из 14 решеток Браве: простая кубическая и гранецентрированная кубическая решетки.
Поскольку кремний — элемент IV группы, то каждый его атом образует по четыре ковалентные связи, и при формировании монокристалла ближайшие четыре атома размещаются на одинаковом расстоянии между собой, как показано на рис. 2.2. Такое расположение атомов образует структуру решетки типа алмаза. Способ выбора элементарных ячеек монокристаллов определяется максимальной степенью их симметрии, что соответствует кубическим решеткам на рис. 2.2. При выборе таких элементарных ячеек структуру типа алмаза можно
представить как две гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые между собой на 1/4 главной диагонали. Полупроводники группы AHIBV, например GaAs, имеют структуру типа алмаза, в которой содержатся атомы как III, так и V групп. Известно, что у этих полупроводников атомы III группы занимают все узлы одной из двух гранецентрированных кубических
Рис. 2.2. Основные кубические решетки: типа алмаза и типа цинковой обманки. Гранецентрированные кубические решетки ABCDEFGH и A'B'C'D'E'F'G'H' сдвинуты между собой на 1/4 диагонали AG. В монокристалле кремния все атомы одинаковы (решетка типа алмаза). В монокристалле GaAs (А~Н)— атомы Ga, (А'~Н') —атомы As (решетка типа цинковой обманки). Межатомные связи (двойные линии) образуют тетраэдральную структуру между четырьмя ближайшими атомами, каждый из которых имеет по четыре изотропных связи.
решеток, а атомы V группы расположены в узлах другой гранецентрированной решетки. Такая кристаллическая структура называется решеткой типа цинковой обманки. Если межатомные связи в кристалле кремния являются чисто ковалентными, то связи между атомами элементов III и V групп имеют промежуточные свойства между свойствами ковалентных и ионных связей. Еще сильнее ионные свойства межатомных связей выражены у соединений группы AnBVI и у галидов щелочных металлов (например, у NaCI). В зависимости от того, какими типами связей обладают атомы монокристаллов — ковалентными или ионными — в значительной степени меняются свойства самих монокристаллов.
У обеих структур — типа алмаза и типа цинковой обманки — по четыре ближайших атома. Количество ближайших атомов называется координационным числом. У кристаллических структур с максимальной плотностью упаковки атомов координационное число равно 12. С этой точки зрения решетка типа
алмаза имеет кристаллическую структуру с большими межатомными зазорами, т. к. ее координационное число равно 4. Этим объясняется явление «туннелирования», когда при бомбардировке подобных монокристаллов ионами, ускоренными в определенном кристаллографическом направлении, эти ионы могут легко проникать в глубь кристалла.
Индексы Миллера. Поскольку кристаллы имеют периодическую
структуру, то их свойства отличаются для различных кристаллографических направлений и плоскостей. Это проявляется не
Рис. 2.3. Пояснение понятия индексов Миллера, (а, Ь, с)-* -*(1/1, 1/3, 1/2) Хб (минимальный общий знаменатель)-* -*воображаемая кристаллографическая плоскость (6 2 3).Рис. 2.3. Пояснение понятия индексов Миллера, (а, Ь, с)-* -*(1/1, 1/3, 1/2) Хб (минимальный общий знаменатель)-* -*воображаемая кристаллографическая плоскость (6 2 3).только в электрических свойствах полупроводников, но и в технологии изготовления БИС: травлении, эпитаксии, диффузии, окислении и т. д. Для обозначения кристаллографических направлений и плоскостей используются индексы Миллера, которые определяются следующим образом (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Пояснение понятия индексов Миллера, (а, Ь, с)-* -*(1/1, 1/3, 1/2) Хб (минимальный общий знаменатель)-* -*воображаемая кристаллографическая плоскость (6 2 3).
Рис. 2.3. Пояснение понятия индексов Миллера, (а, Ь, с)-* -*(1/1, 1/3, 1/2) Хб (минимальный общий знаменатель)-* -*воображаемая кристаллографическая плоскость (6 2 3).
Положение одного из атомов выбирают за начало координат, от которого проводят координатные оси в направлениях основных векторов (а, Ь, с).
Точки пересечения вообража-
емой кристаллографической плоскости с этими координатными
осями выражают целыми числами, приняв за единицу длины основных векторов. На рис. 2.3 данные точки пересечения показаны цифрами 1, 3, 2.
Величины, обратные этим целым числам, умножают на их минимальный общий знаменатель, получая простейшее отношение целых чисел.
Если эти числа обозначить h, k, I, то их запись в круглых скобках (АД/) и будет индексами Миллера для данной плоскости. Для рис. 2.3 получилось (1/1, 1/3, 1/2)-6= (623). Для достаточно больших кристаллов плоскости, параллельные данной, обладают совершенно одинаковыми свойствами. Поэтому для кубической решетки плоскости (MZ), (кМ) и (ZM) кристаллографически являются одинаковыми. Кроме того,, в данном случае они эквивалентны плоскостям с отрицательными значениями индексов Миллера. Для обозначения этих эквивалентных плоскостей используются фигурные скобки — {/гй/}.
Для записи кристаллографического направления служит отношение проекций вектора данного направления на основные вектора а, Ь, с. Например, направление вектора ha+kb + lc записывается в квадратных скобках [hkl], Для обозначения кристаллографически эквивалентных направлений используют
угольные скобки — <hkV>. Для кубической решетки направление [AAZ] перпендикулярно плоскости (hkl), что, вообще говоря, не является обязательным.
Для кубической решетки кремния основные векторы а, Ь, с
Рис. 2.4. Кристаллографические плоскости (1 1 0) и (1 1 1) кубической решетки.
нат и имеют одинаковую длину. Технология изготовления кремниевых СБИС, особенно такие операции, как травление, диффузия, окисление, имеет свои особенности для различных кристаллографических плоскостей, например (110), (10 0), (111). Поэтому при изготовлении приборов необходимо правильно
Рис. 2.5. Кристаллическая решетка Ga As в плоскости (1 1 1). Вид со стороны направления [1 1 0]. Стрелками показано направление разделения монокристалла.Рис. 2.5. Кристаллическая решетка Ga As в плоскости (1 1 1). Вид со стороны направления [1 1 0]. Стрелками показано направление разделения монокристалла.
Рис. 2.5. Кристаллическая решетка Ga As в плоскости (1 1 1). Вид со стороны направления [1 1 0]. Стрелками показано направление разделения монокристалла.
Рис. 2.5. Кристаллическая решетка Ga As в плоскости (1 1 1). Вид со стороны направления [1 1 0]. Стрелками показано направление разделения монокристалла.
•ориентировать поверхность полупроводниковых пластин. На рис. 2.4 показаны плоскости (1 10) и (1 1 1). Векторы b и с лежат в плоскости (10 0).
Кристаллическая решетка типа цинковой обманки, как у Ga As, обладает специфическими свойствами в плоскости (111), как пояснено на рис. 2.5. При разделении монокристалла в направлении, показанном стрелками, в верхнем наружном слое, принадлежащем плоскости (111), расположены атомы Ga, а в нижнем слое — атомы As. При
этом плоскости, помеченные символами Ga и As, обладают раз-' личными свойствами. На это следует обращать особое внимание, например, при эпитаксиальном выращивании и травлении GaAs. Для различения данных плоскостей плоскости, в наружном слое которых расположены атомы Ga (элемента III группы), принято обозначать (1 1 1)а, а плоскости с атомами As — (1 1 l)b. Очевидно, что для кремния такое различение не требуется.
Структура энергетических зон
Запрещенные и разрешенные зоны. Рассмотрим поведение электронов в монокристаллическом полупроводнике. Как известно, в вакууме электроны ведут себя сравнительно просто. Под действием электрического поля они ускоряются, перемещаясь в направлении положительного потенциала. При малой концентрации электронного газа и коротком расстоянии между электродами будем считать, что электроны перемещаются без соударений. Тогда за траекторией их перемещения можно проследить на примере одного электрона, как механической частицы.
С другой стороны, как видно на примере электронного микроскопа, электроны обладают и волновыми свойствами. Поэтому для выяснения взаимосвязи между электроном и атомом нам необходимо использовать не классическую механику, а квантовую. Согласно квантовой механике, кроме корпускулярных свойств частицам присущи и волновые свойства (Де Бройль, 1924 г.). Единая теория, описывающая эти свойства, была разработана в волновой механике Шредингера (1926 г.). В этой теории для представления единой системы волновых и корпускулярных свойств частиц используется волновая функция Т. Выражение ЧГ*ЧГ называется функцией плотности вероятности. Физический смысл волновой функции заключается в том, что выражение W^dv определяет вероятность появления (или существования) частицы, описываемой функцией V, в промежуток времени t в объеме du. Другими словами, вероятность существования электрона за время t в объеме du определяется квадратом амплитуды его волновой функции.
Согласно волновой механике, между квазиимпульсом (количеством движения) р свободной частицы и волновым вектором к существует соотношение
р = Лк. (2.2)
Здесь й— постоянная Планка й, деленная на 2л (й = 6,6262 X X 10~34 Дж-с).
W2тW2тЭнергия 8 свободной частицы связана с ее массой т формулой
W2т
W2т
(2.3)
Теперь сравним электроны в вакууме с их состоянием в монокристалле. В идеальном монокристалле атомы расположены периодически на расстоянии десятых долей нм друг от друга.
Рис. 2.6. Изогипсы распределения плотности валентных электронов в Si (а) и GaAs (б). Цифры указывают относительную плотность электронов.Рис. 2.6. Изогипсы распределения плотности валентных электронов в Si (а) и GaAs (б). Цифры указывают относительную плотность электронов.образуют смешанные орбитали.образуют смешанные орбитали.Атомы состоят из ядер, имеющих положительный электрический заряд, и электронов, обладающих эквивалентным по величине отрицательным зарядом. У одиночного атома кремния имеются два электрона на атомной орбитали 1s (записывается 1s2), два электрона на орбитали 2s (2s2), 6 — на орбитали 2р (2р6), 2 — на орбитали 3s (3s2) и 2 — на орбитали Зр (Зр2). Для атомов кремния в кристалле наибольшее воздействие со стороны соседних атомных ядер оказывается на 3s2- и Зр2-электро- ны внешней оболочки, s- и р- орбитали внешней оболочки в кристалле взаимосвязаны и Так, у кристалла кремния с
Рис. 2.6. Изогипсы распределения плотности валентных электронов в Si (а) и GaAs (б). Цифры указывают относительную плотность электронов.
Рис. 2.6. Изогипсы распределения плотности валентных электронов в Si (а) и GaAs (б). Цифры указывают относительную плотность электронов.
образуют смешанные орбитали.
образуют смешанные орбитали.
координационным числом 4 существует смешанная зр3-орбиталь и электроны внешней оболочки вращаются не только вокруг собственного ядра, но и вокруг ядер соседних атомов. При этом на одной смешанной 5р3-орбитали находятся по два электрона от каждого соседнего атома, т. е. всего 8 электронов. Следовательно, орбитали внешних атомных оболочек в кристалле кремния имеют замкнутую форму, охватывающую соседние атомы, и образуют ковалентные межатомные связи. Этими связями обладают электроны, расположенные на орбиталях внешней оболочки. Поэтому такие электроны называются валентными. На рис. 2.6 показаны расчетные распределения плотности электрщ ческого заряда валентных электронов в кристаллах Si и GaAs. В кристалле Si точка максимальной плотности заряда валентных электронов расположена посередине связи Si—Si, а в кристалле GaAs эта точка расположена ближе к атому As. В последнем случае на ковалентную связь оказывает влияние ионная
связь, которая под действием кулоновской силы смещает симметрию связи.
При определенной температуре часть валентных электронов приобретает дополнительную тепловую энергию, освобождается от связи с одним атомом и начинает перемещаться по всему кристаллу, т. е. происходит ионизация. Такие электроны называют свободными или электронами проводимости. Для одиночного атома энергетические уровни электронов являются дискретными. В кристалле же количество атомов превышает
Разрешенная зонаРазрешенная зонаРабноРесноеРабноРесноеРасстояние> между а,оо атомамиОдиночныйРасстояние> между а,оо атомамиОдиночныйсостояниесостояниеатоматом
Разрешенная зона
Разрешенная зона
РабноРесное
РабноРесное
Расстояние
> между а,оо атомами
Одиночный
Расстояние
> между а,оо атомами
Одиночный
состояние
состояние
атом
атом
Рис. 2.7. Типичная схема образования энергетических зон. Дискретные уровни одиночного атома расширяются в энергетические зоны по мере уменьшения межатомных расстояний в кристалле.
1022 см-3, поэтому под влиянием соседних атомов образуются непрерывные энергетические зоны. Типичная схема образования энергетических зон показана на рис. 2.7. В заштрихованных областях могут находиться электроны, поэтому они называются разрешенными зонами. В промежутках между этими областями электроны отсутствуют. Такие энергетические области называются запрещенными зонами.
Наличие запрещенных и разрешенных зон является основным фактором, определяющим электрические и оптические свойства твердых тел. К изложенному выводу о наличии энергетических зон в кристаллах можно прийти другими рассуждениями. Для этого рассмотрим объем кристалла с учетом электронов, вращающихся вокруг атомов. В кристалле образуется периодически меняющийся потенциал, обусловленный положительными зарядами атомных ядер, расположенных в определенной последовательности, и отрицательными зарядами электронов, окружающими эти положительные заряды. Пусть периодичность и симметрия кристаллической структуры такие же, как в предыдущем разделе. Тогда для электронов в таком периодическом потенциале уже неприменимо непрерывное распределение энергии, выражаемое формулой (2.3). Можно привести ряд аналогий на этот счет. Например, при попадании све-
товой волны на дифракционную решетку максимальная дифракция наблюдается в определенном направлении, для которого выполняется условие дифракции Брэгга, т. е. определенная зависимость между периодом решетки и длиной волны света. Аналогичное явление возникает между электронными волнами в кристаллах. Возьмем другой пример. В волноводе могут свободно распространяться только определенные моды электро-
Рис. 2.8. Потенциал Кронига — Пенни.
магнитной волны, в то время как распространение других мод ограничено. Этот пример также является аналогией поведения электронов в кристалле.
Простейшей моделью, поясняющей волновые свойства электронов в периодическом потенциале, является модель Кронига — Пенни. Определим зависимость между энергией электрона и волновым вектором (или импульсом) в прямоугольном одномерном периодическом потенциале, как показано на рис. 2.8.
Основное уравнение Шредингера для этого случая запишется в виде
-^# + ^- (»-У(х))¥(х)-0,(2.4)
где V(х) — периодический потенциал (рис. 2.8); Т(х) — волновая функция электрона.
Для решения уравнения (2.4) воспользуемся теоремой Блоха, согласно которой волновая функция электрона в периодическом потенциале У(х) выражается функцией Блоха:
Т(х)=е^[/(х),(2.5)
где U^ меняется периодически аналогично У(х).
Подставим (2.5) в уравнение (2.4). Если теперь решить уравнение (2.4) *> с учетом формы функции' V(x), представленной на рис. 2.8, то получим зависимость между энергией 8 (k) и волновым вектором к, показанную на рис. 2.9. На графике рис. 2.9 в точках л/(а+6), где (а+Ь) соответствует периоду потенциала Кронига — Пенни, появляются разрывы функции 8 (к)» т. е возникают разрешенные и запрещенные энергетиче-
*> Подробное решение уравнения (2.4) можно найти в учебниках по основам физики твердого тела.
ские зоны как показано справа на рис. 2.9. Значения волнового вектора й=пл/(а+6), п=±1, ±2,..., при которых возникает разрыв функции ^(й), удовлетворяют условию брэгговского отражения для электронной волны, падающей перпендикулярно на дифракционную решетку с периодом (а+6).
Для сравнения на рис. 2.9 пунктирной линией показана функция 8 (k) для свободного электрона в соответствии с выражением (2.3). Видно что функции 8^ для свободного эле-
Рис. 2.9. Зависимость энергии 3” (А) электрона от волнового вектора й в потенциале Кронига — Пенни (рис. 2.8) — сплошная линия. Пунктирной линией показана зависимость 8 (А) для свободного электрона: 1 — разрешенная зона; 2 — запрещенная зона.
ктрона и электрона в периодическом потенциале примерно подобны. Поведение свободного электрона соответствует частному случаю, если в функции Блоха (2.5) t/(x)=const. Поэтому можно принять, что, по аналогии с моментом р=Ък свободного электрона, для электрона в периодическом потенциале (или в кристаллической решетке) существует некоторый момент йк, называемый моментом кристалла.
Представление приведенных зон и зоны Бриллюэна. Если начальную точку графика функции 8^ на рис. 2.9 переносить в точки -2пл/(а+й), п=±1, ±2,..., то получатся полностью совпадающие участки соответствующих графиков. Это объясняется тем, что перенос электрона в пространстве периодического потенциала или реального кристалла на расстояние (а+й), согласно функции Блоха (2.5), полностью адекватен переносу на 2пл/(а+й) в пространстве момента кристалла (в к-прост- ранстве). Поэтому для устранения неоднозначности определения волнового вектора электрона в кристалле, предположим.
Рис. 2.10. Структура энергетических зон элек. трона в кристалле, полученная приведением к первой зоне Бриллюэна.Рис. 2.10. Структура энергетических зон элек. трона в кристалле, полученная приведением к первой зоне Бриллюэна.типа симметрии.типа симметрии.Кремний иКремний и
Рис. 2.10. Структура энергетических зон элек. трона в кристалле, полученная приведением к первой зоне Бриллюэна.
Рис. 2.10. Структура энергетических зон элек. трона в кристалле, полученная приведением к первой зоне Бриллюэна.
типа симметрии.
типа симметрии.
Кремний и
Кремний и
что функция ^(к) определена только в области —л/(а+6) с ^^^л/(а-{-Ь) на рис. 2.9. Участки графика функции ^(к), расположенные вне этой области, перенесем с соответствующей
сменой знака внутрь данной области и получим график функции ^(к), изображенный на рис. 2.10. Данное преобразование называется представлением приведенных зон, а область — л/(а+&) ^к^ сл/(а+б)—первой зоной Бриллюэна. Аналогичные рассуждения справедливы для двумерной и трехмерной кристаллических решеток. Для условий брэгговского отражения первой зоной Бриллюэна является область, для которой удовлетворяется условие брэгговского отражения первого порядка. Области, в которых выполняются условия брэгговского отражения второго и третьего порядков, называются соответственно второй и третьей зонами Бриллюэна.
Форма зон Бриллюэна для одномерного потенциала довольно проста. У ре-
альных трехмерных кристаллов она зависит от их кристаллической структуры, в частности от"”‘ *
GaAs имеют гранецентрированные кубические решетки, поэтому их зоны Бриллюэна имеют одинаковую форму. Первая зона Бриллюэна гранецентрированной кубической решетки показана на рис. 2.11, на котором отмечены особые точки с высокой симметрией. Центр зоны Бриллюэна с координатами 2л/а-(0 0 0) в k-пространстве обозначается т. Г; направление вдоль оси <111> — Л; точка с координатами 2л/а (1/2 1/2 1/2) на границе первой зоны Бриллюэна— L; направление вдоль оси <100>—Л; точка 2л/а (001) на границе первой зоны; Бриллюэна — X; направление
вдоль оси<110>— S;точка
2л/а (3/4 3/4 0) на границе 1-ой зоны — К. Здесь о — постоянная кристаллической решетки для простой кубической ячейки.
Функция 3*(к) для реальных кристаллов является трехмерной, и в большинстве случаев она размещается только в пределах первой зоны Бриллюэна. Такая трехмерная функция 8 (к) называется структурой энергетических зон.
Эффективная масса, электроны и дырки. Итак, мы выяснили, что энергия и импульс электронов в кристалле связаны между собой сложной функцией (структурой энергетических зон), которая зависит от структуры кристаллической решетки. Структура энергетических зон определяет электрические и оптические свойства реальных кристаллов. Поэтому при рассмотрении характеристик полупроводниковых приборов, например транзисторов, следует выбирать полупроводник с наиболее подходящей структурой энергетических зон.
Прежде всего, на основе анализа движения электронов в электрическом поле получим основную характеристику полупроводников, необходимую при рассмотрении работы приборов, — электрический ток. Сделаем это на примере одного электрона. Будем считать, что все электроны, локализованные в некоторой области, описываются одной волновой функцией, которую назовем волновым пакетом. Скорость волнового пакета электронов представляет собой групповую скорость vg
v8=^r=-r<2'6)
где и — угловая частота, ^ = й(о.
Энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле напряженностью Е за промежуток времени d/ при перемещении на расстоянии dx, равна
d$ = —eEdx — —eEog • Л.(2.7)
Из выражений (2.2), (2.6) и (2.7) окончательно получим:
-^-eE = F.(2.8)
где F — сила, действующая на электрон в электрическом поле Е, Это уравнение означает, что изменение во времени квазиимпульса р кристалла равно приложенной силе. Покажем, что „(2.8) эквивалентно второму закону Ньютона в классической механике.
Продифференцируем выражение (2.6) по t неиспользованием (2.8) получим
dve _ ( 1\ р/от
(2.10)(2.9')(2.10)(2.9')Если обозначить m — (а^/да) •
(2.10)
(2.9')
(2.10)
(2.9')
ТОТОможно записать в виде m*-3T”F«
ТО
ТО
т. е. выражение (2.8) действительно соответствует уравнению для второго закона Ньютона. Таким образом, на основании структуры энергетических зон (функции S (k)), введя величину т* согласно (2.10) и используя уравнение (2.9), можно судить о движении электрона в кристалле. Величина т* называется эффективной массой электрона в кристалле.
Для реальных трехмерных кристаллов к есть волновой вектор кристалла, а т* является тензорной величиной, которую
(2.11)(2.11)можно записать в виде т v»(v^)*
(2.11)
(2.11)
Далее, предположим, что перемещение электронов и, следовательно, электрического тока происходит в пределах одной разрешенной зоны, изображенной на рис. 2.10. Если скорость i-ro электрона равна ut, то ток / в объеме V равен:
(2.12)(2.12)'—т-2"-
(2.12)
(2.12)
2 означает суммирование по всем электронам, находящимся в данной зоне. Если зона полностью заполнена электронами, то /=0. Это происходит потому, что форма зоны симметрична оси при &=0, и, если проинтегрировать оц согласно выражению (2.6) внутри зоны, то положительные и отрицательные части
интеграла взаимно скомпенсируются.
1—-HS*'-^L /*1—-HS*'-^L /*(2.13)(2.13)Пусть теперь электроны, расположенные вблизи верхней части (потолка) зоны под действием теплового возбуждения покинут зону, образуя незаполненные электронами (или вакантные) состояния. Тогда из (2.12) получим следующее выражение:
1—-HS*'-^L /*
1—-HS*'-^L /*
(2.13)
(2.13)
(2.14)(2.14)где 2 — суммирование скоростей всех состояний в зоне, о» — скорости вакантных состояний. Поскольку, как указано выше, 2v/=0, то (2.13) запишется в виде
(2.14)
(2.14)
/ = Т"21'6,II
Здесь необходимо обратить внимание на различие знаков в правой части выражений (2.12) и (2.14). Из (2.14) следует, что незаполненные электронами состояния также вносят вклад
L А Г A XU,К 1 ГКL А Г A XU,К 1 ГКТяжелые дыряиЛегкие дыркиТяжелые дыряиЛегкие дырки
L А Г A XU,К 1 ГК
L А Г A XU,К 1 ГК
Тяжелые дыряи
Легкие дырки
Тяжелые дыряи
Легкие дырки
Рис. 2.12. Структура энергетических зон Si (справа) и GaAs (слева): 1—зона проводимости; 2— запрещенная зона; 3 — валентная зона, внизу — увеличенное изображение области вблизи потолка валентной зоны электронов.
в электрический ток. Эти состояния перемещаются подобно частицам, несущим положительный заряд, и называются дырками.
Вблизи потолка зоны эффективная масса электронов, согласно выражению (2.10), отрицательна. Поэтому частицы, имеющие отрицательную массу и отрицательный заряд, ускоряются в направлении вектора электрического поля. Аналогичным образом ускоряются в электрическом поле и частицы с положительными массой и зарядом, т. е. дырки. Эффективная маса дырок определяется так же, как эффективная масса электронов. Поскольку протекание электрического тока в полупроводниках осуществляется с участием как электронов, таки дырок, то и те и другие называют носителями.
Структура энергетических зон в Si и GaAs. Структура энергетических зон Si и GaAs представлена в верхней части рис. 2.12. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют зону с S<0, которая называется валентной зоной. Зона с 8>0 при этом полностью свободна. Однако при повышении температуры часть электронов валентной зоны возбуж-
дается, и они частично заполняют зону с ^>0. Как будет показано далее, эти электроны принимают участие в электропроводности полупроводника, поэтому данная зона называется зоной проводимости.
Для кремния точка минимальной энергии в зоне проводимости (дно зоны проводимости) имеет координаты к0=л/а (2/3 00) и расположена в направлении Д от т. Г, несколько не
Рис. 2.13. Изоэнергетические поверхности вблизи точек с минимальной энергией в зонах проводимости Si (а) и GaAs (б).
достигая т. X (см. также рис. 2.11). Вблизи этой точки энергия 8 представляется в виде:
(2.15)
где: ^с — энергия на дне зоны проводимости; кх— ось Д; кн> кг — оси, перпендикулярные оси кх; к*о— положение дна зоны проводимости на оси Д; Ахо=2л/3а. Поскольку в данном случае эффективная масса является диагональным тензором, то она разложена на составляющие m*ni и m*nt соответственно вдоль оси Д и перпендикулярно ей. Отсюда изоэнергетическая поверхность у дна зоны проводимости представляет собой эллипсоид вращения, большая ось которого совпадает с осью Д, как показано на рис. 2.13, а. Кроме того, необходимо обратить внимание на тот факт, что у кремния внутри первой зоны Бриллюэна существует шесть эквивалентных минимумов энергии.
У GaAs дно зоны проводимости совпадает с т. Г. Вблизи этой точки энергия выражается следующей формулой
^=^с+П^-^±^±^-).(2.16)
Форма этой зоны изотропна и эффективная масса пгп* является скалярной величиной. Поэтому изоэнергетическая поверх-
ность вблизи дна зоны проводимости представляет собой сферу с центром в т. Г, как показано на рис. 2.13,6. Дно второго энергетического минимума в зоне проводимости GaAs совпадает с т. L и ее энергетический зазор с т. Г составляет 0,284 эВ при 300 К. Дно третьего минимума совпадает с т. X и имеет энергию на 0,192 эВ (300 К) больше, чем в т. L. Поскольку в данном случае энергетический зазор между вторым и третьим энергетическими минимумами не очень велик, то при увеличении кинетической энергии электронов з высоких электрических полях или при достаточно высокой температуре электроны перераспределяются между областями второго и третьего энергетических минимумов. Этим объясняется ряд характерных явлений в GaAs, например, таких, как уменьшение скорости дрейфа или возникновение отрицательной объемной дифференциальной подвижности носителей.
Валентные зоны кремния и GaAs имеют примерно одинаковую форму. Потолок валентной зоны совпадает с т. Г и состоит из двух энергетических зон различной кривизны, смыкающихся при Л=0, и из третьей зоны, расположенной несколько ниже, как показано на увеличенном изображении этой области на рис. 2.12. Форма зон примерно изотропна, и изоэнергети- ческие поверхности представляют собой почти правильные сферы. Поэтому эффективная масса носителей в валентной зоне представляется тремя скалярными величинами. В зоне с малым радиусом кривизны, как отмечено на рисунке, существуют так называемые легкие дырки с эффективной массой mi*, а в зоне с большим радиусом кривизны — тяжелые дырки с эффективной массой m*h. Третья зона, отделенная от двух первых энергетическим зазором А, образовалась в результате взаимодействия спинов электронов с их орбитальными магнитными моментами. Этот эффект называется спин-орбитальным расщеплением. У кремния величина А мала (0,035 эВ), и при комнатной температуре дырки заполняют эту третью зону. В GaAs А=0,35 эВ, т. е. настолько велика, что в обычных условиях ее влияние не проявляется.
Как видно на рис. 2.12, в энергетической области между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны электроны отсутствуют. Эта область называется запрещенной зоной или энергетическим зазором. Если запрещенная зона очень велика, то при комнатной температуре трудно возбудить электроны в зону проводимости. Поэтому материалы с очень широкой запрещенной зоной не обладают электропроводностью и являются изоляторами. Материалы, у которых в результате взаимного наложения разрешенных энергетических зон запрещенные зоны отсутствуют, электропроводны даже при температуре абсолютного нуля, т. е. являются металлами.
Если дно зоны проводимости и потолок валентной зоны расположены при одинаковом значении к в кристалле, как, например, у GaAs, то рекомбинация электронов и дырок происходит без изменения импульса. Освободившаяся при этом энергия выделяется в виде квантов света (фотонов) с малым импульсом. Поэтому материалы, подобные GaAs, обладают высоким коэффициентом излучательной рекомбинации и широко используются для создания оптоэлектронных приборов. С другой стороны, у кремния, например, дно зоны проводимости и потолок валентной зоны расположены в различных положениях ^-пространства. Следовательно, для рекомбинации электронов и дырок необходимо изменить их импульсы. В обычных условиях это можно осуществить только путем испускания и поглощения так называемых фононов — частиц с большим импульсом, характеризующих колебания кристаллической решетки. Этот процесс называется правилом к-отбора. Эффективность люминесценции у таких материалов очень мала. Материалы, подобные GaAs, называются полупроводниками с прямыми переходами, а подобные кремнию — полупроводниками с непрямыми переходами.
Структура энергетических зон зависит от давления и температуры. Поскольку давление и температура изменяют постоянную кристаллической решетки, то между влиянием этих двух параметров легко провести аналогию. Изменение ширины запрещенной зоны ^g от температуры Т представляется следующей эмпирической зависимостью:
8в(Т) = 8в№—аТ2Ц1Ч$. (2.17)
где ^g(O) — ширина запрещенной зоны при О К, а и 0 — постоянные коэффициенты, приведенные для кремния и GaAs в табл. 2.1. Почти у всех полупроводников ^g уменьшается с повышением температуры, хотя у PbSe, РЬТе наблюдается обратная зависимость.
Таблица 2.1
Параметры, отражающие температурную зависимость ширины запрещенных зон
^g(O), эВ
а, 10-< К-1
Р. к
Si
1,170
4,73
636
GaAs
1,519
5,405
204
^g кремния уменьшается при увеличении гидростатического давления. Коэффициент этого уменьшения составляет —2,4Х Х10-6 эВ/(кг/см2). У GaAs ^g, наоборот, увеличивается с коэф-
Эффективные массы и параметры энергетических зон Si и GaAs
Таблица 2.2
si
(GaAs
Эффективные массы (приведены к массе свободного электрона)
Электроны:
тг (т. Г)
0,067
т*ы
0,98
—
m*nt (т. X)
0,19
Дырки:
ть* (тяжелые дырки)
0,49
0,45
mi* (легкие дырки)
0,16
0,082
т8* (дырки в расщепленной зоне)
—
0,154
Энергетические зоны, эВ
Ширина запрещенной зоны,^: при 0 К
1,17
1,52
при 300 К
1,12
1,42
Зона проводимости:
положение дна (минимумов)
т. X
т. Г
Энергетические зазоры, эВ:^г—X
—
0,476
Дг-ь
0,284
Валентная зона, эВ:
As-o (спин-орбитальное расщепление)
0,035
0,35
фициентом 12,6-10~6 эВ/(кг/см2). В табл. 2.2 представлены
эффективные массы и параметры энергетических зон кремния
и GaAs.
Механизмы протекания электрического тока
Различия идеальных и реальных кристаллов. Колебания решетки и дефекты кристаллов
В предыдущем параграфе мы выяснили, что в совершенных кристаллах с идеальной периодической решеткой специфика структуры энергетических зон определяет различные характерные свойства веществ. Однако у реальных кристаллов решетка не идеальна, а имеет различные кристаллические дефекты. По- этому во многих случаях электрические и оптические свойства полупроводниковых материалов имеют отклонения от таковых для идеальных кристаллов. При изготовлении полупроводниковых приборов, например транзисторов, этими отклонениями от совершенного кристалла (кристаллическими несовершенства-
ми) можно управлять, получая требуемые характеристики приборов. В этом смысле управление кристаллическими несовершенствами является ключом к решению задач практической реализации полупроводниковых приборов.
Справедливо предположить, что при увеличении импульса электрона под действием электрического поля в идеальном кристалле возникают колебания в пределах первой зоны Бриллюэна (колебания Блоха). Это предположение можно сделать на основании выражения (2.6) для групповой скорости электронов, а также периодичности структуры энергетических зон. Однако в реальных кристаллах прежде, чем электрон достигнет края зоны Бриллюэна, он рассеивается и колебаний Блоха не возникает. Причинами рассеяния электронов являются pai- личные отклонения от структуры идеального кристалла, которые описаны ниже.
Колебания решетки. Существуют различные типы отклонений от структуры идеального кристалла. Если атомы расположены в узлах идеальной кристаллической решетки, то под действием тепловой энергии в ограниченном диапазоне температур они колеблются относительно положения устойчивого равновесия. Электроны рассеиваются на этих тепловых колебаниях, и колебания Блоха нарушаются. Такие колебания называются колебаниями решетки или фононами. По какой бы идеальной технологии не изготавливался кристалл, в нем всегда имеются дефекты кристаллической решетки, которые называют динамическими несовершенствами кристалла.
В определенном диапазоне температур атомы в кристалле, вообще говоря, колеблются хаотически вокруг положения устойчивого равновесия. Но если посмотреть на колебания атомов кристалла в целом, то в силу периодичности кристаллической структуры эти колебания можно представить в виде наложения колебаний множества гармонических осцилляторов. Это представление эквивалентно преобразованию Фурье для колебаний в реальном пространстве, а каждый такой гармонический осциллятор можно рассматривать как одну квазичастицу, называемую фононом.
У кремния и GaAs, которые в одной элементарной ячейке имеют свыше двух атомов, существуют два типа фононов: акустические и оптические. Между энергией 8 и импульсом q фонона, так же как и для электронов в кристалле, существует зависимость, показанная для кремния и GaAs на рис. 2.14. Здесь изображены фононные спектры в пределах первой зоны Бриллюэна. Оптические фононы обозначены буквой О, акустические — А. Кроме того, каждый тип фононов в свою очередь имеет по одной продольной моде колебаний L и по две поперечных — Т, которые на рисунке смыкаются в одну линию.
Рис. 2.14. Фононные спектры для Si (а) и GaAs (б). LO и ТО — продольные и поперечные оптические фононы, LA и ТА — продольные и поперечные акустические фононы.Рис. 2.14. Фононные спектры для Si (а) и GaAs (б). LO и ТО — продольные и поперечные оптические фононы, LA и ТА — продольные и поперечные акустические фононы.
Рис. 2.14. Фононные спектры для Si (а) и GaAs (б). LO и ТО — продольные и поперечные оптические фононы, LA и ТА — продольные и поперечные акустические фононы.
Рис. 2.14. Фононные спектры для Si (а) и GaAs (б). LO и ТО — продольные и поперечные оптические фононы, LA и ТА — продольные и поперечные акустические фононы.
Укажем основные свойства фононов:
В области больших длин волн (вблизи к»^ акустические фононы соседних атомов перемещаются синфазно в то время, как оптические фононы вызывают перемещение атомов в противофазе.
В результате этого акустические фононы локально' растягивают и сжимают объем кристалла, а оптические фононы не влияют на него.
Поскольку соседние атомы под действием оптических фононов перемещаются в противофазе, то в кристаллах с ионными связями, как, например, в GaAs, в результате изменения расстояния между электрическими зарядами возникают локальные изменения электрического поля (диполи). В этом случае кристаллы называют гетерополярными. В кристаллах же с ковалентными связями, подобными кремнию, этого не происходит. Оптические фононы, вызываю-
щие локальные изменения электрического поля, называются
полярными.
Групповая скорость (ды/дк) акустических фононов вблизи к«0 равна скорости звука в данном кристалле.
Энергия оптических фононов в кремнии составляет примерно 60 мэВ, а в GaAs — 30 мэВ.
Дефекты кристаллической решетки. Кроме колебаний решетки к кристаллическим несовершенствам относится неупорядоченное размещение атомов в кристалле, называемое дефектами решетки. Классификация этого вида дефектов показана в таблице 2.3. В настоящее время достигнуты большие успехи в получении бездефектных кристаллов кремния. Для БИС используются монокристаллы кремния, не имеющие винтовых дислокаций. Разрабатываются технологические операции, максимально уменьшающие введение дефектов при изготовлении приборов. Для СБИС и приборов с зарядовой связью (ПЗС) большое значение имеет уменьшение поверхностных микродефектов, которые являются основной причиной брака.
Таблица 2.3Таблица 2.3Тече ч не/е — дефектыТече ч не/е — дефектывнешние— вефекть/ - (примеснь/еатамы)внутренние— дефекты -Симплексные дефектывнешние— вефекть/ - (примеснь/еатамы)внутренние— дефекты -Симплексные дефектыПримеси замещенияПримеси д МеОФдСГ/ЗЛи я а?вакансии, слаысиые вакансииДтамы в мезфдаузлияс Переставленные атрмь/Примеси замещенияПримеси д МеОФдСГ/ЗЛи я а?вакансии, слаысиые вакансииДтамы в мезфдаузлияс Переставленные атрмь/
Таблица 2.3
Таблица 2.3
Тече ч не/е — дефекты
Тече ч не/е — дефекты
внешние
— вефекть/ - (примеснь/е
атамы)
внутренние
— дефекты -
Симплексные
дефекты
внешние
— вефекть/ - (примеснь/е
атамы)
внутренние
— дефекты -
Симплексные
дефекты
Примеси замещения
Примеси д МеОФдСГ/ЗЛи я а?
вакансии, слаысиые вакансии
Дтамы в мезфдаузлияс Переставленные атрмь/
Примеси замещения
Примеси д МеОФдСГ/ЗЛи я а?
вакансии, слаысиые вакансии
Дтамы в мезфдаузлияс Переставленные атрмь/
Классификация дефектов решетки
ДефектыЛинейныевинтавые
кристалла#дефекты дислакации
Мнагаслайные дефекты
Паверфнастные — дефектыПаверфнастные — дефектыПаверфнасти — разделаПаверфнасти — раздела
Паверфнастные — дефекты
Паверфнастные — дефекты
Паверфнасти — раздела
Паверфнасти — раздела
Прани иы зерен
У монокристаллов GaAs проблема регулирования плотности винтовых дислокаций пока еще решена недостаточно. Слабо контролируется введение точечных дефектов, в частности, обусловленных внутренними несовершенствами кристалла. Наличие этих дефектов, кроме того, мешает достаточному пониманию атомной структуры и электрооптических свойств данного материала.
Точечные дефекты играют основную роль в механизмах электропроводности полупроводников. Примесные атомы (внешние точечные дефекты), введенные в полупроводниковый кристалл, определяют как тип, так и величину его электропроводности. Управляя введением примесных атомов, изготавли вают транзисторы и БИС.
Если в кристаллической решетке кремния атом Si заменить элементом V группы, например фосфором (Р), то на внешней оболочке атома Р окажется один лишний электрон, который будет свободно перемещаться по кристаллу, увеличивая его электропроводность. При добавлении в кремний элемента III группы, например бора (В), одного валентного электрона в кристалле будет не хватать. Эта нехватка электрона, т. е. дырка, как было показано в предыдущем разделе, расположена вблизи потолка валентной зоны и свободно перемещается по кристаллу, что также увеличивает его электропроводность.
В первом случае электропроводность обусловлена электронами — частицами, несущими отрицательный (negative) заряд, поэтому такие полупроводники называются полупроводниками п-типа, а атомы примеси, снабжающие кристалл избыточными электронами, называются донорами. Во втором случае электропроводность полупроводников определяется дырками, несущими положительный (positive) заряд, и они называются полупроводниками p-типа, а примесные атомы, поставляющие дырки, — акцепторами.
В GaAs донорами являются элементы VI группы, например сера (S) и теллур (Те), а акцепторами — элементы II группы бериллий (Be) и цинк (Zn). Если атом Ga заместить на атом элемента IV группы, например Ge или Si, то один электрон окажется лишним и эта примесь ведет себя как донор. При замещении атома As атом элемента IV группы является акцептором. Такие примеси называются амфотерными. Является ли амфотерная примесь донорной или акцепторной, зависит от условий ее введения. Кремний, введенный в GaAs ионной имплантацией, обычно является донором, а германий, введенный жидкостной эпитаксией, — акцептором.
Рассмотренные примеси отличаются от атомов кристалла только на один валентный электрон. При этом их энергия ионизации достаточно мала, и можно считать, что вся примесь при обычной температуре ионизирована. Увеличение концентрации электронов и дырок равно концентрации атомов введенной примеси. Переходные и благородные металлы являются примесями с большой энергией ионизации и образуют глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника. Эти глубокие уровни выполняют роль центров генерации, рекомбинации и захвата носителей и оказывают влияние на время жизни носителей, о котором будет сказано ниже. Во многих случаях глубокие уровни в полупроводниках обусловлены внутренними дефектами, например вакансиями или комплексными дефектами, состоящими из нескольких точечных дефектов (см. табл. 2.3).
Концентрация носителей
Ток в полупроводниках представляет собой перемещение электронов и дырок и содержит дрейфовую и диффузионную составляющие. Дрейфовая составляющая тока пропорциональна концентрации носителей, а диффузионная — наклону пространственного распределения этой концентрации. Следовательно, нужно знать распределение концентрации носителей в кристалле, а для БИС, кроме того, изменение концентрации носителей от температуры и концентрации примеси.
Статистика носителей. Рассмотрим энергетическое распределение носителей в полупроводнике статистическим методом. Пусть Дп— концентрация электронов, обладающих энергией в некотором малом диапазоне Д^. Тогда Дп можно представить в виде произведения плотности состояний N(&) (количества электронов в единице объема на единицу приобретенной энергии) на некоторую функцию распределения К^):
An=N(8)*f(g)AS.(2.18)
Плотность состояний N^) у дна зоны проводимости, лежащей для кремния в т. 2л/а(2/3,0,0), а для GaAs в т. 2л/а (0,0,0) (см. рис. 2.13), имеет вид
Н^-мЛ^-(т%^1*<8-8^.(2.19)
Мс — количество эквивалентных энергетических минимумов в зоне Бриллюэна (для кремния Л1С=6, для GaAs — /). Величина m*dc называется эффективной массой плотности состояний. Она несколько отличается от эффективной массы, приведенной в (2.10), поскольку учитывает анизотропность энергетических зон. Для кремния /n*dC= (m*nim*2nt)1/3=0,33 tn», а для GaAs m*dc=Мп*=0,067 пг». Se — энергия на дне зоны проводимости. Формула (2.19)^ справедлива вблизи дна зоны проводимости только в том случае, если энергия ^ выражается квадратичной зависимостью от импульса к, как в формуле (2.15). При высоких энергиях формула (2.19) несколько видоизменяется. Однако на практике она справедлива, за исключением, например, случая, когда под действием сильного электрического поля электроны с высокой энергией (так называемые «горячие» электроны) инжектируются из гетероперехода.
Функция распределения f(^) для электронов и дырок имеет вид распределения Ферми — Дирака:
/(^«l^+exp^l^E-jj,(2.20)
где к — постоянная Больцмана (1,3806-10~2Э Дж*К-1)» КГ* =24,9 мэВ при Т=300К, 8?— энергия Ферми. С учетом (2.19) и (2.20) проинтегрируем (2.18) в диапазоне энергий от 8й до оо. В результате получим выражение для концентрации электронов п
где
= 2,51.10»Mc.(irry'’.(^)W’, см--,(2.22)
Nc называется эффективной плотностью состояний в зоне проводимости. Для кремния
jVc= 2,83-1 О*9 ^у/2, см-8,(2.22а)
а для GaAs
Nc = 4,16 • 10» ^у7’, см-8.(2.226)
Функция Fi/2(xj) есть интеграл Ферми — Дирака
(2.23)(2.23)С—dx J l + exptx-xj) 0X1 о
(2.23)
(2.23)
который рассчитывается численно и представляется в табличном виде. Для области х$<—1 интеграл Ферми —Дирака можно приближенно упростить до вида Г1/Дхх1«"У$112«ехрХх^. Поэтому для Sc—S^>-kT формула (2.21) имеет вид ‘
п=^с.ехр(—^^). (2.24)
Формула (2.24) эквивалентна выражению, которое получится, если вместо формулы (2.20) в качестве функции распределения использовать распределение Больцмана ехр(—(^— ^р)/
Таким образом, формула (2.24) соответствует концентрации электронов в полупроводнике, у которого энергия (уровень) Ферми лежит в запрещенной зоне и более чем на величину кТ расположен ниже дна зоны проводимости. Такие полупроводники называются невырожденными. При Sc — S^>kT должно выполняться n<0,37 Nc. Поэтому для кремния при л<1,05Х ХЮ19 см-3 (300 К), а для GaAs при л<1,54-1017 см-3 (300 К), используя распределение Больцмана в качестве функции распределения, концентрацию электронов можно выразить формулой (2.24). Если концентрация электронов в полупроводнике превышает указанное значение, то такой полупроводник называется вырожденным. В этом случае для концентрации электронов используется формула (2.21) и п определяется численными расчетами.
Для концентрации дырок в валентной зоне справедливы* аналогичные рассуждения. В формулу (2.19) для N(S) вместо m*dc подставим m%v=(mih*3/2+mhh*3/2)2/3, Afe—1, а вместо (S— Sc) запишем (Sv—S), где Sv — энергия у потолка валентной зоны. Вместо (2.20) в качестве функции распределения для дырок используем выражение [1—/(^)]- Эффективную плотность состояний в валентной зоне, аналогичную выраже-
нию (2.22), обозначим Nv, а вместо m*dc введем m*dV. Поскольку у кремния /n*dv = 0,55 то (ом. табл. 2.2), то
Nv = 1,02• 1019 (^.у/2, см-3.(2.25а)
У Ga As m*dv = 0,47 то, поэтому
^«1,18.10*» (-^-у7’, см-3.(2.256)
Для учета влияния спин-орбитального взаимодействия выражение (2.25 а) следует несколько скорректировать.
Концентрация дырок для невырожденного полупроводника p = NNexp^^-y(2.26)
а для вырожденного полупроводника
Граничная концентрация дырок в невырожденном и вырожденном полупроводниках p-типа определяется аналогично концентрации электронов и составляет для кремния 3,75-1018 см-3 (300 К) и для GaAs 4,34-1018 см"3 (300 К).
Приведенные выкладки соответствуют состоянию термического равновесия, при котором уровни Ферми электронов и дырок совпадают. Поэтому при термическом равновесии, как следует из (2.24) и (2.26), произведение рп — величина постоянная:
рп = NCNV • exp (—-^.(2.28)
Это уравнение представляет собой закон действия масс для электронов и дырок. Оно справедливо при тепловом равновесии как для беспримесных, так и для примесных полупроводников. Если же носители инжектируются в полупроводник извне, например, под действием оптического возбуждения, то условие равновесия нарушается и уравнение (2.28) применять нельзя.
Собственные полупроводники. Полупроводники, в которых совсем нет примесей, называют собственными. В собственных полупроводниках электроны, находящиеся у потолка валентной зоны, под действием тепловой энергии возбуждаются в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне. Поэтому концентрации электронов и дырок одинаковы
n = p = nv(2.29)
nt называется собственной концентрацией носителей.
Из (2.28) следует, что рп=пх2. Поскольку собственные полупроводники являются невырожденными, то из (2.24) и (2.26) получим выражение для уровня Ферми ^f
^p=^r£^ + l^-lnL^\(2.30)
По смыслу уровень Ферми для собственных полупроводников часто обозначают ^i. Из выражения (2.30) ясно, что уровень Ферми для собственных полупроводников расположен вблизи середины запрещенной зоны.
Используя (2.24) и (2.26), получим
п^ = VNcNv exp {—^tl2kT} =
= 2,54.101» (-^СМЛ (2'31)
При комнатной температуре у кремния ni = l,45-1010 см-3, у GaAs Mi = 1,79 -10® см-3.
Влияние примесей. Предположим, что в собственный полупроводник добавлена примесь, например, в кремний добавлены доноры фосфора (Р). Энергия ионизации фосфора мала — 0,012 эВ, поэтому при комнатной температуре все атомы Р ионизированы. Следовательно, концентрация электронов равна концентрации Р. Если температуру понизить, то примесь ионизируется лишь частично и концентрация электронов уменьшится. Это явление называется эффектом вымораживания носителей. Аналогичные процессы происходят и в случае добавления акцепторной примеси. При введении и доноров и акцепторов при комнатной температуре оба типа примеси ионизируются, и количество носителей определяется как разность доноров и акцепторов. Этот эффект называется компенсацией примеси.
Рассмотрим теперь температурную зависимость концентрации электронов в полупроводнике п-типа. Пусть Na— концентрация доноров, ^а — энергетический уровень доноров, Д^ = = (^с — ^d)—энергия ионизации доноров. При тепловом равновесии выполняется условие электронейтральности:
n-N^-Vp,(2.32)
где ^d+ — концентрация ионизированных доноров, п, р— концентрации электронов и дырок соответственно. Если ^F— уровень Ферми, а электроны находятся на донорном уровне, то, с учетом распределения Ферми — Дирака (2.20) концентрация ионизированных доноров имеет вид
Л^-Мф-1 ^+^ехр(-£^)]|.(2.33)
Здесь g— фактор вырождения донорного уровня, который с учетом спина электрона равен 2.
Подставив в (2.32) значения п и р из формул (2.24 и 2.26) для невырожденного полупроводника, получим
^ exp I'^j, j =
= N4-
^Р-^)]'1.! ^ схо/^v™^РhT I ~Hvvexpi kT
Если решить уравнение (2.34) относительно ^Р, то из (2.24) и (2.26) можно определить концентрации пир. При рассмотрении температурной зависимости пир необходимо помнить, что
^20 10
|
§7z7*- X
6 ю,г-| 7^7Л
№
3
^i
(£F)£dic
7
2
.L। т
0,2 0.6 0,6 0.8 1.0
Т входит в (2.34) как в явном виде, так и в косвенном, через Nc, Nv, пропорциональные Т3^. Кроме того, ширина запрещенной зоны #g также зависит от температуры.
Уравнение (2.34) можно ре-
шить численными методами,
од-
Рис. 2.15. График для определения уровня Ферми в зависимости от концентрации примеси (пояснения см. по тексту). Для Si при 300 К, концентрация доноров Nd= «1018 см”8:1 и 2 — соответственно левая и правая части уравнения (2.34); 3 и 4 —первое и второе слагаемые правой части уравнения (2.34).
нако его физический смысл легко и наглядно понятен, если решение представить графическим методом Шокли.
Сначала построим график зависимости n (^f) = Л/Сехр{— (^с— —S^lkTY соответствующий левой части уравнения (2.34), как показано на рис. 2.15. Для этого из (2.30) и (2.31) определим S\ и п\ для собственного полупроводника и нанесем m.Q. Затем из (2.22) определим величину Ne и нанесем ее на вертикаль, соответствующую ^Е=^с Соединив точки Q и Nc прямой линией, получим требуемый график. Рас-
смотрим теперь первое слагаемое в правой части уравнения (2.34). При ^Р—S6<2kT эта величина постоянна и равна N4, при ^Гр»^ равна N4/3, а при ^v=$c равна Л^а[1 + 2 ехр(Д^’а/^Т)]~1, где A^d— энергия ионизации. По этим точкам построим график для первого слагаемого. Второе слагаемое в правой части (2.34) имеет вид р= =N4expV^v—&?)кТ}. Тогда по аналогии с выражением для п в левой части (2.34) можно легко построить прямую QNV. Окон- чательный вид правой части (2.34) отмечен p+N»* на рис. 2.15.
Точка пересечения графика (p+Nd*) с прямой QNe дает искомую величину уровня Ферми Sf. Из графика ясно, что при достаточно больших концентрациях доноров нет необходимости искать второе решение Sf для концентрации дырок р.
Е,3в
ОЛ
0,2а
п ■тип(легиосоание фссфорр».
О
-(72_
' р-тип^лег^дсОамусООрсм),
-ОЛ
Омсм ол 7 10 100 70
-0,0 -РЖРШ, 100
0,1 £у
Рис. 2.16. Температурные зависимости уровня Ферми для Si. Параметр —
■удельное сопротивление Si при комнатной температуре, Ом-см (справа)
Теперь непосредственно по рис. 2.15 проследим за темпера- и уровня Ферми,
турным изменением концентрации носителей
хотя на данном графике это и выглядит недостаточно наглядно. График на рис. 2.15 имеет типичный вид для температур, близких к комнатной. При понижении температуры точки Q, ЛГс и Nv смещаются вниз. Кривая Nd* не изменяется слишком сильно, однако в области ^f, близкой к Sc, она резко понижается. Поэтому указанная точка пересечения смещается вправо, ^F приближается к ^а и концентрация электронов п уменьшается.
При повышении температуры выше комнатной п,\ резко увеличится и станет больше Nd, а т. Q переместится вверх. Если т. Q поднимется выше прямой Nd, то p>Nd и точка
8»!
Область истсщ№ия
Рис. 2.17. Температурные зависимости концентрации носителей для кремния п-типа (легирование фосфором). Параметр — удельное сопротивление кремния при комнатной температуре.
707520
lOOO/TCM-'J
§7О7^
I
70м см
0,7 Ом см
О Ел с ст6 Оммсрс^
<лсиОа/тя нсситслсО
70 Ом см
пересечения прямых QNC и
линии 2 приблизится к т. Q. При этом уровень Ферми Sf приблизится к величине St для собственного полупроводника и концентрация электронов увеличится. В том случае, если темпера-
тура настолько высока, что p^Na, уровень Ферми переместится в т. Q и полупроводник станет собственным, т. е. р«п. Температурные зависимости уровня Ферми и концентрации электронов для кремния при различных удельных сопротивлениях показаны на рис. 2.16 и 2.17. Зависимости рис. 2.17 имеют по три характерных участка: область собственной проводимости, область истощения и область вымораживания носителей.
Для полупроводника p-типа приведенные рассуждения полностью идентичны. Подставляя в (2.33) концентрацию ионизированных акцепторов Л'а, запишем:
^а’=^а{1 ^l+g.exp(-£^)]}, (2.35)
где: Na — концентрация акцепторов, ^Га — энергетический уровень акцепторов, g— фактор вырождения. При & = 0 валентная зона дважды вырождена (см. рис. 2.12). Поэтому с учетом спина g=4.
Условие электронейтральности имеет вид
п+^а- = р. (2.36)
Для компенсированных полупроводников, содержащих как доноры, так и акцепторы, условие электронейтральности выражается формулой
n-VNa-=p-VNd\ (2.37)
С помощью (2.37) можно рассматривать концентрацию как электронов, так и дырок.
До настоящего времени мы полагали, что энергия ионизации примеси не зависит от ее концентрации и является величиной постоянной. В реальных же полупроводниках энергия ионизации уменьшается с увеличением концентрации примеси. Вокруг ионизированных доноров и акцепторов образуется поле кулоновского потенциала, которое притягивает электроны и дырки. Энергия для освобождения носителей из этого поля притяжения есть энергия ионизации. Если атомы примеси расположены достаточно далеко друг от друга, то их энергия ионизации примерно соответствует модели одиночного атома водорода. Если сближать соседние атомы примеси, то в результате их взаимодействия потенциальный барьер между ними будет понижаться, энергия ионизации уменьшится и в пределе станет равной нулю. При этом энергетический уровень примеси в зоне проводимости или в валентной зоне вырождается.
Состояние электрона на орбите вокруг атома примеси, определенное согласно водородоподобной модели, описывается скорректированным радиусом Бора а* = 0,5-1О-8 (е/ео) (/ПоМп*),
см и энергией ионизации Д^а= 13,6-(mn*//no) (ео/е)2, эВ. Здесь е/бо — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Чем меньше эффективная масса тп* электрона, тем больше величина а* и меньше Д^а.
Эмпирически получено, что г!а*«й, где г= (Зл/4Ма)'/3— расстояние между соседними атомами примеси. Теперь понятно, что при увеличении взаимодействия атомов примеси энергия ионизации уменьшается. Этот эффект заметно проявляется для доноров в GaAs, у которых энергия ионизации мала — 6 мэВ. В п-GaAs энергия ионизации равна нулю при п«2х Х1016 см-3. В р-GaAs акцепторы вырождаются при р«(1—5)Х ХЮ18 см-3 и энергия ионизации при этом становится равной нулю. Аналогичные концентрации у кремния составляют: 4,4 X ХЮ18 см-3 для n-типа и (1—5)• 1019 см-3 для р-типа.
Если энергия ионизации равна нулю, область вымораживания носителей, как показано на рис. 2.17, отсутствует и концентрация носителей остается постоянной вплоть до очень низких температур. Поэтому из таких материалов изготавливают полупроводниковые приборы, работающие при температуре жидкого гелия, причем рабочие характеристики, полевых транзисторов из GaAs при такой температуре даже улучшаются.
Перенос носителей
Рассмотрим полупроводник в электрическом поле. Как было изложено в разделе 2.1, электроны у дна зоны проводимости и дырки у потолка валентной зоны ведут себя как свободные электроны и дырки с эффективной массой т*. отличающейся от массы электрона в вакууме. Кроме того, поведение электрона в вакууме и в кристалле сильно различается из-за ряда несовершенств реальных кристаллов, на которых происходит рассеяние электронов. Даже при приложении электрического поля каждый электрон в отдельности перемещается в твердом теле хаотически, однако суммарный поток электронов движется в направлении поля. Такое перемещение электронов называется дрейфом. Схематично дрейф электрона показан на рис. 2.18. В черных точках электрон рассеивается и изменяет направление.
Различают упругое рассеяние, когда изменяется только направление движения (импульс) носителей, а энергия остается неизменной, и неупругое рассеяние, при котором изменяется энергия носителей. В отсутствие электрического поля рассеяние носит случайный характер и направленного перемещения всего электронного потока не происходит. В электрическом поле электроны перемещаются вдоль поля. Скорость их перемещения процорциональна напряженности электрического поля и
является величиной постоянной, в отличие от вакуума, где электроны ускоряются полем. Эта скорость называется дрейфовой. Между дрейфовой скоростью и и напряженностью электрического поля Е существует соотношение:
v = рЕ. (2.38)
Здесь р есть подвижность электронов или дырок. Величина подвижности зависит от материала и несовершенства его кристаллической структуры. Выражение (2.38) справедливо для не очень сильных электрических полей (для Si 3 кВ/см, для GaAs менее 3 кВ/см).
Рис. 2.18. Схематическое изображение рассеяния и дрейфа электрона в полупровод-Рис. 2.18. Схематическое изображение рассеяния и дрейфа электрона в полупровод-Подвижность. Итак, мы установили, что подвижность является наиболее важным параметром при рассмотрении переноса носителей в полупроводниках. Подвижность можно определить как многократное повторение следующего процесса: ускорение носителя электрическим полем, рассеяние, изменение направления движения, повторное ускорение, снова рассеяние и т. д. Следовательно, на величину подвижности оказывают влияние: величина ускорения в промежутках между циклами рассеяния,
Рис. 2.18. Схематическое изображение рассеяния и дрейфа электрона в полупровод-
Рис. 2.18. Схематическое изображение рассеяния и дрейфа электрона в полупровод-
нике.частота циклов рассеяния и величина по
терь составляющей импульса носителя в направлении электрического поля за один цикл рассеяния. Величина ускорения в электрическом поле зависит от эффективной массы носителей. Легкие носители получают большее ускорение. Поэтому чем меньше эффективная масса носителей, тем более высокую подвижность и больший промежуток времени
между двумя циклами рассеяния они имеют.
р=р=дт tn* *дт tn* *(2.39)(2.39)Простейшая формула подвижности имеет вид
р=
р=
дт tn* *
дт tn* *
(2.39)
(2.39)
где т — среднее время свободного пробега между двумя циклами рассеяния, q— заряд электрона. Вообще говоря, т зависит от энергии носителей. Поэтому в слабых электрических полях р— величина постоянная, а в сильных полях кинетическая энергия электронов высока, и проявляется полевая зависимость р. Об этом будет рассказано в разделе 2.4.
Существуют различные механизмы рассеяния носителей. В кристаллах с совершенной структурой решетки, таких как Si и GaAs, основными механизмами являются рассеяние на
колебаниях решетки (фононное рассеяние) и рассеяние на ионах примеси. У кремния основной вклад в колебания решетки вносят акустические фононы, которые соответствуют локальному сжатию и увеличению объема кристалла. При этом происходит модуляция энергии у дна зоны проводимости и у потолка валентной зоны, что вызывает рассеяние электронов. Этот процесс называется рассеянием на потенциале деформации {deformation potential scattering). Как видно на рис. 2.14, акустические фононы при большой длине волны (малое значение волнового вектора) имеют и малую энергию, поэтому рассеяние на них — упругое. В Ga As преобладает рассеяние на полярных оптических фононах (см. разд. 2.2.1). Полярные оптические фононы образуют электрические диполи и обладают сильной связью с заряженными носителями. Поскольку оптические фононы имеют достаточно высокую энергию (для GaAs— 30 мэВ, а для Si — 60 мэВ), то рассеяние на них неупругое. Очевидно, что при понижении температуры рассеяние на колебаниях решетки ослабевает. Поэтому подвижность pi, обусловленная колебаниями решетки, увеличивается при понижении температуры. При рассеянии на акустических фононах щ пропорциональна Г-3/2, а при рассеянии на полярных оптических фононах с ростом температуры pi резко падает. Величина щ определяется типом материала и не зависит от его качества, например, от дефектов кристаллической решетки.
Рассеяние на ионах примеси, которое называют еще рассеянием Резерфорда, определяется кулоновским взаимодействием между заряженными носителями и ионами примеси. При повышении температуры кинетическая энергия носителей возрастает и рассеяние на ионах примеси ослабевает. Поэтому данный механизм рассеяния преобладает только при низких температурах. Подвижность pi, обусловленная рассеянием на ионах примеси, обратно пропорциональна концентрации ионизированной примеси Nt и пропорциональна Т'3/2. Для обычных примесных полупроводников величина ^^ определяется из выражений (2.33) и (2.35) для п- и p-типа соответственно. У компенсированных полупроводников Ni= (М1++Мг).
В случае когда в полупроводнике имеется несколько механизмов рассеяния кроме двух указанных, общая подвижность определяется по формуле
^ = 2иЛ (2.40) t
где S означает суммирование по всем механизмам рассеяния.
Кроме указанных существует еще несколько механизмов рассеяния. Для точного определения температурной зависимости подвижности носителей в реальных полупроводниках необ-
Рис. 2.19. Температурные зависимости подвижности электронов (цп, сплошные линии) и дырок (р.р, пунктирные линии) в Si. Параметр — концентрация электронов (N^ и дырок (М).Рис. 2.19. Температурные зависимости подвижности электронов (цп, сплошные линии) и дырок (р.р, пунктирные линии) в Si. Параметр — концентрация электронов (N^ и дырок (М).
Рис. 2.19. Температурные зависимости подвижности электронов (цп, сплошные линии) и дырок (р.р, пунктирные линии) в Si. Параметр — концентрация электронов (N^ и дырок (М).
Рис. 2.19. Температурные зависимости подвижности электронов (цп, сплошные линии) и дырок (р.р, пунктирные линии) в Si. Параметр — концентрация электронов (N^ и дырок (М).
ходимо знать каждый из этих механизмов рассеяния. Температурные зависимости подвижности для электронов и дырок в Si и GaAs приведены на рис. 2.19 и 2.20 соответственно.
На рис. 2.21 показаны зависимости подвижности от концентрации примеси при комнатной температуре. В кремнии обычно лишь малая часть примеси скомпенсирована, поэтому можно
считать, что горизонтальная ось на рис. 2.21 соответствует концентрации носителей (п или р). В GaAs в большинстве случаев одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси. Поэтому в данном полупроводнике нельзя не учитывать эффект компенсации примеси. При этом необходимо обратить внимание на то, что концентрация носителей в этом случае записывается в виде | Л^а—ЛГа |, а обозначение на горизонтальной оси рис. 2.21 — |Уй+^а|.
Для повышения быстродействия транзисторов для БИС желательно увеличивать подвижность носителей, т. е. в свою очередь уменьшать рассеяние на ионах примеси. Однако, с другой стороны, для транзисторов необ
ходимо иметь достаточно высокую концентрацию электронов, а следовательно, и высокую концентрацию примеси. Поэтому практически трудно избежать рассеяния на ионах примеси и приходится создавать приборы с пониженной подвижностью носителей. Для решения этой проблемы был предложен метод
селективного легирования с использованием гетероперехода GaAs—ALGai-xAs, с помощью которого были разработаны полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ). Метод селективного легирования состоит в следующем. Легирующую примесь вводят только в слой AlxGai-xAs, как показано на рис. 2.22. Электроны, поступающие в кристалл при ио
низации примеси, размещаются вдоль границы гетероперехода со стороны GaAs, поскольку потенциал для электронов у GaAs ниже, чем у AlxGai-xAs. При этом электроны отделяются от ионизированной примеси, что затрудняет их рассеяние на ионах примеси. Поэтому в такой структуре подвижность граничных электронов не уменьшается. Граничные электроны здесь образуют двумерный электронный газ. В данной структуре воз-
никает новое, очень интересное физическое явление. Однако в этом разделе его рассмотрение излишне.
Среднее время свободного пробега т зависит от механизма рассеяния и энергии носителей. Оно изменяется в широких пределах вплоть до 10-13 с. В полупроводниковом приборе после
Рис. 2.20. Температурные зависимости подвижности электронов (цп) и дырок (цР) в GaAs высокой чистоты.Рис. 2.20. Температурные зависимости подвижности электронов (цп) и дырок (цР) в GaAs высокой чистоты.10^10^^г^ "W'5 15” 15s 7/7 ^^ ?5,sТ^снцентдация исниеирс&ммгй примеси, см "5^г^ "W'5 15” 15s 7/7 ^^ ?5,sТ^снцентдация исниеирс&ммгй примеси, см "5Рис. 2.21. Зависимости подвижности электронов и дырок от концентрации ионизированной примеси для Si и GaAs (300 К).Рис. 2.21. Зависимости подвижности электронов и дырок от концентрации ионизированной примеси для Si и GaAs (300 К).
Рис. 2.20. Температурные зависимости подвижности электронов (цп) и дырок (цР) в GaAs высокой чистоты.
Рис. 2.20. Температурные зависимости подвижности электронов (цп) и дырок (цР) в GaAs высокой чистоты.
10^
10^
^г^ "W'5 15” 15s 7/7 ^^ ?5,s
Т^снцентдация исниеирс&ммгй примеси, см "5
^г^ "W'5 15” 15s 7/7 ^^ ?5,s
Т^снцентдация исниеирс&ммгй примеси, см "5
Рис. 2.21. Зависимости подвижности электронов и дырок от концентрации ионизированной примеси для Si и GaAs (300 К).
Рис. 2.21. Зависимости подвижности электронов и дырок от концентрации ионизированной примеси для Si и GaAs (300 К).
приложения электрического поля начинают действовать механизмы рассеяния, и электроны приобретают устойчивое динамическое состояние в этом поле. Однако в связи с развитием
ЭлектроньЭлектронь"0 5 О у У У 0 О S У 0/QaAs"0 5 О у У У 0 О S У 0/QaAs^н^ая^ри^сьн? Иопизированиая/ примесь
Электронь
Электронь
"0 5 О у У У 0 О S У 0/
QaAs
"0 5 О у У У 0 О S У 0/
QaAs
Рис. 2.22. Схема, поясняющая метод селективного легирования. При селективном легировании гетероперехода ALGa^As—GaAs примесные центры и электроны разделяются.
технологии БИС в результате миниатюризации появились полупроводниковые приборы с субмикронными размерами, в которых электроны пролетают расстояние, например от истока до стока полевого транзистора, не подвергаясь существенному рассеянию. В предельном случае электроны, перемещающиеся совсем без рассеяния, называются баллистическими электронами. Более подробно об этом будет изложено ниже (см. раздел 2.4).
Коэффициент диффузии, ххроме дрейфа на механизм протекания тока в полупроводниках оказывает влияние диффузия. На рис. 2.18 показано случайное перемещение носителей под действием тепловой энергии и рассеяния. Если в некотором объеме кристалла появляется градиент концентрации носителей, то возникает сила, стремящаяся уравнять эту концентрацию при хаотичном перемещении носителей. Этот процесс выравнивания концентрации носителей по объему кристалла называется диффузией. Для одномерного случая скорость и<щ перемещения электронов при диффузии выражается:
(2.41)
где Dn — коэффициент диффузии электронов. Для дырок коэффициент диффузии Dp имеет аналогичный вид.
В условиях теплового равновесия подвижность и коэффициент диффузии связаны зависимостью:
Д»“^[1 + °’Ж(^)“9’9,10'^(2.42)
Эта зависимость справедлива для распределения Ферми — Дирака. Поскольку у невырожденных полупроводников n/Ne^, < 1, то для электронов
^^(2.43а)
а для дырок
^“(v)^(2ЛЗб>
Выражение такого вида эквивалентно статистическому распределению Больцмана и называется уравнением Эйнштейна. В сильных электрических полях форма распределения концентрации электронов изменяется, и выражения (2.42), (2.43) уже не действительны.
Уравнения плотности токов и электропроводность. Электрический ток в полупроводниках представляет собой движение носителей под действием дрейфа и диффузии. Для одномерного случая плотности токов электронов (Jn) и дырок (/р) имеют вид
4 = qn ("drift+"dif) = q^nE ^qD^,(2.44a)
4=qp ("drift—"du)=q^pE—q°p -37.(2.446)
Обратите внимание на знак в уравнениях (2.44), Электроны перемещаются в направлении, противоположном электрическо-
му полю, и, кроме того, они имеют отрицательный заряд. Поэтому дрейфовый ток электронов протекает в прямом направлении. Дырки перемещаются в направлении электрического поля и имеют положительный заряд. Следовательно, дрейфовый ток дырок также совпадает с направлением поля. С другой стороны, если диффузионный градиент положительный (концентрация носителей увеличивается слева направо), то носители переме-
Рис. 2.23. Зависимости удельного сопротивления от концентрации примесв (300 К). Сплошные линии — GaAs, пунктирные — Si.Рис. 2.23. Зависимости удельного сопротивления от концентрации примесв (300 К). Сплошные линии — GaAs, пунктирные — Si.
Рис. 2.23. Зависимости удельного сопротивления от концентрации примесв (300 К). Сплошные линии — GaAs, пунктирные — Si.
Рис. 2.23. Зависимости удельного сопротивления от концентрации примесв (300 К). Сплошные линии — GaAs, пунктирные — Si.
(2.45)(2.46а)(2.466)(2.45)(2.46а)(2.466)
(2.45)
(2.46а)
(2.466)
(2.45)
(2.46а)
(2.466)
щаются в отрицательном направлении (справа налево). Поэтому при положительном диффузионном градиенте для отрицательного заряда электронов диффузионный ток протекает в прямом направлении, а для положительного заряда дырок—в обратном.
Электропроводность о для однородного полупроводника определяется уравнением:
«^«/(М+Нрр).
Для полупроводника n-типа п">р и <Jn=W.
а в полупроводнике p-типа р>п, поэтому ^р = 7ИрР-
Удельное сопротивление обратно пропорционально электропроводности о. На рис. 2.23 показаны зависимости удельного сопротивления кремния и GaAs от концентрации примеси.
Генерация и рекомбинация носителей
Межзонная рекомбинация и генерация
До этого раздела мы в основном рассматривали состояние теплового равновесия в полупроводнике. Теперь рассмотрим случаи отклонения от этого состояния. Предположим, что в результате
оптического возбуждения или концентрация стала больше р равновесную концентрациюоптического возбуждения или концентрация стала больше р равновесную концентрациюРис. 2.24. Типы межзонной рекомбинации. а — излучательная рекомбинация, б — Оже-рекомбинация, в —рекомбинация с испусканием нескольких фононов.Рис. 2.24. Типы межзонной рекомбинации. а — излучательная рекомбинация, б — Оже-рекомбинация, в —рекомбинация с испусканием нескольких фононов.ешней инжекции носителей их ювесной (ри>п12). Обозначим жителей индексом «О» (п0, Ро). Величины отклонений концентраций носителей от равновесного состояния Дп=(п—Ло), Др= (р—ро) называются избыточными (или неравновесными) концентрациями электронов и дырок соответственно. При взаимной рекомбинации неравновесных носителей их состояние возвращается к тепловому равновесию. Существуют два вида рекомбинации: прямая межзонная рекомбинация и рекомбинация через
оптического возбуждения или концентрация стала больше р равновесную концентрацию
оптического возбуждения или концентрация стала больше р равновесную концентрацию
Рис. 2.24. Типы межзонной рекомбинации. а — излучательная рекомбинация, б — Оже-рекомбинация, в —рекомбинация с испусканием нескольких фононов.
Рис. 2.24. Типы межзонной рекомбинации. а — излучательная рекомбинация, б — Оже-рекомбинация, в —рекомбинация с испусканием нескольких фононов.
уровни дефектов.
На рис. 2.24 показаны типы межзонной рекомбинации. При межзонной рекомбинации электрона и дырки происходит испускание энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны. Эта энергия может испускаться в виде кванта света (рис. 2.24, а), затрачиваться на образование другого свободного носителя (рис. 2.24,6) или возбуждать фононы (рис. 2.24,в). Тип рекомбинации, изображенный на рис. 2.'24, а, называется, излучательной рекомбинацией, а остальные два — безызлучательными. Рекомбинация с образованием свободного носителя (рис. 2.24, б) называется Оже-рекомбинацией.
Вероятность излучательной рекомбинации зависит от структуры энергетических зон полупроводника. Наибольшую вероятность излучательной рекомбинации имеют полупроводники с прямыми переходами, такие как GaAs, в то время как у полу
проводников с непрямыми переходами эта вероятность мала. Поскольку при Оже-рекомбинации передача энергии осуществляется путем кулоновского взаимодействия между электронами или дырками, то этот процесс приобретает значимость при высокой концентрации носителей. Что касается третьего типа рекомбинации с возбуждением фононов, то для его осуществле-
ния необходимо, чтобы относительно большая энергия, соответствующая ширине запрещенной зоны, передавалась сразу нескольким фононам, а вероятность такого процесса достаточно мала. Следовательно, полупроводники с непрямыми переходами (Si) имеют малую вероятность рекомбинации и большое время жизни неравновесных носителей. Однако в действительности рекомбинация в кремнии происходит в основном через уровни дефектов, о чем будет сказано ниже. Основным механизмом рекомбинации в GaAs является излучательная рекомбинация, и время жизни носителей в этом материале мало.
При рассмотрении процесса рекомбинации необходимо обратить внимание на то, что вероятность рекомбинации зависит от концентрации как избыточных электронов, так и дырок и не зависит от характерных свойств материала. Так, например, при наличии в полупроводнике только электронов (или только дырок) вероятность рекомбинации крайне мала. В приборах с зарядовой связью (ПЗС) при выполнении этого условия появляется возможность накопления заряда за большой промежуток времени. С другой стороны, например, в полупроводниковых лазерах вероятность излучательной рекомбинации увеличивают за счет повышения концентрации как электронов, так и дырок в узкой области структуры.
Если концентрация носителей станет меньше равновесной величины (pn<«i2), то возникает процесс генерации носителей, который продолжается до восстановления состояния теплового равновесия. Генерацию носителей можно объяснить как процесс, обратный трем описанным типам рекомбинации. А именно: а — генерация носителей с поглощением кванта света; б — ударная ионизация с образованием электронно-дырочной пары в результате столкновения с носителем, обладающим высокой энергией (см. раздел 2.4); в — генерация носителей под действием теплового возбуждения.
Рекомбинация и генерация на уровнях дефектов. Ряд примесей, например золото (Au) в кремнии или хром (Сг) в GaAs, образует в запрещенной зоне полупроводников глубокие энергетические уровни, обладающие большой энергией ионизации. Кроме того, глубокие уровни образуются вакансиями и комплексными точечными дефектами, состоящими, например, из вакансий и примесных атомов. Эти глубокие уровни являются центрами рекомбинации и генерации носителей. Взаимодействие между глубоким уровнем (ловушкой), зоной проводимости и валентной зоной бывает четырех типов, как показано на рис. 2.25. Процесс а означает испускание электрона в зону проводимости, б — захват электрона, в — захват дырки (переход электрона в валентную зону), г — испускание дырки (захват электрона из ва-
гдегдеЗона проЗо-''"ЭимостиГлу^лнийурЛЛЛНЬЗона проЗо-''"ЭимостиГлу^лнийурЛЛЛНЬ^лллл/плая — зляа^лллл/плая — зляаа- S SaРис. 2.25. Типы рекомбинации электронов и дырок на глубоких локальных уровнях, а — испускание электрона; б— захват электрона; в — захват дырок; г — испускание дырки.а- S SaРис. 2.25. Типы рекомбинации электронов и дырок на глубоких локальных уровнях, а — испускание электрона; б— захват электрона; в — захват дырок; г — испускание дырки.nt в n, exp V(St—S^lkTV(2.48a)Pi=pt exp [—(A—<S*tWA >(2.486)Vpo=(SpVp^t)(2.49a)^^(s^a-1.(2.496)nt в n, exp V(St—S^lkTV(2.48a)Pi=pt exp [—(A—<S*tWA >(2.486)Vpo=(SpVp^t)(2.49a)^^(s^a-1.(2.496)п <2 471Тр0 (П + П1) 4" ТП0 (Р + 01) ’п <2 471Тр0 (П + П1) 4" ТП0 (Р + 01) ’Глубокий уровень имеет следующие параметры: ^ — энергетический уровень, Nt— концентрация, Sn, Sp — сечения захва-Глубокий уровень имеет следующие параметры: ^ — энергетический уровень, Nt— концентрация, Sn, Sp — сечения захва-
где
где
Зона проЗо-
''"Эимости
Глу^лний
урЛЛЛНЬ
Зона проЗо-
''"Эимости
Глу^лний
урЛЛЛНЬ
^лллл/плая — зляа
^лллл/плая — зляа
а- S Sa
Рис. 2.25. Типы рекомбинации электронов и дырок на глубоких локальных уровнях, а — испускание электрона; б— захват электрона; в — захват дырок; г — испускание дырки.
а- S Sa
Рис. 2.25. Типы рекомбинации электронов и дырок на глубоких локальных уровнях, а — испускание электрона; б— захват электрона; в — захват дырок; г — испускание дырки.
nt в n, exp V(St—S^lkTV
(2.48a)
Pi=pt exp [—(A—<S*tWA >
(2.486)
Vpo=(SpVp^t)
(2.49a)
^^(s^a-1.
(2.496)
nt в n, exp V(St—S^lkTV
(2.48a)
Pi=pt exp [—(A—<S*tWA >
(2.486)
Vpo=(SpVp^t)
(2.49a)
^^(s^a-1.
(2.496)
п <2 471
Тр0 (П + П1) 4" ТП0 (Р + 01) ’
п <2 471
Тр0 (П + П1) 4" ТП0 (Р + 01) ’
Глубокий уровень имеет следующие параметры: ^ — энергетический уровень, Nt— концентрация, Sn, Sp — сечения захва-
Глубокий уровень имеет следующие параметры: ^ — энергетический уровень, Nt— концентрация, Sn, Sp — сечения захва-
лентной зоны). В соответствии со статистикой Шокли — Рида — Холла генерация и рекомбинация носителей определяется путем решения так называемого скоростного уравнения, учитывающего эти четыре процесса. Подробное изложение этого вопроса приведено в специальных работах. Здесь же запишем лишь результат— соотношение для генерации и рекомбинации носителей в единице объема за единицу времени
та электронов и дырок соот- ветственно. Величины ni, pt согласно (2.48) характеризуют концентрацию носителей на глубоких уровнях и существенно зависят от положения энергетического уровня St. Vn, Up — тепловые скорости электронов и дырок, равные ^кЦт*, (т* — эффективная масса), тро, тпо—параметры, на величину которых значительно влияет природа глубоких уровней. Если pn>nv\ то величина U в формуле (2.47)
положительна и отражает процесс рекомбинации. Если рп<п?, то U отрицательна и соответствует генерации носителей. Иными словами, при избытке носителей глубокие уровни являются центрами рекомбинации, а при недостатке носителей — центрами генерации.
Если глубокий уровень взаимодействует только с зоной проводимости или только с валентной зоной, то Sp=0 или Sn=0 и U—>0. То есть в этом случае глубокий уровень не является центром генерации —рекомбинации. При этом осуществляется только один из четырех процессов, изображенных на рис. 2.25, и глубокий уровень взаимодействует с носителями как центр1 захвата или как центр прилипания (многократного захвата и
испускания носителей). Поэтому такие глубокие уровни называ- отся ловушками.
Как следует из (2.47) при nx=pi, т. е. глубокий уровень расположен вблизи середины запрещенной зоны (^^i), вели- ■шна U становится максимальной. В таком положении глубокие уровни являются наиболее эффективными центрами генерации — рекомбинации.
Время жизни неравновесных носителей. Введем понятие времени жизни неравновесных носителей заряда. Пусть в полупроводнике под влиянием какого-либо внешнего воздействия существуют неравновесные носители заряда. При снятии этого внешнего воздействия концентрация неравновесных носителей возвращается к равновесному состоянию. Коэффициент, характеризующий изменение концентрации неравновесных носителей во времени, пропорционален величине этой концентрации, а величина обратная данному коэффициенту пропорциональности, называется временем жизни неравновесных носителей. Другими словами, время жизни есть средний промежуток времени от момента генерации неравновесных носителей до их исчезновения в результате рекомбинации.
Рассмотрим случай межзонной рекомбинации. Пусть Дп, Др — концентрации неравновесных электронов и дырок соответственно. При выполнении условия электронейтральности ^п=^р. Поскольку при межзонной рекомбинации уменьшение электронов равно уменьшению дырок, то в этом случае времена жизни электронов и дырок также одинаковы. Поэтому выражение для межзонной рекомбинации носителей принимает вид
" Я = у(рп—п^. (2.50)
у — коэффициент, определяемый структурой энергетических зон полупроводника. У GaAs у=Ю~9^10-10 см3/с. У кремния величина у крайне мала и экспериментально не определена. Если концентрация избыточных носителей много меньше концентрации равновесных носителей (низкий уровень инжекции), т. е. Дп=ЛрСПо+Ро> то
R = -Т ( = —^ ) = f <"о+Ро) An. (2.51)
Отсюда получим, что Дл = Дл°ехр{—^nHrpo)t\ где Дп° — вели
чина Д/г при / = 0. Поэтому времячина Д/г при / = 0. Поэтому времяРис. 2.26. Зависимость времени жизни т (в логарифмическом масштабе) от положения уровня Ферми ^f.Рис. 2.26. Зависимость времени жизни т (в логарифмическом масштабе) от положения уровня Ферми ^f.жизни т выражается
чина Д/г при / = 0. Поэтому время
чина Д/г при / = 0. Поэтому время
Рис. 2.26. Зависимость времени жизни т (в логарифмическом масштабе) от положения уровня Ферми ^f.
Рис. 2.26. Зависимость времени жизни т (в логарифмическом масштабе) от положения уровня Ферми ^f.
T-lY^o+Po)!"1. (2.52)
Из (2.52) следует, что при межзонной рекомбинации время жизни определяется концентрацией основных носителей.
Теперь рассмотрим время жизни носителей при рекомбинации через глубокие уровни. Для этого воспользуемся величиной U из (2.47). Поскольку в числителе и знаменателе этого выражения содержатся величины п и р, то,, вообще говоря, его анализ достаточно сложен. Возьмем наиболее простой и практически реализуемый, случай, когда условие электронейтральности выполняется при малом)
уровне инжекции, т. е. Дп = = Др<С«о+ро- Тогда из (2.47) получим
у _ _ dAn dAp \ =(п0 + Ро) Ап(2 53)
dt \ dt ) Трр (п0 4- п^ + тпо (рр + pt) '^ ‘ 7
Отсюда время жизни т равно
(2.54)(2.54) (n0 + nJ . (р0 -}- Pi) _(По4-Ро) 1,0("о4-Ро) Тп0‘
(2.54)
(2.54)
Величины Тро, Тпо определяются свойствами глубоких уровней в. соответствии с выражениями (2.49). Величина т зависит от значений «о, Ро, а следовательно, и от положения уровня Ферми. Зависимость времени жизни т от уровня Ферми ^р в соответствии с формулой (2.54) показана на рис. 2.26. Для полупроводников n-типа т=тРо. Здесь следует обратить внимание на то, что уменьшение количества неравновесных носителей определяется процессом уменьшения неосновных носителей заряда. Аналогичный вывод справедлив и для полупроводников р-типа.
Полупроводники в сильных электрических полях
В разделе 2.2 мы рассматривали полупроводники в слабых электрических полях, когда подвижность носителей постоянна. По мере миниатюризации полупроводниковых элементов СБИС
возникает необходимость приложения напряжения, например, 5В к области протяженностью всего 1 мкм. Средняя напряженность электрического поля в этой области достигает 50 кВ/см. При этом подвижность уже не остается постоянной, поскольку происходит насыщение дрейфовой скорости носителей. Кроме того, в сильных электрических полях возникает явление пробоя, т. е. резкого увеличения тока в полупроводнике. Ниже рассмотрены основные явления в полупроводниках, возникающие в сильных электрических полях.
Насыщение дрейфовой скорости и отрицательная дифференциальная подвижность носителей. При увеличении напряженности электрического поля кинетическая энергия носителей увеличивается. В слабых электрических полях происходит в основном упругое рассеяние носителей на ионах примеси и на длинноволновых акустических фононах. При упругом рассеянии потери энергии носителей не происходит. По мере увеличения кинетической энергии повышается вероятность неупругого рассеяния на оптических фононах. В кремнии, например, при испускании одного оптического фонона электрон теряет энергию около 60 мэВ. Кинетическая энергия носителей, приобретенная в электрическом поле, в результате испускания оптических фононов передается кристаллической решетке. В стационарном состоянии прирост приобретенной носителями энергии уравновешивается ее уменьшением за счет передачи решетке. Если кинетическая энергия носителей становится больше тепловой энергии решетки кристалла, то такие носители называются горячими электронами (или дырками). Функция распределения горячих электронов отличается от функции распределения Максвелла— Больцмана (или распределения Ферми — Дирака).Однако, если в результате интенсивных электрон-электронных столкновений в кристалле происходит быстрое выравнивание энергий между электронами, то можно воспользоваться формулой распределения Максвелла — Больцмана, подставив в нее эффективную температуру электронов Те, которая превышает температуру кристаллической решетки.
Кроме энергетических потерь при рассеянии происходят потери импульсов носителей и их подвижность уменьшается. Поэтому дрейфовая скорость носителей становится уже непропорциональной напряженности электрического поля и проявляет тенденцию к насыщению. Зависимости дрейфовых скоростей электронов и дырок в кремнии, а также электронов в GaAs от напряженности электрического поля приведены на рис. 2.27. Подвижность электронов начинает уменьшаться при напряженности 3 кВ/см, а при 50 кВ/см дрейфовая скорость становится постоянной, равной ~107 см/с. Эта величина называется дрейфовой скоростью насыщения. Подвижность дырок посте-
пенно уменьшается, начиная с напряженности около 10 кВ/см, а дрейфовая скорость дырок входит в насыщение при поле свыше 100 кВ/см. Поскольку эффективная масса дырок больше, чем у электронов, то и поле, при котором наступает насыщение, у дырок выше. Зависимость между дрейфовой скоростью и электрическим полем для электронов и дырок в кремнии, изо-
Рис. 2.27. Зависимости дрейфовых скоростей электронов и дырок в Si и электронов в GaAs от напряженности электрического поля.
браженную на рис. 2.27, удобно аппроксимировать следующей формулой:
о -itEfl I ( N° Ш №W I I (Е\У
°п,р — Но^ Nd/S + N jllfM + fj^B )1
Здесь рю, S, N, A, F, В — постоянные параметры, значения которых для электронов и дырок приведены в таблице 2.4 (экспериментальные данные); размерность напряженности электрического поля Е—В/см; ND — концентрация примеси. Формула (2.55) учитывает влияние примесного рассеяния и ее удобно использовать для анализа характеристик приборов при расчетах на ЭВМ.
Таблица 2.4
Параметры, определяющие дрейфовую скорость электронов и дырок в кремнии
Цо, см2/В-с
N, ыбг*
S
А, В/см
F
В, В/см
Электроны
1400
3-1016
350
3,5-103
8,8
7,4* Ю8
Дырки
480
4-1016
81
6,1-103
1,6
2,5-10
Поскольку в сильных электрических полях носители обладают высокой кинетической энергией, то кулоновское рассеяние
на ионах примеси становится неэффективным. Отсюда дрейфовая скорость насыщения, показанная на рис. 2.27, почти не зависит от концентрации примеси.
У GaAs увеличение энергии электронов, расположенных вблизи т. Г зоны проводимости (окрестности точки называют долинами), приводит к их перемещению в L-долину, энергетически удаленную от Г-долины на 0,284 эВ (см. рис. 2.12,6). Поскольку в L-долине электроны имеют большую эффективную массу и малую подвижность, то по мере увеличения концентрации электронов в L-долине средняя дрейфовая скорость электронов по всему объему кристалла уменьшается. Этот случай также представлен на рис. 2.27. Дифференциальная подвижность электронов ( = йи(йЕ) становится отрицательной при Е"> >3 кВ/см. Это явление называется эффектом переноса электронов, или эффектом Ганна. Отрицательная дифференциальная подвижность в полупроводниках используется при создании твердотельных генераторов СВЧ-диапазона.
Зависимость между дрейфовой скоростью электронов в GaAs и напряженностью электрического поля Е аппроксимируется формулой
„ Ро£ + М£/£о)4Ц-(£/£о)4 •
Значения параметров цо, fs, Ео для п-GaAs высокой чистоты приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5
Параметры, определяющие дрейфовую скорость электронов в n-GaAs
Цо, см2/В-с
us, см/с
Ео, В/см
8000
8,5-10в
4000
Дрейфовая скорость насыщения у электронов в GaAs и кремнии почти не изменяется, причем в электрических полях 0~30 кВ/см дрейфовая скорость электронов в GaAs выше, чем в кремнии. Поэтому GaAs пригоден для изготовления быстродействующих БИС.
Электрический пробой в полупроводниках. При дальнейшем повышении электрического поля концентрация носителей резко увеличивается, т. е. возникает пробой в полупроводнике. Существуют два вида пробоя. Одним из них является пробой Зенера, при котором электроны вытягиваются из валентной зоны в зо-
ну проводимости под действием туннельного эффекта. При другом виде пробоя носители с высокой энергией сталкиваются с атомами и передают им часть своей энергии. При этом происходит ударная ионизация атомов — возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости. В результате обоих видов пробоя возникают электронно-дырочные пары.
В очень чистых полупроводниках с малой концентрацией электронов и в диэлектриках сначала возникает зенеровский пробой. Возникающие при этом носители осуществляют затем ударную ионизацию. В приборах СБИС всегда имеется определенное количество носителей. Поэтому в них превалирует пробой под действием ударной ионизации. Для различения обоих .видов пробоя обычно исследуют их температурные зависимости. Напряжение пробоя Зенера не зависит от температуры. Во втором случае повышение температуры приводит к уменьшению подвижности и снижению энергии, получаемой электронами в электрическом поле. Вероятность ударной ионизации при этом уменьшается. Поэтому напряжение пробоя при ударной ионизации увеличивается при повышении температуры.
Электрический пробой, вообще говоря, процесс обратимый, т. е. после снятия электрического поля характеристики полупроводника возвращаются в исходное состояние. Однако если увеличивать напряженность выше некоторой величины, то электронно-дырочные пары, образовавшиеся при ударной ионизации, будут проводить последующие циклы ударной ионизации и количество носителей будет лавинно увеличиваться. Этот процесс называют электронным лавинным пробоем. Если ток не ограничен внешней схемой электрического питания, то он мгновенно увеличивается. В результате повышения температуры возникает множество дефектов и полупроводник расплавляется, т. е. происходит его необратимое разрушение. В большинстве случаев из-за неоднородности полупроводников возникает локальная концентрация тока, что приводит к локальному повышению плотности тока и температуры в некоторой области. Образуется так называемая «горячая точка». В биполярных транзисторах часто наблюдается пробой с образованием таких «горячих точек», называемый вторичным пробоем.
Дадим количественную оценку ударной ионизации. Величина G, характеризующая генерацию электронно-дырочных пар при соударении электронов с атомами, имеет вид
G = annon-V-appVy. (2.57)
Здесь ап, аР— коэффициенты ионизации электронов и дырок, которые соответствуют количеству электронно-дырочных пар, возникающих при пробеге одним носителем единицы длины. Поскольку G есть количество электронно-дырочных пар, возни-
кающих в единице объема за единицу времени, то а имеет размерность [см-1]. Коэффициенты ап, аР сильно зависят от электрического поля. Их значения определяются экспериментально по измерениям фототока обратносмещенного рп-перехода и несколько различаются у разных авторов. На рис. 2.28 представлены
наиболее достоверные данные. Для дырок в кремнии и GaAs коэффициенты ар почти одинаковы. Зависимость ап и аР от напряженности электрического поля аналитически представляется следующим образом
а = ехР (। L (2.58)
^\qE (1 + qE/Fr) + FkTV
где Е— напряженность электрического поля, ^— эффективная энергия ионизации, FkT, FT, Fi — силы, которые необходимы для преодоления процесса торможения носителей за счет рассеяния. Они по отдельности соответствуют рассеянию на акустических фононах, оптических фононах и на ионах примеси. Значения этих параметров для кремния приведены в таблице 2.6.
Аномальное увеличение скорости носителей. Размеры отдельных элементов СБИС очень малы. Уже выпускаются приборы с элементами субмикронных
Рис. 2.28. Зависимости коэффициента ионизации электронов (сплошные линии) и дырок (пунктирные линии) в Si и GaAs. (Экспериментальные данные). Для GaAs приведена также зависимость от кристаллографического направления.Рис. 2.28. Зависимости коэффициента ионизации электронов (сплошные линии) и дырок (пунктирные линии) в Si и GaAs. (Экспериментальные данные). Для GaAs приведена также зависимость от кристаллографического направления.размеров (менее 1 мкм). Достаточно
Рис. 2.28. Зависимости коэффициента ионизации электронов (сплошные линии) и дырок (пунктирные линии) в Si и GaAs. (Экспериментальные данные). Для GaAs приведена также зависимость от кристаллографического направления.
Рис. 2.28. Зависимости коэффициента ионизации электронов (сплошные линии) и дырок (пунктирные линии) в Si и GaAs. (Экспериментальные данные). Для GaAs приведена также зависимость от кристаллографического направления.
часто в таких приборах энергия, приобретаемая электронами под действием электрического поля, нс передается решетке, и электроны пролетают между электродами без нсупругого рассеяния. Аналогично нс изменяется и импульс электронов. Это неизбежно приводит к аномальному поведению электронов, ко-
Таблица 2.6
Параметры, характеризующие коэффициент ионизации в кремнии согласно (2.58)
Электроны
Дырки
^ь эВ
3,6
5,0
Fb эВ/см
1,954-105
5,091-10»
Fr, эВ/см
1,069-105
1,11010s
FKI, эВ/см
1,357-104
1.545-104
торое выражается в том, что дрейфовая скорость электронов существенно превышает ее значение в обычном состоянии, отраженном на рис. 2.27, т. е. происходит аномальное увеличение скорости. Это явление широко используется для увеличения быстродействия приборов. Таким образом, при крайне малых размерах приборов рассеяние происходит редко, и ускорение электронов в электрическом поле осуществляется с сохранением их импульса. Это явление называется баллистическим переносом носителей.
В настоящее время в реальных полупроводниках явление аномальной электропроводности электронов теоретически исследуется, например, методом Монте-Карло. Проводятся также некоторые экспериментальные исследования. Однако достаточно достоверных численных результатов для кремния и GaAs пока нс получено, поскольку процесс баллистического переноса происходит крайне быстро, за время менее 10-12 с. Следует отметить, что у GaAs время достижения устойчивого состояния в пространстве импульсов больше, чем у кремния. Поэтому эффект аномального увеличения скорости носителей легче исследовать в GaAs.
Основные уравнения для анализа работы полупроводниковых приборов
Итак, мы рассмотрели различные электрические свойства однородных полупроводников. Для вывода характеристик полупроводниковых приборов, например транзисторов, используемых в СБИС, нам необходимо получить численные выражения для этих свойств. Ниже приводятся основные уравнения, необходимые для анализа характеристик полупроводниковых приборов. -•
Наиболее важными являются уравнения Максвелла. Поскольку в большинстве случаев полупроводниковые приборы работают без приложения магнитного поля, то среди уравнений Максвелла основным является уравнение Пуассона:
V-D = p(x, у, г), (2.59)
D = eE, (2.60)
где D — диэлектрическая индукция, р — плотность электрического заряда, Е — напряженность электрического поля, е — диэлектрическая проницаемость.
Еще одним важным уравнением является уравнение непрерывности токов. Как было показано в этой главе, в полупроводниках для плотностей токов Jn, JP электронов и дырок выполняются соотношения:
Jn = Wn'tE + ^nV-n,
(2.61)
Jp = WpPE—<?DpV-p.
Полная плотность тока Jtot, включая и случай, когда диэлектрическая индукция меняется во времени, имеет вид
Jtot = Jn+Jp+-^-.(2.62)
Здесь Jcond= (Jn+Jp) —ток проводимости, a dDfdt— ток смещения. Из условия непрерывности тока для электронов и дырок получим следующие уравнения:
ИГ ~^п ^п"^ 7v'Jn*
(2.63)
= Gp ир — V • Jp.
Величины Gn, Gp определяют генерацию свободных носителей (электронов и дырок), a Un, Up — их рекомбинацию. Характер Gn, Gp зависит от формы внешнего воздействия, например освещение светом, ударная ионизация.
Величины Un, Up при малых уровнях инжекции описываются соотношениями (2.51), (2.52) и (2.53), (2.54) с использованием постоянной времени рекомбинации т (см. раздел 2.3). Если рекомбинация электронов и дырок происходит в соотношении 1:1 (отсутствует захват носителей ловушками), то Un = Up.
Кроме этих уравнений в реальных приборах необходимо знать граничные условия. Если размеры прибора превышают несколько микрометров, то достаточно решить уравнения для одномерного случая. Если же размеры малы, то на характеристики приборов оказывает влияние объемная форма структуры, и появляется необходимость двумерного и трехмерного анализа. Для этих случаев существуют и успешно развиваются методы двумерного и трехмерного численного анализа на ЭВМ.
3
Полупроводниковыеприборы
СБИС представляет собой электронную схему, обладающую определенными функциональными возможностями (например, логическими вычислениями и памятью). Транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы СБИС изготавливаются из монокристалла кремния или GaAs, а электрические соединения между ними— из тонкой пленки металла или силицида — химического соединения кремния с металлом (молибденом, вольфрамом и др.). Основными элементами СБИС являются транзисторы и диоды, имеющие общее название — полупроводниковые приборы.
В настоящее время в качестве основных полупроводниковых приборов в кремниевых СБИС широко используются биполярные и полевые (МОП) транзисторы. БИСна арсениде галлия пока еще не достигли стадии промышленного производства, однако сейчас широко используются дискретные арсенид-галлиевые полевые транзисторы с затвором Шоттки. Знание основ физики полупроводниковых приборов необходимо не только для изучения принципов проектирования и технологии изготовления СБИС, но и для понимания того, как путем оптимального управления электронами в полупроводниковом кристалле получить необходимые нам характеристики приборов.
Современная микроэлектроника является наиболее ярким примером того, как взаимосвязь и постепенное слияние науки и технологии привнесли в нашу повседневную жизнь большие перемены, которые мы называем информационной средой.
В этой главе сначала излагаются характеристики контакта «металл — полупроводник» и рп-перехода, которые являются основой полупроводниковых приборов. Далее рассмотрены структура, принцип работы и характеристики трехэлектродных приборов: биполярных транзисторов, полевых МОП-транзисторов и полевых транзисторов с затвором Шоттки. Материал
представлен с ориентацией на использование этих приборов в цифровых интегральных схемах, а стиль изложения позволяет легко понять природу физических процессов, происходящих в приборах.
Контакт «металл — полупроводник» и рп-переход
Если поверхность полупроводника очистить, например, химическим травлением, а затем нанести на нее металлическую пленку, например, методом вакуумного напыления, то мы получим контакт «металл — полупроводник». При использовании в качестве полупроводника кремния или GaAs вольт-амперная характеристика такой структуры имеет выпрямляющий вид, т. е. при одной полярности приложенного напряжения через структуру протекает электрический ток, а при другой полярности тока почти нет. Такой контакт «металл — полупроводник» называется контактом Шоттки. С другой стороны, если изготовить контакт «металл — полупроводник», у которого поверхность кремния или GaAs специально обработана методом шероховатой шлифовки, то ток через такую структуру пропорционален приложенному напряжению любой полярности. Такой контакт называется омическим. Оба типа контакта «металл — полупроводник» широко используются в СБИС.
Контакт Шоттки
Контант ШотткиКонтант ШотткиОмический кпмггакгпОмический кпмггакгпВольт-амперная характеристика. Рассмотрим контакт Шоттки типа Si—Al, полученный напылением алюминия на кремний n-типа. При приложении напряжения к структуре, изображенной на рис. 3.1, вольт-амперная характеристика имеет вид, показанный на рис. 3.2. При положительном напряжении на алю-
Контант Шоттки
Контант Шоттки
Омический кпмггакгп
Омический кпмггакгп
Рис. 3.1. Контакт Шоттки Si—А1.
миниевом электроде ток увеличивается от напряжения по экспоненциальной зависимости. При отрицательной полярности напряжения через структуру протекает крайне малый постоянный по величине ток, не зависящий от напряжения. Направле-
Металл ЛолупрововнинМеталл Лолупрововнинние протекания большой величины тока называется прямым, а противоположное направление — обратным. Аналогично различают прямое и обратное
Металл Лолупрововнин
Металл Лолупрововнин
Аw/M;Аw/M;W 1 е2._.1flУровень Ферми’ЛР7Р777Р77777777777777лЛч а. 2W 1 е2._.1flУровень Ферми’ЛР7Р777Р77777777777777лЛч а. 20000?1^1?1^1электрическое смещение по напряжению.
Аw/M;
Аw/M;
W 1 е
2._.1fl
Уровень Ферми
’ЛР7Р777Р77777777777777лЛч а. 2
W 1 е
2._.1fl
Уровень Ферми
’ЛР7Р777Р77777777777777лЛч а. 2
00
00
?1^1
?1^1
На графике рис. 3.2 прямое и обратное направления представлены в различных масштабах осей. Ток в обратном направлении меньше 1 нА и на несколько порядков меньше тока в прямом направлении, т. е. электрическое сопротивление структуры в обратном направлении очень высоко.
т08т08ГV6ГV6Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма контакта Шоттки: а — смещение отсутствует: (1—зона проводимости; 2 — валентная зона); б — обратное смещение; в — прямое смещение.Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма контакта Шоттки: а — смещение отсутствует: (1—зона проводимости; 2 — валентная зона); б — обратное смещение; в — прямое смещение.Рассмотрим механизм выпрямления тока в такой структуре. Для этого воспользуемся энергетической диаграммой контакта Шоттки. На диаграмме изобразим уровни энергии дна зоны проводимо-
т
08
т
08
ГV
6
ГV
6
Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма контакта Шоттки: а — смещение отсутствует: (1—зона проводимости; 2 — валентная зона); б — обратное смещение; в — прямое смещение.
Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма контакта Шоттки: а — смещение отсутствует: (1—зона проводимости; 2 — валентная зона); б — обратное смещение; в — прямое смещение.
сти и потолка валентной зоны полупроводника, о которых говорилось в гл. 2. Обозначим также уровень Ферми полупроводника и электростатический потенциал. Для преобра
зования электростатического потенциала в энергию возьмем величину заряда электрона ^=1,6-10-19 Кл с положительным знаком. Если измерять потенциал в вольтах (В), а энергию в электрон-вольтах (эВ), то численные значения этих величин используются без изменений.
Энергетическая диаграмма контакта Шоттки между металлом и полупроводником представлена на рис. 3.3. В состоянии теплового равновесия (напряжение смещения V равно нулю) уровень Ферми в металле и полупроводнике совпадает. Электроны перемещаются из полупроводника в металл, вблизи границы раздела с металлом в полупроводнике образуется область, обедненная электронами, и возникает падение напряжения Уь. Это напряжение называется встроенным потенциалом. Между
Таблица 3.1
Барьеры Шоттки (0В) и эффективные постоянные Ричардсона (Л*) для Si и GaAs
n-Si p-Si п-GaAs
0,6—0,8 252
0,4—0,679
^0,88,2 (низкая напряженность электри
ческого поля)
144 (высокая напряженность элект
р-GaAs
рического поля)
~0,674
Ф^ эВ
A*. Ыы№
уровнем Ферми в металле и энергией дна зоны проводимости полупроводника на границе раздела металл — полупроводник возникает энергетический барьер Фв. Этот барьер, препятствующий перемещению электронов из металла в полупроводник, называется барьером Шоттки. Величина Фв определяется сочетанием металла и полупроводника. В настоящее время еще не до конца выяснен физический механизм возникновения барьера Шоттки. Для кремния и GaAs величина Фв незначительно зависит от природы металла и почти полностью определяется полупроводником. Это объясняется тем, что на границе раздела в полупроводнике возникает большое количество дефектов ■и уровень Ферми соответствует энергетическому положению этих дефектов. Реальное значение Фв варьируется в некоторых пределах в зависимости от технологии изготовления контакта, как показано в табл. 3.1.
Очевидно, что в случае, представленном на рис. 3.3, а, ток равен нулю. Электроны металла, кинетическая энергия которых превышает величину Фв от уровня Ферми, переходят через ■барьер и могут перетекать в полупроводник. Аналогично электроны, находящиеся в зоне проводимости полупроводника, у которых кинетическая энергия превышает величину qVb, перетекают в металл. При нулевом напряжении смещения оба потока электронов полностью уравновешиваются и ток равен нулю. Величина Уь отмечена на рисунке. Поскольку величина (^с—^р) зависит от концентрации примеси, то Уь также зависит от концентрации примеси.
П=-|- {^b-(^c-^f)}. (3.1)
Теперь рассмотрим случай обратного смещения (рис. 3.3,6). Приложение внешнего напряжения V вызывает понижение уров-
ня Ферми. Падение напряжения в полупроводнике при этом равно |У—Vb| (V — отрицательная величина). Электроны, перетекающие из металла в полупроводник, имеют энергию, превышающую 0в, и их количество соответствует случаю с нулевым смещением. С другой стороны, электроны, перемещающиеся из полупроводника в металл, имеют энергию, превышающую величину q\V—Уь|. Количество этих электронов крайне мало по сравнению со случаем для нулевого смещения и кратно величине exp^qVfkT'), которая -С1 при отрицательном значении V (к — постоянная Больцмана, Т— абсолютная температура; при Т=300К kTIq^ZbS мэВ). Следовательно, результирующий ток электронов протекает в направлении от металла к полупроводнику. При этом величина тока определяется значением 0В и, очевидно, не зависит от напряжения смещения V. Для больших значений ^в (^0,6 эВ) этот обратный ток насыщения крайне мал.
Перейдем теперь к случаю приложения прямого смещения, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 3.3, в. Потенциал в полупроводнике имеет вид q\V—Уь| и меньше потенциала при нулевом смещении, поскольку V—величина положительная. Количество электронов с энергией свыше q\V—Уь| в exp (qVIkT) раз (»1 при положительном V) больше, чем при нулевом смещении. Число электронов, перетекающих из металла в полупроводник, не изменяется, и основной вклад в электрический ток вносят электроны, перетекающие из полупроводника в металл. Следовательно, ток через структуру пропорционален величине exp {qV/kT).
Итак, при приложении к металлу отрицательного напряжения через структуру протекает крайне малый ток насыщения, а при приложении положительного напряжения протекает большой ток, пропорциональный exp ^qVJkT).
Из изложенного следует, что вольт-амперную характеристику (ВАХ), изображенную на рис. 3.2, можно записать в виде
/ = Цехр(^)-1 ], (3.2)
где /st — обратный ток насыщения, равный:
/ST = SA*T2exp(-^), (3.3)
где S — площадь, А* — коэффициент, соответствующий постоянной Ричардсона в теории термоэлектронной эмиссии. Полупроводники имеют эффективную постоянную Ричардсона, скорректированную с учетом эффективной массы носителей. Величины А* для кремния и GaAs приведены в табл. 3.1.
Уравнение (3.2) описывает идеальную вольт-амперную характеристику в теории термоэлектронной эмиссии. Для реальных контактов Шоттки существуют различные отклонения от уравнения (3.2). Рассмотрим их.
Если вблизи границы раздела металл — полупроводник имеются дефекты кристаллической решетки, то при прямом смещении возникает генерационно-рекомбинационный ток, о котором было сказано в разделе 2.3. Вольт-амперная характеристика в этом случае имеет вид
/ = /0[ехр(-^)-1 ]. (3.4)
Здесь /о — обратный ток насыщения. У реальных контактов Шоттки прямой ток представляет собой сумму токов, описываемых уравнениями (3.2) и (3.4), и эмпирически выражается следующей формулой:
/ = ЗЛ*^ехр(-^)[ехр(-^)-1 ]. (3.5)
В формуле (3.5) величина п называется «фактором идеальности» контакта Шоттки или «параметром п». Чем ближе п к единице, тем лучше контакт Шоттки. Как следует из (3.5), прямой ток контакта Шоттки существенно определяется параметром п и высотой барьера Фв.
При большом прямом токе на форму вольт-амперной характеристики оказывает влияние последовательное сопротивление, состоящее из объемного сопротивления полупроводника и из сопротивления омического контакта на противоположной поверхности структуры.
При обратном смещении ток утечки, обусловленный кристаллическими дефектами вблизи поверхности, и генерационно-рекомбинационный ток носителей складываются. Поэтому по мере увеличения обратного напряжения смещения обратный ток также несколько увеличивается и не имеет насыщения, как это ■следует из уравнения (3.2).
При дальнейшем увеличении обратного напряжения возникает пробой, который мы уже рассматривали в разделе 2.4, и ток резко увеличивается. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение обратного тока, называется напряжением пробоя. При увеличении концентрации примеси в полупроводнике напряжение пробоя уменьшается почти обратно пропорционально. Для идеального контакта Шоттки при концентрации доноров (^d) = 1016 см-3 напряжение пробоя у кремния составляет 55 В, а у GaAs— 70 В. В реальных контактах Шоттки напряжение пробоя в значительной степени зависит от обработки по-
верхности. В результате концентрации электрического поля у поверхности структуры реальное напряжение пробоя всегда меньше идеальной величины.
Вольт-фарадная характеристика. При обратном смещении на контакте Шоттки ток через структуру крайне мал, т. е. ее сопротивление очень велико. Такая
Q№
Лала/лсатплль- нь/Л заря Л
—Ллалтрацесни ®®®®| нлЛтралыая аЛлал/пь
с
Лтри- ца/иель ЛЛ/U ЛаряЛ
'О
Е(х)
ЛЛзЛнлнлыи /7/7Лй
Рис. 3.4. Распределения плотности объемного заряда и электрического поля на контакте Шоттки при обратном смещении.
структура работает как электростатический конденсатор. Величина емкости этого конденсатора изменяется в зависимости от напряжения смещения и структура обладает характеристикой с переменной емкостью.
Распределения плотности заряда и электрического поля на контакте Шоттки при обратном смещении показаны на рис. 3.4. Предположим, что концентрация примеси в полупроводнике постоянна (случай равномерного распределения примеси). Если к полупроводнику n-типа приложить по ложительное напряжение, то электроны будут притягиваться к положительному полюсу источника питания и на границе раздела металл — полупроводник возникнет потенциальный барьер, обусловленный перемещением электронов в направлении от металла к полупроводнику. Как показано на рис. 3.4, а, вблизи границы
раздела металл — полупроводник электроны отсутствуют, т. е. образуется область, обедненная электронами, с положительным объемным зарядом ионизированных доноров (рис. 3.4,6). При концентрации доноров Wd, см-3 плотность заряда равна qN^. Поскольку в целом структура должна быть электронейтральной, то со стороны металла накапливается отрицательный заряд, эквивалентный этому положительному заряду. Возникающее при этом электрическое поле показано на рис. 3.4, в. Область с положительным зарядом обеднена свободными электронами и называется обедненным слоем.
Ширина W обедненного слоя увеличивается при увеличении напряжения смещения V. Для определения зависимости между W и V проинтегрируем Д(х) на рис. 3.4, в в пределах от х=0 до x=W и приравняем полученное выражение V. Поскольку при x=W, Е—0, а при х=0 напряженность поля максимальна и равна Ео, то из уравнения Пуассона получим E0=qN &№!&&,. где es — диэлектрическая постоянная полупроводника. С учетом этого выражения получим зависимость между W и V:
(36>
Величина es для кремния равна 1,05-10-12 Ф/см, а для GaAs— 1,16-IO"12 Ф/см.
Из выражения (3.6) следует, что ширина W обедненного слоя уменьшается при увеличении концентрации примеси и увеличивается пропорционально квадратному корню напряжения. Выражение для максимальной напряженности поля До у границы раздела имеет вид:
£o = (^(Vb-V))1/a.(3.7)
Определим величину электростатической емкости контакта Шоттки, учитывая, что величина объемного заряда Qsc=qNdW.
р 5QsC $8S о /?8S^d W2/о о\
L — dV " W —^^(Иь —V) ) •
Следовательно, при равномерном распределении примеси электростатическая емкость контакта Шоттки при обратном смещении обратно пропорциональна квадратному корню напряжения смещения.
Вышеизложенное относится к случаю постоянной концентрации примеси в полупроводнике. Если же слой n-типа формируется методом ионной имплантации, то концентрация примеси вблизи поверхности резко изменяется и выражения (3.6) — (3.8) несправедливы. В этом случае необходимо решить уравнение Пуассона с учетом реального распределения концентрации примеси в обедненном слое.
Омический контакт
Как указывалось выше, если нанести металл на очищенную полированную поверхность кремния или GaAs, то можно получить контакт Шоттки различных модификаций. В качестве электродов истока и стока МОП-транзисторов или электродов эмиттера, коллектора и базы биполярных транзисторов используются омические контакты. Они должны иметь линейную вольт-ампер-
ную характеристику, не зависящую от полярности приложенного напряжения. Существует 2 способа формирования омических контактов: 1) образование множества дефектов кристаллической решетки путем шлифования поверхности полупроводника; 2) формирование на поверхности полупроводника тонкого слоя с высокой концентрацией примеси. Первый из двух указанных способов основан на том, что через структуру протекает генерационно-рекомбинационный ток (см. раздел 2.3). При втором способе преобладает туннельный ток. Важной характеристикой омического контакта является величина его электрического сопротивления. При изготовлении быстродействующих БИС необходимо получить крайне малую величину сопротивления омических контактов схемы.
рп-переход
рп-переход можно получить диффузией акцепторов (для .кремния, например бора (В), а для GaAs— цинка (Zn)) в полупроводник n-типа. Можно провести диффузию доноров (для .кремния, например диффузию фосфора (Р), для GaAs — серы (S)) в полупроводник p-типа. Кроме метода диффузии рп-переход можно получить эпитаксиальным выращиванием полупроводникового слоя противоположного с подложкой типа проводимости, рп-переходы широко используются в БИС в качестве основного элемента транзисторов, а также в качестве диодов и конденсаторов. Рассмотрим основные характеристики рп-перехода.
Вольт-амперная характеристика. Для изучения работы рп-перехода воспользуемся его энергетической диаграммой и распределением носителей заряда, изображенными на рис. 3.5 и 3.6. На рис. 3.5, а показано состояние термического равновесия рп-пе- рехода. Поскольку в этом случае уровень Ферми ^F везде постоянен, независимо от области, то разница между энергиями дна зоны проводимости в областях р- и n-типов составляет ^Кь, а падение напряжения на рп-переходе равно Кь.
Величина Кь представляет собой встроенный (или диффузионный) потенциал рп-перехода и, как видно из рисунка, равен
^=V^cP-^Cn)=^ln(^-j. (3.9)
Здесь Na — концентрация доноров в n-области, Na — концентрация акцепторов в p-области, гц — собственная концентрация носителей, ^сп, ^ср— энергии дна зоны проводимости в п- ги p-областях соответственно.
При отсутствии внешнего напряжения в рп-переходе возникает электрическое поле, обусловленное только встроенным потенциалом Vb. Поскольку, согласно рисунку, дырки дрейфуют* налево, а электроны — направо, то вблизи границы раздела р-
р -типр -типРрр~70’5Ррр~70’5п-тип(СМ 3)п-тип(СМ 3)"^1Ш^"^1Ш^ХрО $пХрО $пРис. 3.5. Энергетическая диаграмма рп-перехода. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.Рис. 3.5. Энергетическая диаграмма рп-перехода. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.1313^Ср О &п^Ср О &пПпоПпоПро ^109Про ^109-7016^-7016^Ч ^Р1,--1П15Ч ^Р1,--1П15Рис. 3.6. Распределение носителей в в рп-переходе. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.Рис. 3.6. Распределение носителей в в рп-переходе. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.
р -тип
р -тип
Ррр
~70’5
Ррр
~70’5
п-тип
(СМ 3)
п-тип
(СМ 3)
"^1Ш^
"^1Ш^
ХрО $п
ХрО $п
Рис. 3.5. Энергетическая диаграмма рп-перехода. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.
Рис. 3.5. Энергетическая диаграмма рп-перехода. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.
1
3
1
3
^Ср О &п
^Ср О &п
Ппо
Ппо
Про ^109
Про ^109
-7016^
-7016^
Ч ^Р1,--1П15
Ч ^Р1,--1П15
Рис. 3.6. Распределение носителей в в рп-переходе. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.
Рис. 3.6. Распределение носителей в в рп-переходе. а — состояние термического равновесия; б — обратное смещение; в — прямое смещение.
и n-областей возникает слой, обедненный электронами и дырками (наклонные линии в области хр<х<хп). В этом обедненном слое и образуется встроенное электрическое поле рп-перехода. Точка х=0 на рисунке означает металлургическую границу рп-перехода. На рис. 3.6, а схематично изображено распределение носителей для этого случая. Здесь ось ординат имеет логарифмический масштаб. В качестве примера Ма^Ю15 см-3, А^а«Ю16 см-3. В областях х<хр и х>хп выполняется условие электронейтральности: nno=^d и pfQ = Na для электронов и дырок соответственно, где пПо, Рро — концентрации электронов и
дырок в состоянии термического равновесия (индекс «О») для л- и p-областей (индексы «п» и «р»). В обедненном слое концентрации электронов и дырок резко уменьшаются и достигают концентраций неосновных носителей в противоположных областях.
На рис. 3.5, б и 3.6, б показан режим приложения обратного ■смещения (V<0) к рп-переходу. Как известно, внешнее напряжение приводит к смещению уровней Ферми. Поэтому падение напряжения в рп-переходе увеличивается до величины ^| V—Уь|. Дырки перемещаются налево, электроны — направо, и обедненный слой расширяется. Обратное смещение приводит не только к расширению обедненного слоя, но и к изменению распределения неосновных носителей в областях х<хр и х>хп. Как ■видно на рис. 3.6, б, при х<хп под действием дрейфового электрического поля дырки перемещаются налево. Однако в области х">хп приток дырок мал, поскольку электрическое поле здесь почти равно нулю. Следовательно, уменьшается и концентрация дырок рп. В результате уменьшения концентрации дырок при х=хп получается распределение концентрации, показанное на рис. 3.6, б. Дырки здесь перемещаются справа налево под действием диффузии. В стационарном состоянии концентрация дырок Рп(хп) при х=хп равна
Рп (О =РпОехр ^). (3.10)
На рис. 3.6, в при V»—1,0 В рп(хп)«10-9, т. е. практически равна нулю. Сказанное справедливо и для электронов при х<хр:
Пр(^р)=проехр^у (3.11)
Рассмотрим теперь механизм протекания тока при обратном смещении. Как следует из направления вектора электрического поля в рп-переходе, при обратном смещении основные носители не вносят вклад в электрический ток. Следовательно, можно предположить, что ток обусловлен движением неосновных носителей в каждой области. Дырки, инжектированные в п-об- ласть при х<_Хп, под действием дрейфового поля мгновенно перемещаются к p-области. Поэтому ток в этом случае определяется количеством дырок, инжектированных за 1 с. из нейтральной области (х>хп) в обедненный слой (х<хп). Этот дырочный ток обусловлен диффузией дырок в области х^хп. Предположим, что концентрация дырок изменяется от рпо до нуля в пределах диффузионной длины Lp. Тогда в n-области дырочный ток равен qDppn0[Lp фр— коэффициент диффузии дырок). Аналогично электронный ток в p-области: qDntiPnlLn. С ростом на-
J [_№w-|.J [_№w-|.^ОпПро^^ОпПро^(3.12)(3.12)пряжения V увеличивается ширина обедненного слоя, однако распределение концентрации неосновных носителей в нейтральных областях (х<хр, х>хп) остается неизменным. Поэтому обратный ток в рп-переходе постоянен и не зависит от напряжения:
J [_№w-|.
J [_№w-|.
^ОпПро^
^ОпПро^
(3.12)
(3.12)
Другими словами, обратный ток рп-перехода обусловлен тем, что неосновные носители, расположенные в пределах диффузионной длины от границы обедненного слоя, в результате диффузии инжектируются внутрь обедненного слоя.
Обратный ток реального кремниевого диода кроме диффузионной содержит генерационно-рекомбинационную составляющую Jg тока носителей в обедненном слое. Значение этого тока получим интегрированием по обедненному слою соотношения U для генерации и рекомбинации носителей, определяемого формулой (2.47) в предыдущей главе.
Поскольку в обедненном слое р«п«0, то Jg есть ток генерации носителей:
Jg=^^-(3.14)
*р
Предположим, что энергетические уровни ловушек расположены посередине запрещенной зоны, т. е. St«S\ в формуле (2.47). Тогда
т = тро+тпо,(3.15)
где т — постоянная времени генерации электронно-дырочных пар, Тро, Тпо—параметры, определяемые выражениями (2.49). Отсюда следует, что при наличии генерации электронно-дырочных пар в обедненном слое обратный ток увеличивается пропорционально ширине обедненного слоя.
Рассмотрим теперь случай приложения прямого смещения к рп-переходу. При прямом смещении дырки из p-области перемещаются в n-область, а электроны из п-области — в р-область. Поэтому ширина обедненного слоя уменьшается, а концентрации неосновных носителей в р- и n-областях (электронов и дырок соответственно) увеличиваются (см. рис. 3.6, в). Концентрации дырок и электронов при х=хп, хр определяются соотношениями (3.10) и (3.11). Поскольку в этом случае У>0, то рп (хп)>рпо, Пр (хр)>«ро. Увеличение концентрации неосновных
носителей при прямом смещении рп-перехода называется инжекцией неосновных носителей. В областях х>хп, х<<хр дрейфовое электрическое поле отсутствует. Поэтому распределение неосновных носителей определяется их диффузией. В результате рекомбинации неосновных носителей с основными концентрация неосновных носителей экспоненциально уменьшается номере удаления от границы обедненного слоя. Поскольку в п-об- ласти при х—>оо рп—>рпо, распределение неосновных носителей для х^Хп имеет вид
Pn = Pno[exp^j—l J-exp|—L_iv.j_pno.(ЗД6)
Аналогично запишем концентрацию электронов пр в р-обла- сти для х^Хр:
«р = «ро[ехр(-^)—1 ]exp{-^^-j —цр0.(3.17)
Вычислим величину концентрации инжектированных неосновных носителей при х=хп: при V=0,25B, pn(xn)«1012 см-3; при V=0,35B, pn(xn)^1013 см-3; а при V=0,50B, pn(xn)~ «1016 см-3. Следовательно, при V<0,50B pn(xn)<nno, т. е. концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей. Поэтому можно считать, что распределение основных носителей в этом случае почти не отличается от их распределения в состоянии теплового равновесия. С другой стороны, при У>0,50 В рп(Хп)>-Ппо и инжекция неосновных носителей уже оказывает влияние на распределение основных носителей. Случай, когда рп(хп) <»по, называют низким уровнем инжекции, а случай рп(хп)‘>пп0 — высоким уровнем инжекции.
Определим плотность тока I через рп-переход, используя соотношения (3.16), (3.17). Плотность диффузионного тока неосновных носителей (дырок и электронов) для х = хп и х=хр при низком уровне инжекции
/= JP + Jn,(3.18)
/—пР9рп|—9°рР”оI схр /\1]/3 ini
дх|х=Хп-Lp^-1У>
J—aD^ПрI—^"«poГрхп/\1 1/3 901
|л = ЛррК jJ
Отсюда с учетом площади поперечного сечения структуры получим выражение для вольт-амперной характеристики рп-пе- рехода:
16 = 5ц(-^»_^2^р»_\(3.22)
\/
В выражениях (3.21) и (3.22) обратим внимание на два момента. Во-первых, выражение (3.21) имеет вид, сходный с рассмотренной ранее вольт-амперной характеристикой контакта Шоттки. Поэтому при V—* оо / = /$. Во-вторых, выражение (3.22) соответствует плотности обратного тока насыщения согласно (3.12), умноженной на площадь S поперечного сечения структуры.
Предположим теперь, что напряжение прямого смещения увеличивается. Как отмечалось выше, если напряжение на рп-переходе выше уровня 0,5 В, инжектируются неосновные носители высокой концентрации и величина тока сильно возрастает в соответствии с выражением (3.21). Сопротивление рп-пе- рехода при этом резко уменьшается. В этом случае проявляется объемное сопротивление полупроводникового кристалла. Большая часть падения напряжения приходится на объем полупроводника, а напряжение, приходящееся на рп-переход, не превышает величины Уь. При дальнейшем увеличении тока напряжение на рп-переходе уже составит У=Уа—IR, где R— сопротивление, соединенное последовательно с рп-переходом, Va — внешнее приложенное напряжение. Это напряжение V и следует использовать в выражении (3.21) при большом уровне инжекции.
Вольт-фарадная характеристика. Рассмотрим вольт-фарадную характеристику рп-перехода при обратном смещении. Величина емкости рп-перехода меняется от напряжения смещения аналогично контакту Шоттки.
Если концентрации примесей в п- и p-областях распределены равномерно, то емкость С рп-перехода равна
2(УЬ —У)2(УЬ —У)NaNTd V Na+Nd;NaNTd V Na+Nd;1/21/2(3.23)(3.23)
2(УЬ —У)
2(УЬ —У)
NaNTd V Na+Nd;
NaNTd V Na+Nd;
1/2
1/2
(3.23)
(3.23)
где Na, Nd— концентрации примесей в р- и n-областях, соответственно. Формула (3.23) отличается от (3.8) заменой Nd на (NaNd)l(Na+NdV Это различие возникает потому, что у контакта Шоттки при увеличении обратного смещения обедненный слой расширяется только в сторону полупроводникового кристалла, а у рп-перехода — в обе области р- и п-типов.
В случае когда концентрация примеси в одной области полупроводника много больше, чем в другой, то значение (NaNd)/ /(Afa+^d) приближенно равно ^d, если Na^>Nd, и Na, если Nd*>Na. Тогда формула (3.23) становится идентичной (3.8). При этом обедненный слой расширяется в сторону с низкой концентрацией примеси.
где а — градиент концентрации примеси.Таким образом, зависимость емкости рп-перехода от напряжения смещения зависит от формы распределения концентрагде а — градиент концентрации примеси.Таким образом, зависимость емкости рп-перехода от напряжения смещения зависит от формы распределения концентраSiOgSiOgУлитансиальныиУлитансиальныиРаздели тельная .н/еж- злемент ная оо- ластьРаздели тельная .н/еж- злемент ная оо- ластьр-подложнор-подложноции примеси. Технологически можно сформировать такое распределение примеси, при котором емкость рп-перехода будет сильно меняться в зависимости от приложенного напряжения. Диоды с такими рп-переходами служат кон-ции примеси. Технологически можно сформировать такое распределение примеси, при котором емкость рп-перехода будет сильно меняться в зависимости от приложенного напряжения. Диоды с такими рп-переходами служат кон-Рис. 3.7. Структура планарного денсаторами переменной емРис. 3.7. Структура планарного денсаторами переменной емрп-перехода.рп-перехода.кости.Технология изготовлениякости.Технология изготовления
где а — градиент концентрации примеси.
Таким образом, зависимость емкости рп-перехода от напряжения смещения зависит от формы распределения концентра
где а — градиент концентрации примеси.
Таким образом, зависимость емкости рп-перехода от напряжения смещения зависит от формы распределения концентра
SiOg
SiOg
Улитансиальныи
Улитансиальныи
Раздели тельная .н/еж- злемент ная оо- ласть
Раздели тельная .н/еж- злемент ная оо- ласть
р-подложно
р-подложно
ции примеси. Технологически можно сформировать такое распределение примеси, при котором емкость рп-перехода будет сильно меняться в зависимости от приложенного напряжения. Диоды с такими рп-переходами служат кон-
ции примеси. Технологически можно сформировать такое распределение примеси, при котором емкость рп-перехода будет сильно меняться в зависимости от приложенного напряжения. Диоды с такими рп-переходами служат кон-
Рис. 3.7. Структура планарного денсаторами переменной ем
Рис. 3.7. Структура планарного денсаторами переменной ем
рп-перехода.
рп-перехода.
кости.
Технология изготовления
кости.
Технология изготовления
Большинство рп-переходов, используемых в СБИС, изготавливаются методом диффузии примеси. В таких рп-переходах распределение концентрации примеси неравномерно и вблизи рп-перехода концентрация меняется линейно. Для линейного распределения концентрации примеси емкость С рп-перехода выражается формулой:
структуры планарного рп-перехода, широко используемого в последнее время в кремниевых БИС, с небольшими изменениями вполне совместима с технологией изготовления других элементов БИС. На рис. 3.7 дан разрез такой структуры. На подложке p-типа эпитаксиально выращен слой n-типа. Глубокой диффузией примеси в n-слой сформированы разделительные межэлементные области p-типа (межэлементная изоляция). Мелкой диффузией примеси p-типа образован рп-переход. Для уменьшения сопротивления контакта к n-слою диффузией присоединена п+-область. Описанная структура представляет собой pn-диод, изготовленный по так называемой планарной технологии.
Биполярные транзисторы
Первый трехэлектродный полупроводниковый прибор — биполярный транзистор — был изобретен в 1948 г. В. Шокли, Дж. Бардином и В. X. Браттейном. За это изобретение в 1956 г. они были удостоены Нобелевской премии. Появление биполярного транзистора положило начало всей современной полупроводниковой технике. Наряду с полевыми МОП-транзисторами, описанными в следующем параграфе, биполярные транзисторы широко используются в качестве функциональных элементов в современных БИС.
Ниже описаны принцип работы и характеристики биполярного транзистора, а также его эквивалентная схема при работе в качестве переключающего элемента.
Структура и принцип работы
Структура биполярного транзистора представляет собой два встречно направленных ри-перехода (рис. 3.8). Расстояние W между рп-переходами стремятся сделать минимальным, чтобы
Рис. 3.8. Принципиальная схема прп-транзистора. Обедненные слои рп-перехо- дов заштрихованы. В пределах О^х^хв расположена нейтральная базовая область.
носители, инжектированные из одного ри-перехода, достигали другого ри-перехода без существенного уменьшения их концентрации. Для этого, как будет показано далее, расстояние W должно быть меньше диффузионной длины носителей.
Три области, обозначенные на рис. 3.8 Е, В, С, называют соответственно эмиттером, базой и коллектором. Поскольку в приведенном примере эмиттер и коллектор имеют n-тип проводимости, а база — p-тип, то прибор называется прп-транзисто- ром. При обратной полярности областей образуется рпр-тран- зистор.
Как видно на рис. 3.9, структура транзисторов реальных БИС отличается от схематичного изображения транзистора на рис. 3.8. Это обусловлено планарной технологией их изготовления, а также применением методов эпитаксии, диффузии и ионной имплантации. Участок, выделенный пунктиром на рис. 3.9, соответствует активной области транзистора, изображенного на рис. 3.8. Остальные участки структуры являются паразитными элементами транзистора.
Базовый ток. Рассмотрим работу прп-транзистора, схематично представленного на рис. 3.8. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллектором и базой — коллекторным. Расстояние W между эмиттерным и коллекторным переходами составляет металлургическую ширину базы. Пусть Хе — расстояние от конца обедненного слоя со стороны эмиттер-
ного перехода до омического электрода эмиттера, а площадь поперечного сечения транзисторной структуры S постоянна вдоль оси х. К эмиттерному и коллекторному переходам приложены напряжения Vbe, Увс. За прямое принято направление смещения; транзистора при положительных Уве, Увс, за обратное — при
их отрицательных значениях.
Предположим, что концентрация примесей NE, NB, Nc в областях эмиттера, базы и коллектора на эмиттерном и коллек-
Рис. 3.9. Структура транзистора для БИС. а — вид сверху; б — поперечное сечение. Вертикальные размеры увеличены по сравнению с горизонтальными.Рис. 3.9. Структура транзистора для БИС. а — вид сверху; б — поперечное сечение. Вертикальные размеры увеличены по сравнению с горизонтальными.торном переходах меняются! ступенчато, причем МЕэ Nc — концентрация доноров, a NB— концентрация акцепторов. На обоих переходах образуются, обедненные слои, показанные на рис. 3.8 наклонной штриховкой. За начало отсчета вдоль оси х (х = 0) примем границу обедненного слоя эмиттерного перехода со стороны базы. Тогда хв— граница обедненного слоя коллекторного перехода со стороны базы. В пределах О^х^хв расположена электрически нейтральная область базы.. Для понимания работы транзистора важно уяснить поведение носителей заряда в этой области.
Рис. 3.9. Структура транзистора для БИС. а — вид сверху; б — поперечное сечение. Вертикальные размеры увеличены по сравнению с горизонтальными.
Рис. 3.9. Структура транзистора для БИС. а — вид сверху; б — поперечное сечение. Вертикальные размеры увеличены по сравнению с горизонтальными.
В базовой области присутствуют и электроны, и дырки. Их реальное поведение достаточно сложно, и точный ана
лиз выполняется численными методами на ЭВМ. Однако для понимания сути работы транзистора целесообразно представить физические явления с помощью аналитических методов расчета на основании использования различных аппроксимаций. При анализе работы прибора обычно используют также допущения и приближения, которые облегчают понимание происходящих процессов. Уровень допустимых приближений зависит от того,, с какой точностью требуется объяснить реальные характеристики транзистора. Разберем сначала работу транзистора на
простейшей модели, а затем уточним теорию введением некоторых дополнительных условий.
Итак, обратимся к электрически нейтральной базовой области транзистора на рис. 3.8. В этой области при любом режиме электрического смещения дырочный ток крайне мал. Это объясняется тем, что с обеих сторон от базовой области p-типа расположены области n-типа, в которых концентрация дырок очень мала, и они не поступают в базовую область. Поэтому предположим, что дырочный ток равен нулю. Из формулы (2.61) найдем напряженность поля Е в нейтральной базовой области:
—(3.25)
q р dx »'’
где р — концентрация дырок в базе.
Для простейшей модели будем считать, что концентрация дырок в базовой области равна концентрации акцепторов. Следовательно, при равномерном распределении концентрации акцепторов напряженность электрического поля в базовой области равна нулю, т. е. Е=0. Однако базовые области транзисторов для БИС обычно изготавливают методом диффузии примеси и концентрация акцепторов в базе велика у эмиттера и мала у коллектора. При этом в базе возникает отрицательное электрическое поле. Кроме того, при высоком уровне инжекции под влиянием инжектированных электронов концентрация дырок будет отличаться от концентрации акцепторов. Для учета этого случая требуется рассмотрение более сложной задачи.
Если напряженность электрического поля в базовой области равна нулю, то дрейфом носителей в базе можно пренебречь. Для упрощения задачи будем считать, что процесс протекания тока определяется только диффузией носителей, а носителями являются только электроны. Анализ работы большинства транзисторных структур основан на этой диффузионной модели. Она позволяет получить характеристики транзистора путем решения уравнения диффузии для неосновных носителей (в данном случае— электронов) в базовой области при определенных граничных условиях.
Для упрощения математических выкладок разберем работу транзистора без непосредственного решения уравнения диффузии. Запишем плотность электронного тока /п в базовой области на основании формулы (2.61) для одномерной модели:
4 = Wn»5x + <7Dn-^- =
= jDnJ to dn\ qDn_(3.26)
p dx 1 r dx у p dx e4'
Направление протекания тока Jn от эмиттера к коллектору будем считать положительным. Второе выражение в (3.26) вы-
числено с использованием уравнения Эйнштейна (2.43) и формулы (3.25). Если преобразовать третье выражение из (3.26) и проинтегрировать его в пределах от х=0 до хв, то получим
(3.27)(3.27)ув *в
(3.27)
(3.27)
о6
Предположим, что электроны проходят через базовую область без рекомбинации. Тогда величина Jn в левой части уравнения (3.27) становится постоянной, не зависит от х, и ее можно вынести за знак интеграла. Это предположение достаточно справедливо, если ширина базы много меньше диффузионной длины электронов. В реальных условиях существуют потери носителей в результате их незначительной рекомбинации. Эти потери определяют характеристики транзистора и будут рассмотрены после определения его параметров.
Из зависимости (3.27) получим следующую формулу для плотности электронного тока 7П:
j дУР 0<в) п (^в) — Р (0) «(0)](3 28)
Г'В pdx
0
Числитель этого выражения представляет собой разность произведений концентраций электронов и дырок на обеих границах базовой области. Иначе говоря, для вычисления базового тока необходимо определить произведение концентраций электронов и дырок на границах обедненных слоев рп-переходов, к которым приложены напряжения смещения V. Произведение концентраций электронов и дырок (рп) на границе обедненного слоя смещенного рп-перехода обычно выражается формулой:
рп = п^ ехр ^-^-).(3.29)
При малом уровне инжекции концентрация основных носителей практически соответствует их концентрации в состоянии теплового равновесия. Поэтому для области p-типа р = рРо и «12 = Рро-«ро- Если подставить эти величины в (3.29), то получим формулу (3.11).
С учетом (3.29) плотность электронного тока из (3.28) запишется в виде
J °п о
Это выражение представляет собой формулу для электронного тока, протекающего в базовой области от эмиттера к коллектору, если пренебречь дырочным током и рекомбинацией электронов в базовой области. Оба допущения справедливы, когда базовый ток равен нулю, что отличается от реальной ситуации. Однако для достаточно малых величин базового тока реальные характеристики транзистора хорошо согласуются с расчетной зависимостью коллекторного тока от напряжение Vbe, Vbc-
Итак если обозначить QB — суммарный электрический заряд в базовой области, Un— средний коэффициент диффузии электронов, S — площадь поперечного сечения структуры, то из (3.30)' электронный ток:
/n = 7s ехр(-&-)—ехр(^Е.) ,(3.31 >
где
(3-32>
QB=Sq^pdx.(3.33>
о
Из приведенных зависимостей видно, что для расчета биполярного транзистора необходимо знать величину QB. При малом уровне инжекции концентрация дырок в базе равна плотности акцепторов. Следовательно, для расчета транзистора важно знать общее количество акцепторов в базовой области
*вхв
Эта величина носит название число Гуммеля и является одним из важных параметров биполярного транзистора. Чем меньше число Гуммеля, тем больше величина Is и лучше рабочие характеристики транзистора.
Работа транзистора. Для описания работы транзистора воспользуемся выражением (3.31). Сначала рассмотрим работу транзистора в режиме переключения. Ясно, что при отрицательных значениях Уве, Увс (обратное смещение) /п«0и транзистор закрыт (OFF), а при положительных значениях УВЕ, Увс через базу протекает ток и транзистор открыт (ON), т. е. происходит переключение прибора. Распределение концентрации неоснов-
ных носителей для режима переключения схематично изображено на рис. 3.10. Концентрация неосновных носителей на границах обедненных слоев определяется по формуле (3.29) и со
ответствует значениям, приведенным на рисунке.
Как видно из рис. 3.10,6, в открытом состоянии концентрация неосновных носителей в базе высока. При подаче отрица
ние. 3.10. Распределение концентрации электронов в транзисторе для режима переключения, а — транзистор закрыт, Уве, Увс<0, б — транзистор открыт, Vbe, Увс>0.ние. 3.10. Распределение концентрации электронов в транзисторе для режима переключения, а — транзистор закрыт, Уве, Увс<0, б — транзистор открыт, Vbe, Увс>0.тельных напряжений Уве, Увс концентрация инжектированных неосновных носителей не уменьшается мгновенно. В течение некоторого времени через базу продолжает протекать ток и транзистор остается открытым. Этот процесс называется эффектом накопления неосновных носителей, а его длительность — временем накопления. Для повышения скорости переключения транзистора время накопления необходимо уменьшать. Это можно сделать, например, за счет уменьшения времени жизни носителей в базовой области путем формирования в процессе изготовления транзистора неравномерного распределения примеси в базе. Под действием электрического поля, обусловленного таким распределени
ние. 3.10. Распределение концентрации электронов в транзисторе для режима переключения, а — транзистор закрыт, Уве, Увс<0, б — транзистор открыт, Vbe, Увс>0.
ние. 3.10. Распределение концентрации электронов в транзисторе для режима переключения, а — транзистор закрыт, Уве, Увс<0, б — транзистор открыт, Vbe, Увс>0.
ем, неосновные носители с вы
сокой скоростью будут дрейфовать из базы. Кроме того, уменьшить время накопления можно схемными методами. Для этого рп-переходы транзистора шунтируются диодами Шоттки, ограничивающими высокие положительные напряжения Уве, Увс- При этом в открытом состоянии транзистора концентрация не- основных носителей в базе не достигает слишком большой величины и при переключении требуется меньше времени для удаления этих носителей из базы.
Далее, предположим, что Увс — отрицательно, а Уве — положительно. Тогда, считая, что ток коллектора /с протекает по транзистору в положительном направлении (см. рис. 3.8) и пренебрегая в уравнении (3.31) членом с Увс, получим
(3.34)(3.34)j т г руг, / 9^ве \'С — —In — jSexPI ^ )•
(3.34)
(3.34)
Из этой формулы видно, что небольшое изменение Vbe приводит к значительному изменению /с. Хотя эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, имеет малое сопротивление, а обратно смещенный коллекторный переход — высокое сопротивление, через коллекторный переход протекает ток, равный эмиттерному. Это означает, что сигнал переменного напряжения, подаваемый между эмиттером и базой, усиливается
Рис. 3.11. Распределение концентрации электронов в транзисторе в активном режиме работы Vbe>0, Vbc<0. Для наглядности в базовой области распределение концентрации представлено в линейном масштабе, а в других областях — в логарифмическом.Рис. 3.11. Распределение концентрации электронов в транзисторе в активном режиме работы Vbe>0, Vbc<0. Для наглядности в базовой области распределение концентрации представлено в линейном масштабе, а в других областях — в логарифмическом.на выходе между коллектором и базой. В таком режиме транзистор работает как усилительный элемент. Распределение концентрации неосновных носителей для этого случая схематически изображено на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Распределение концентрации электронов в транзисторе в активном режиме работы Vbe>0, Vbc<0. Для наглядности в базовой области распределение концентрации представлено в линейном масштабе, а в других областях — в логарифмическом.
Рис. 3.11. Распределение концентрации электронов в транзисторе в активном режиме работы Vbe>0, Vbc<0. Для наглядности в базовой области распределение концентрации представлено в линейном масштабе, а в других областях — в логарифмическом.
Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, то концентрация электронов со стороны этого перехода в ехр^УвЕ/^Т4) раз' больше концентрации в состоянии теплового равновесия. Со
стороны коллектора концент
рация электронов близка к нулю, т. к. Уве отрицательно. Под действием ускоряющего электрического поля в коллекторном переходе электроны быстро переходят из базы в коллектор. Если рекомбинация электронов отсутствует, то концентрация электронов в базе уменьшается линейно. Такой режим электрического смещения называют активным режимом работы тран
зистора.
Характеристики транзистора
Коэффициент усиления по току. Рассмотрим более подробно характеристики базового тока. Ранее мы полагали, что эмиттерный ток равен коллекторному. Однако в действительности ток- протекает также между базой и эмиттером. Этот базовый ток имеет три составляющих, которыми мы до сих пор пренебрегали: 1) ток рекомбинации в базовой области; 2) ток рекомбинации в эмиттерном переходе; 3) ток дырок, инжектированных из; базы в эмиттер. Обычно второй составляющей можно пренебречь.
Рассмотрим первую составляющую тока. Как следует из- формул (2.53) и (2.54) предыдущей главы, доля рекомбинирующих неосновных носителей пропорциональна их избыточной-
концентрации Дп(=п—пРо) и с учетом времени жизни тп носителей равна (п—пРо)/тп. Следовательно, ток рекомбинации /гв в базовой области можно записать в виде:
■ dx,(3.35)
О
где направление тока /гв, втекающего в базу из базового электрода, принимается положительным.
При работе транзистора в активном режиме почти для всей базовой области выполняется соотношение п">пРо, а тп не зависит от координат. Поэтому:
*В
/rB = ^-Jndx.(3.36)
о
Линейное изменение концентрации электронов в базовой области, как показано на рис. 3.11, позволяет легко взять интеграл в формуле (3.36). Окончательно получим
т дЗп^ху / ^Уве \ i/о оу\
УгВ- 2^вTп [Р^ кТ ) 1 ]•^•61>
Эта формула выведена для частного случая. Однако, даже •если концентрация электронов в базе изменяется нелинейно, множитель {ехр^УвЕ/йТ') — 1] остается постоянным.
Электронный ток /п в базе (здесь запишем /пе, имея в виду ток, протекающий от эмиттера к коллектору) уменьшается в базе на величину /гв. Введем коэффициент ат передачи тока от эмиттера к коллектору, который определяется выражением:
<3'38>
Значение /пе вычисляется по формуле (3.34). В случае равномерного распределения концентрации примеси Nb в базе p = NB, тогда QB = qSNBXB. В результате преобразований из формул (3.34) и (3.37) при ^Уве/^Т^! для равномерного рас- .пределения концентрации примеси в базе получим
<3-39>
Здесь Ln=y5nTn — диффузионная длина электронов. В современных транзисторах, у которых хв«0,5 мкм, а Лп«30мкм, коэффициент ат=0,99986, т. е. очень близок к единице. Поэтому для таких приборов справедливо изображенное на рис. 3.11
распределение концентрации электронов, когда ток рекомбинации не учитывается.
Теперь обратимся к третьей составляющей базового тока, обусловленной инжекцией дырок из базы в эмиттер. Она аналогична току инжекции электронов из эмиттера в базу. Расстояние Хе от эмиттерного электрода до эмиттерного перехода может быть больше или меньше диффузионной длины £р дырок. В зависимости от этого меняется распределение концентрации дырок в эмиттерной области.
В частности, если хЕ<С£р, то распределение концентрации дырок полностью соответствует распределению концентрации электронов в базе. Инжекционный дырочный ток при этом имеет вид
/ре = [ехР (^)-1 ] (ПРИ « Lp). (3.40)
Здесь Dp — средняя величина коэффициента диффузии дырок. Положительное направление тока /ре — от электрода к эмиттеру.
С другой стороны, при хЕ>£Р концентрация дырок в эмиттере экспоненциально уменьшается и на распределение концентрации носителей на границе обедненного слоя оказывает влияние дырочный ток
7ре = ^=8^ [ехР И^)-1 1 <ПРИ хе > ^Р). (3.41)
Эмиттерный ток можно представить в виде (7пе+/ре). Составляющая дырочного тока 7ре в этом выражении не оказывает существенного влияния на работу транзистора. Коэффициент эмиттерной инжекции определяется формулой:
?='"Е(3.42)
'пе + ^рЕ
В транзисторах БИС обычно выполняется соотношение хЕ^£Р. Поэтому из формул (3.34) и (3. 40) получим
Т = (1 + Хв^/ХеЛ^)-1.(3.43)
Поскольку обычно хв?«0,5 мкм, хЕ«1,5 мкм, Л^в«2-1016 см-3, AfE«5-1017 см-3, то у«0,9973. Чем ближе у к единице, тем лучше характеристики транзистора.
С этой целью необходимо увеличивать концентрацию примеси в эмиттере относительно базовой концентрации примеси.
Приведенные выражения для ат и у справедливы в наиболее простейшем случае, когда примесь в базе распределена равномерно, а концентрация инжектированных неосновных носителей изменяется по линейному закону. При необходимости уточнения
этой теории распределение инжектированных носителей анализируется с помощью уравнения диффузии. Если же нельзя пренебречь и полем в базе, следует вернуться к основным уравнениям раздела 2.5, учитывающим как диффузию, так и дрейф носителей. В этом случае достаточно сложно получить аналитическое решение. Необходимо провести численный анализ с помощью ЭВМ.
Параметром, определяющим функциональные возможности транзистора со стороны его электродов, служит коэффициент а? усиления по току, равный отношению коллекторного тока /с к эмиттерному /в:
aF=7^r=v,aT- (3-44)
При работе транзистора в схеме с заземленной базой of<1. Коэффициент ар имеет и другое обозначение — кгв. Аналогично отношение коллекторного тока /с к базовому току /в называется коэффициентом усиления по току 0F при работе транзистора в схеме с заземленным эмиттером, который можно еще записать как hpE. С учетом закона Кирхгофа для токов /с, /е, /в получим
<3-45>
Для приведенного примера численное значение 0F равно 351. Поскольку 0f сильно меняется при незначительном изменении ар, невозможно точно регулировать величину параметра 0F в процессе изготовления транзисторов.
Индекс «Р» у коэффициентов а?, 0f означает, что эмиттерный переход имеет прямое смещение, а коллекторный — обратное. Такой режим называется прямым включением транзистора. Как видно из схематичного изображения транзистора на рис. 3.8, при изменении полярности смещения обоих переходов на противоположное параметры транзистора остаются прежними. Однако структура реального транзистора, изображенная на рис. 3.9, несимметрична. Поэтому при приложении прямого смещения к коллектору и обратного смещения к эмиттеру коэффициенты а, 0 уменьшаются. Такой режим работы транзистора обозначается индексом «R» (or, 0r).
Статические характеристики. Из предыдущих простых рассуждений легко вывести уравнения для статических характеристик транзистора, к которому приложено рабочее напряжение смещения (Vbe>0, Vbc<0). В соответствии с рис. 3.8 за положительное направление протекания тока примем направление от
электродов к транзистору. Тогда
7е = 7п + /рЕ,
7с = 7П—4в»' (3.46)
7в =—^рв + Лв’
С учетом выражений для ат, у и 7П (см. 3.34) получим /E=T-T-/n.
7с = -ат.7,„(3.47)
7в = (ат—1/7)7,,.,
Поскольку величина 7П пропорциональна exp (^Уве/^Т), то ток через каждый электрод экспоненциально зависит от Уве. С другой стороны, из приведенных уравнений не ясна зависимость
коллекторного тока от Уве. Эту зависимость можно получить из уравнения (3.34)., для 7П, удовлетворяющего условию Увс<С0. При малых значениях | Vbc| необходимо пользоваться величиной 7П согласно уравнению (3.31). В этом случае зависимость тока от Уве представляется в явном виде.
Статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора фирмы NEC представлены на рис. 3.12. При увеличении Усе коллекторный ток /с сначала резко возрастает, а затем достигает насыщения. Параметром
Рис. 3.12. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора фирмы NEC 2SC 960. Пунктирная линия соответствует потребляемой мощности 1 Вт.Рис. 3.12. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора фирмы NEC 2SC 960. Пунктирная линия соответствует потребляемой мощности 1 Вт.обычно берется не напряжение ■
Рис. 3.12. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора фирмы NEC 2SC 960. Пунктирная линия соответствует потребляемой мощности 1 Вт.
Рис. 3.12. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора фирмы NEC 2SC 960. Пунктирная линия соответствует потребляемой мощности 1 Вт.
Уве, а базовый ток 7в, как показано на рисунке. Незначительное изменение Уве так же, как и 7в, сильно изменяет ВАХ транзистора. Однако, как следует из приведенных рассуждений, режим работы транзистора все же определяется не напряже
нием, а током.
Как видно на рисунке, в области насыщения ток 7о незначительно растет при увеличении Усе. Это объясняется тем, что с ростом коллекторного напряжения ширина обедненного слоя коллекторного перехода увеличивается, а ширина базы хв уменьшается. При этом одновременно увеличиваются коэффи- циёнты ат и у, что приводит к изменению статических характе-
ристик. Этот эффект назван по имени его первооткрывателя эффектом Эрли.
Для исследования эффекта Эрли воспользуемся формулой (3.34), пренебрегая рекомбинацией в базе. Подстановкой (3.32), (3.33) в (3.34) получим
qSn^Dn exp ( ^Е’)'с-•(М8>
( Pdxо
Изменение 1с от Уве при Vbe=const имеет вид
-S5-1= 1сР (*в) ( f pdxV1 (= —^. (3.49)
^ВС |VBE=const К Г5УВС j Уд v '
о
Здесь Уд называется напряжением Эрли:
хв
I рйх
Уа = Т(х№^сГ*(3-50>
Для прп-транзистора напряжение УА отрицательно, а величина dlcldVsc положительна. Вообще говоря, величина УА зависит от Уве, однако обычно этой зависимостью можно пренебречь. Поэтому приближенно будем считать величину УА постоянной, определяемой расчетным путем.
Рассмотрим теперь влияние эмиттерного напряжения на ток транзистора. Изменение базового /в и коллекторного тока /с от эмиттерного напряжения УВе представлено на рис. 3.13. Коллекторный ток /с в широком диапазоне пропорционален ехр^УвЕ/бТ), а базовый ток /в пропорционален ехр(9УВв/2йТ) лишь при малых значениях УВЕ. Это объясняется наличием тока генерации носителей в обедненном слое эмиттерного перехода (см. уравнение (3.14)). Ток генерации не зависит от режима работы транзистора. Поэтому в диапазоне малых значений Уве (или малого коллекторного тока /с) коэффициент Pf усиления по току небольшой. На рисунке видно, что при /с<8 нА коллекторный ток меньше базового, и усиления не происходит. Это явление можно проиллюстрировать на графике зависимости коэффициента усиления рЕ от коллекторного тока 7с, приведенном на рис. 3.14 для серийного транзистора. Параметром здесь явля-
в эмиттерном переходе.100мА7(7мА(мА7(7(7 мн А7(7мн А7 мкА7(7(7нА7(7 нА7 нА7(7(7п А^в эмиттерном переходе.100мА7(7мА(мА7(7(7 мн А7(7мн А7 мкА7(7(7нА7(7 нА7 нА7(7(7п А^Рис. 3.13. Зависимости базового и коллекторного токов от эмиттерного напряжения.Рис. 3.13. Зависимости базового и коллекторного токов от эмиттерного напряжения.
в эмиттерном переходе.
100мА
7(7мА
(мА
7(7(7 мн А
7(7мн А
7 мкА
7(7(7нА
7(7 нА
7 нА
7(7(7п А^
в эмиттерном переходе.
100мА
7(7мА
(мА
7(7(7 мн А
7(7мн А
7 мкА
7(7(7нА
7(7 нА
7 нА
7(7(7п А^
Рис. 3.13. Зависимости базового и коллекторного токов от эмиттерного напряжения.
Рис. 3.13. Зависимости базового и коллекторного токов от эмиттерного напряжения.
ется температура транзисторной структуры. В низковольтных усилительных схемах с малой потребляемой мощностью необходимо иметь большое значение коэффициента Ре при малом коллекторном токе. Это достигается, например, уменьшением количества центров рекомбинации Рассмотрим область высокого эмиттерного напряжения. В данном случае нельзя пренебречь концентрацией инжектированных неосновных носителей по сравнению с концентрацией примеси в базовой области. В предыдущем анализе мы полагали, что концентрация основных носителей в базе не меняется, однако теперь это приближение неправомерно. При высоком уровне инжекции для удовлетворения условия электронейтральности концентрация основных носителей должна увеличиваться. Этот эффект необходимо учесть в интеграле рв pdx уравнения о'
(3.33):
ХВ *в
| pdx = р [JVB (х) + Ди (х)| dx. о о
(3.51)
Здесь Дп(х)—избыточная концентрация инжектированных неосновных носителей (Дп=п—Про). Численное решение уравнения (3.51) достаточно сложно. Для этого необходимо определить численное значение Дп(х). Как видно на рис. 3.13, при высоком уровне инжекции график /с находится между экспонентами ехр^УвЕ/^Т) и ехр(9КвЕ/2&Т) и уменьшается одновременно с коэффициентом эмиттерной инжекции.
У транзисторов БИС концентрация примеси в базе со стороны эмиттера выше, чем со стороны коллектора. При высоком уровне инжекции носителей в таких транзисторах у границы коллекторного перехода со стороны базы концентрация неосновных носителей не равна нулю. Так как в обедненном слое коллекторного перехода напряженность электрического поля мала, то неосновные носители не могут достаточно быстро перейти в- коллекторную область. Очевидно, что в этом случае на распре-
деление носителей в базе должен также оказывать влияние объемный заряД этих Неосновных носителей. Аналитический учет влияния объемного заряда неосновных носителей в базе достаточно сложен. Результаты численного анализа показывают, что наличие этого объемного заряда приводит к увеличению ширины базы Хв. Этот эффект называется эффектом Кирка по имени его исследователя. Эффект Кирка уменьшает коэффициент pF и одновременно увеличивает время пролета неосновных носителей через базу, о чем будет сказано ниже. Другими
Рис. 3.14. Зависимости коэффициента усиления по току (Ре) от коллекторного тока (/с) для биполярного транзистора NEC, 2SC 960. Vce=5 В.
словами, этот эффект ухудшает частотные характеристики транзисторов.
Определим приближенно величину коллекторного тока, при котором проявляется эффект Кирка. Электроны пролетают через коллекторный переход со скоростью насыщения о$. Концентрация электронов при протекании тока /с определяется выражением Ic/Sqvs. Если эта концентрация электронов станет большей, чем концентрация примеси NB на границе базы со стороны коллектора, то возникнет встроенный объемный заряд электронов. Следовательно, пороговый коллекторный ток /ск, при котором возникает эффект Кирка, можно записать в виде
/ск =SqusN в. (3.52)
При ^в=5•10,s см-3, S=10-8 см2, Vs = 107 см/с этот ток /ск = = 80 мА. В реальных транзисторах эффект Кирка нередко проявляется и при больших значениях коллекторного тока.
Таким образом, уменьшение рР при малых значениях /с объясняется наличием тока генерации в эмиттерном переходе, а при больших — высоким уровнем инжекции и эффектом Кирка. , ,
Время пролета в базе. Определяющим параметром частотных и импульсных характеристик транзистора является время тв, необходимое для пролета инжектированных неосновных носителей через нейтральную базовую область, тв выражается через заряд qB избыточных неосновных носителей в базе:
Тв = ^. (3.53)
В соответствии с рассмотренной ранее простейшей моделью концентрация неосновных носителей в базе меняется по линейному закону. При этом:
(3.54)
Эта величина представляет собой время пролета при диффузионном механизме протекания носителей. Она намного больше времени пролета при дрейфовом механизме протекания носителей. Как уже отмечалось, в базовых областях транзисторов БИС существует ускоряющее поле, обусловленное неравномерным распределением примеси. Поэтому реальные значения тв несколько меньше величины, вычисленной по формуле (3.54). В общем случае при неравномерном распределении примеси в базе из выражений (3.32), (3.33) и (3.34) получим
pdx I Ди (х) dx
(3.55)
п „/ ‘/•'BE
^n^i exp I ^^ '
На практике величина тв определяется формулой:
(3.56)
где v — коэффициент, зависящий от формы распределения примеси в базе и от уровня инжекции носителей. Предельное значение v при высоком уровне инжекции равно 4. Следовательно, с ростом уровня инжекции тв уменьшается. Это происходит потому, что в результате разбаланса между концентрациями основных и инжектированных неосновных носителей b базе возникает дополнительное электрическое поле, которое уменьшает диффузию основных носителей и является ускоряющим для неосновных носителей. Кроме того, наличие ускоряющего поля, вызванного неравномерным распределением примеси в базе, позволяет еще на порядок уменьшить величину тв относительно значения, вычисленного по формуле (3.56).
Модель Эберса — Молла
После анализа различных физических эффектов, происходящих в транзисторе, рассмотрим эквивалентную схему транзистора, работающего в качестве переключающего элемента. Эта эквивалентная схема по имени ее авторов называется моделью Эберса — Молла и является основной схемой для анализа различных режимов работы транзистора.
Рис. 3.15. Эквивалентная схема прп-транзистора в соответствии с моделью Эберса — Молла.
Эквивалентная схема прп-транзистора в соответствии с моделью Эберса — Молла представлена на рис. 3.15. Соответствующие ей уравнения для токов имеют вид:
^е=—7F-f-aR7R,(3.57)
Ic~aF^F—^R» где
7F = 7ES|exp(-^)-l ],(3.58)
7R=7cs[exp(-^)-l].(3.59)
Здесь 7f, 7r — токи, протекающие в диодах, образованных эмиттерным и коллекторным переходами соответственно; of, or— коэффициенты усиления по току при прямом (эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном) и обратном включении транзистора; 7es, 7cs— токи насыщения обратно смещенных эмиттерного и коллекторного диодов.
Рассмотрим соответствие этих выражений с формулами, изложенными в разделе 3.2.2. Поскольку 7В= (—7е—7с), то из (3.57), (3.58), (3.59) получим
7в = ^вс~Ь^ве,(3.60)
7BC=7cs(l-aR) [ехр(ф.)-1 ],(3.61)
4е= 7es (1 -aF) [ехр ^^У1 ].(3.62)
С учетом этих выражений формулы (3.57) можно записать в виде:
7Е = Л [ехРр^) —^Р^-2^)]-"Азе»(3.63)
Zc = 7s[exp(-^-) —ехр(-^Е) —/вс.(3.64)
Для вывода этих формул мы использовали соотношение:
«r7cs = ^F7Es = 7Е»(3.65),
Видно, что выражения (3.63), (3.64) для токов 7Е, 7с соответствуют виду формулы (3.31) для тока 7П, протекающего между эмиттером и коллектором, за вычетом тока 7ве между эмиттером и базой или тока 7вс между коллектором и базой. В отличие от формулы (3.34), которая справедлива только для режима прямого включения транзистора, модель Эберса — Молла является универсальной и ее можно использовать для любых условий смещения транзистора.
Рассмотрим метод определения параметров в модели Эберса — Молла на примере активного режима работы транзистора.
Для прямого включения (Vbe>0, Vbc<0) из формул (3.63)г. (3.64) получим
7С = —ар7ЕН-7С5(1—aFaR).(3.66)-
При обратном включении транзистора (Vbe<0, Увс>0) аналогично получим
7е=—aR7c+7Es(l—«f«r).(3.67)
Для определения из этих уравнений величин aF, or необходима при соответствующих условиях смещения транзистора измерить зависимости между 7с и 7Е. По результатам измерений отдельно определяются значения 7Cs, 7ES. Таким образом, можно определить все параметры практически в модели Эберса — Молла и составить эквивалентную схему транзистора.
Модель токов, ограниченных объемным зарядом
Для работы транзистора в режиме переключения существует модель токов, ограниченных объемным зарядом (ТООЗ). Согласно этой модели на основании зависимости между токами и напряжениями на электродах транзистора можно определить зависимости между токами и зарядами, накопленными в каждой области транзистора. В соответствии с (3.53) мы уже знаем, что qs и 7с связаны между собой временем тв пролета носителей в базе. В зависимости от режима работы транзистора кроме
заряда дв, накопленного в базе, существует еще заряд дв дырок (для прп-транзистора), инжектированных из базы в эмиттер, как показано на рис. 3.16. Известно, что если Xe>Lp, то распределение дырок в нейтральной области эмиттера имеет экспоненциальный характер. С другой стороны, при %e<Lp это распределение линейно, как в области базы. Кроме того, в эмиттерном переходе существует объемный заряд дув, а в коллекторном — дус.
Эмиттерный neperrod лолленторный neperrodЭмиттерный neperrod лолленторный neperrodРис. 3.16. Заряды, накапливающиеся в каждой области транзистора, хв>£₽.Рис. 3.16. Заряды, накапливающиеся в каждой области транзистора, хв>£₽.
Эмиттерный neperrod лолленторный neperrod
Эмиттерный neperrod лолленторный neperrod
Рис. 3.16. Заряды, накапливающиеся в каждой области транзистора, хв>£₽.
Рис. 3.16. Заряды, накапливающиеся в каждой области транзистора, хв>£₽.
Рассмотрим случай линейного распределения зарядов <7в и <7е- Если их сумму обозначить <7f = <7b + 9e> то аналогично формуле (3.53) коллекторный ток /с можно записать в виде:
(3.68)
Здесь те — величина, несколько превышающая время тв пролета в базе. Вообще говоря, при строгом физическом анализе такое представление коллекторного тока не вполне правомерно. Однако оно оправдано для данного моделирования, предполагающего получение простой эквивалентной схемы транзистора. Итак, примем упрощенную зависимость (3.68), согласно которой ток 7С пропорционален дв с коэффициентом пропорциональности (1/tf), Те — параметр. Базовый ток пропорционален дв с коэффициентом пропорциональности 1/тве:
/в —/в —<?рТвр<?рТвр(3.69)(3.69)
/в —
/в —
<?р
Твр
<?р
Твр
(3.69)
(3.69)
По аналогии с ри-переходом запишем зависимость дв от напряжения Уве между базой и эмиттером:
^F = <7Fo[exp(-^-)— 1 ,(3.70)
а коэффициент Ре усиления по току представим в виде:
Pf = -^.(3.71)
равны:равны:Изложенное соответствует установившемуся режиму протекания токов. Теперь запишем токи с учетом их изменения во времени. Если изменяющиеся во времени заряды обозначить qF, qvE, qvc, то токи ic, 1в, is коллектора, базы и эмиттера соответственно
равны:
равны:
(3.72)(3.72)/ — ^fd^vc
(3.72)
(3.72)
сtf d/ ’
/ № i d^F I d^vE I d?vc/о 704
:n / _} 1 1d?pdqve741
tE-—^F^+^Jу д .(d./4)
Эти выражения являются основными уравнениями модели токов, ограниченных объемным зарядом. Соответствующая экви-
8»8»7"е5-£ро(г776|:)"7"е5-£ро(г776|:)"fp/rFfp/rFЕЕ
8»
8»
7"е5-£ро(г776|:)"
7"е5-£ро(г776|:)"
fp/rF
fp/rF
Е
Е
Рис. 3.17. Эквивалентная схема транзистора в соответствии с моделью токов, ограниченных объемным зарядом.
валентная схема показана на рис. 3.17. Емкости конденсаторов в ней зависят от напряжений смещения. Обратный ток насыщения Zes диода между эмиттером и базой равен:
7Es=<7fo(4-+-0 (3.75)
Основное преимущество модели ТООЗ состоит в том, что ее основные уравнения линейны. Этой моделью пользуются для анализа характеристик переключения транзисторов, например, в режиме импульсного усиления. Кроме того, модель ТООЗ является основной для моделирования БИС на биполярных транзисторах.
Полевые МОП-транзисторы
Полевые транзисторы со структурой металл — окисел — полупроводник (МОП) являются наиболее важными функциональными элементами кремниевых БИС. Интегральные схемы на
МОП-транзисторах называют МОП БИС. Эти схемы составляют основную часть выпускаемых в настоящее время СБИС.
Идея создания МОП-транзистора высказывалась еще в первой половине 30-х годов. Однако практическая реализация этих приборов относится лишь к началу 60-х годов, когда появилась возможность технологически управлять свойствами твердого тела на границе раздела между кремнием и окисным слоем.
Структура и условное обозначение МОП-транзисторов
Схема структуры МОП-транзистора приведена на рис. 3.18. На кремниевой подложке p-типа диффузией примеси изготовлены области истока (S) и стока (D) п+-типа. На поверхности подложки в промежутке между истоком и стоком сформирован тонкий изоляционный окисный слой, покрытый металлическим слоем затвора (G). Исток и сток имеют одинаковый с подложкой электрический потенциал. При приложении положительного напряжения к затвору электроны из объема подложки перемещаются к границе раздела между окисным слоем и кремниевой подложкой. В приповерхностном слое подложки между истоком и стоком образуется электропроводный слой n-типа, называемый инверсным слоем. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то через инверсный слой потечет ток от истока к стоку. Величину тока стока можно регулировать напряжением на затворе. В этом и заключается принцип работы МОП-транзистора. Область с электропроводным слоем, индуцированным электрическим полем затвора, называется каналом. В этом названии отражено основное назначение данной области как проводника электрического тока между истоком и стоком.
Концентрация (объемная или поверхностная) электронов под затвором при нулевом напряжении на затворе определяется величиной работы выхода электронов из металла затвора, плотностью заряда в окисном слое и плотностью заряда на границе раздела кремний — окисный слой. Если под действием этих параметров при нулевом напряжении затвора между истоком и стоком образуется инверсный слой, то через структуру протекает ток стока и транзистор открыт. В этом состоянии приложением отрицательного напряжения к затвору транзистора можно управлять током стока. Такой режим работы МОП-транзисторов называется режимом обеднения. С другой стороны, если при нулевом напряжении затвора инверсный слой под затвором не образуется, промежуток между истоком и стоком изолирован подложкой p-типа и транзистор закрыт. При подаче положительного напряжения на затвор под ним образуется инверсный
слой и транзистор открывается. Такие приборы называются МОП-транзисторами, работающими в режиме обогащения.
На рис. 3.18 изображен МОП-транзистор, у которого на подложке p-типа сформированы п+-области истока и стока, а канал образуется индуцированием электронов. Это транзистор с каналом n-типа. Обратная струк
Канал МеталлКанал МеталлРис. 3.18. Структура МОП-транзистора (схематичное изображение).Рис. 3.18. Структура МОП-транзистора (схематичное изображение).тура, у которой на подложке n-типа расположены р+-обла- сти истока и стока, а канал формируется дырками, образует МОП-транзистор с каналом p-типа. Условные обозначения МОП-транзисторов с п-
Канал Металл
Канал Металл
Рис. 3.18. Структура МОП-транзистора (схематичное изображение).
Рис. 3.18. Структура МОП-транзистора (схематичное изображение).
и р-каналами показаны на рис. 3.19.
Ниже будут рассмотрены принцип работы и характери-
стики МОП-транзисторов. Но сначала нам необходимо изучить основы физики МОП-структуры, чтобы ясно представлять себе работу МОП-транзисторов.
Стоков)Стоков)Затдор^б).Затдор^б).ДотомfS) а.ДотомfS) а.Стом/Д)
Стоков)
Стоков)
Затдор^б).
Затдор^б).
ДотомfS) а.
ДотомfS) а.
JamMfflvA аложма ^k^Доолоясла 9) "Н (5)
Дотол^З)
Рис. 3.19. Условное обозначение МОП-транзисторов с p-каналом (а) и п-кана- лом (б).
Физика МОП-структуры
Если вырезать подзатворную область МОП-транзистора, изображенного на рис. 3.18, то получим структуру МОП-диода, показанную на рис. 3.20. Рассмотрим этот МОП-диод. Изоляционным слоем в такой структуре обычно служит тонкий слой двуокиси кремния (51Ог) толщиной 20—100 нм полученный термическим окислением кремниевой подложки. Материалом для металлического электрода берется алюминий (А1). На нижней поверхности подложки p-типа сформирован электрод, образующий омический контакт с подложкой. Для понимания работы МОП-транзистора важно знать, как изменяются электронные состояния на границе раздела Si—SiOz при приложении напряжения к алюминиевому электроду.
Слой SiO2 является изолятором, а А1 и Si проводят электрический ток и МОП-диод вполне можно рассматривать как конденсатор. Но концентрация электронов в кремнии намного меньше, чем в металле. Следовательно, величина емкости этого конденсатора будет отличаться от емкости обычного конденсатора со структурой металл — SiO2— металл. В зависимости от приложенного напряжения емкость МОП-диода изменяется. При подаче отрицательного напряжения на алюминиевый элект-
аьаь^ — Сллй^х^^ — Сллй^х^Омический контактОмический контактРис. 3.20. Структура МОП-диода р-типа.Рис. 3.20. Структура МОП-диода р-типа.
аь
аь
^ — Сллй^х^
^ — Сллй^х^
Омический контакт
Омический контакт
Рис. 3.20. Структура МОП-диода р-типа.
Рис. 3.20. Структура МОП-диода р-типа.
род у границы раздела Si—SiO2 накапливаются дырки — основные носители в Si-подложке. В этом случае емкость структуры определяется емкостью слоя SiO2:
Сох =Сох =ерх е^ох 1ерх е^ох 1(3.76)(3.76)
Сох =
Сох =
ерх е
^ох 1
ерх е
^ох 1
(3.76)
(3.76)
где еох — диэлектрическая постоянная слоя SiO2, равная 3,45X Х10~13 Ф/см, dox — толщина слоя SiO2, S — его площадь.
При подаче положительного напряжения к алюминиевому электроду основные носители — дырки удаляются от границы раздела Si—SiO2. У этой границы, как и в обратносмещенном рп-переходе, возникает обедненный слой и емкость структуры уменьшается. При дальнейшем увеличении положительного напряжения у границы раздела Si—SiO2 начинают накапливаться электроны — неосновные носители в подложке, и формируется инверсный слой. При образовании инверсного слоя большая часть падения приложенного напряжения будет приходиться на окисный слой и ширина обедненного слоя перестанет увеличиваться. Скорость движения электронов к границе раздела в зависимости от приложенного напряжения определяется наиболее короткой из двух составляющих: времени индукционного насыщения для неосновных носителей т = е/ецп«ро (е— диэлектрическая постоянная кремния, рп — подвижность электронов, про— концентрация электронов в подложке p-типа)- и времени генерации— рекомбинации неосновных носителей в обедненном слое. Обычно у границы раздела Si—SiO2 более короткой является вторая составляющая, поэтому скорость отклика электронов в
Слой .накоплслияСлой .накоплслияслоислои11/7/77ДиЦЛ- тельнос/7/77ДиЦЛ- тельносОХ"ОХ"О Y%2^О Y%2^^F8^F8Голода л ля лоослайль/а?лоолтолои л дапрайсаГолода л ля лоослайль/а?лоолтолои л дапрайсайСШЛОЖОЛЛОС’лалдлол^ллилйСШЛОЖОЛЛОС’лалдлол^ллил/7ЯЛЛЛЯ7Л- /ЛОЛЬЛОД/7ЯЛЛЛЯ7Л- /ЛОЛЬЛОДСА/оллллао/по/плая длдллтодлстлла ^лзлллаотлтлая гглдллтлддлл/лллд С’ь/слл&1/аол7лл7лдя дддалтлдлстлла ( лмлдльлль/л режил)СА/оллллао/по/плая длдллтодлстлла ^лзлллаотлтлая гглдллтлддлл/лллд С’ь/слл&1/аол7лл7лдя дддалтлдлстлла ( лмлдльлль/л режил)
Слой .накоплслия
Слой .накоплслия
слои
слои
1
1
/7/77ДиЦЛ- тельнос
/7/77ДиЦЛ- тельнос
ОХ"
ОХ"
О Y%2^
О Y%2^
^F8
^F8
Голода л ля лоослайль/а?лоолтолои л дапрайса
Голода л ля лоослайль/а?лоолтолои л дапрайса
йСШЛОЖОЛЛОС’лалдлол^ллил
йСШЛОЖОЛЛОС’лалдлол^ллил
/7ЯЛЛЛЯ7Л- /ЛОЛЬЛОД
/7ЯЛЛЛЯ7Л- /ЛОЛЬЛОД
СА/оллллао/по/плая длдллтодлстлла ^лзлллаотлтлая гглдллтлддлл/лллд С’ь/слл&1/аол7лл7лдя дддалтлдлстлла ( лмлдльлль/л режил)
СА/оллллао/по/плая длдллтодлстлла ^лзлллаотлтлая гглдллтлддлл/лллд С’ь/слл&1/аол7лл7лдя дддалтлдлстлла ( лмлдльлль/л режил)
инверсном слое определяется временем генерации — рекомбинации носителей в обедненном слое. Время генерации носителей зависит от плотности дефектов на границе раздела Si—БЮг, которая определяется технологией изготовления приборов. Следовательно, время отклика электронов в инверсном слое также зависит от технологического процесса изготовления МОП-струк- туры. У МОП-транзистора согласно рис. 3tl8, имеющего на по-
ГГднсяньш И л Сорель/лслой
Рис. 3.21. Вольт-фарадная характеристика МОП-диода p-типа. Сох —емкость окисного слоя, Сев — емкость «плоских зон», ф$, фв — обозначения согласно рис. 3.24, а.
верхности п+-области, неосновные носители переходят в инверсный слой из этих п+-областей, поэтому их время отклика очень мало.
Рассмотренные выше физические процессы можно проследить по вольт-фарадной характеристике МОП-диода, изображенной на рис. 3.21. Для МОП-структуры с подложкой п-типа полярность приложенного напряжения обратная. Частота перехода от высокочастотной (сплошная линия на рисунке) к низкочастотной (пунктирная линия) емкостной характеристике определяется скоростью отклика неосновных носителей, о которой было сказано выше. Очевидно, что эта частота зависит от состояния поверхности на границе раздела Si—SiO2. Обычно она лежит в диапазоне от единиц до десятков герц. При мгновенном приложении напряжения смещения, например, в режиме импульсного питания, обедненный слой расширяется без образования инверсного слоя, поскольку электроны нс успевают подтянуться к границе раздела Si—SiO2. В этом случае емкость структуры продолжает уменьшаться подобно обратно смещенному рп-переходу. При некотором напряжении возникает про-
бой, т. е. лавинное увеличение количества электронно-дырочных пар, что приводит к мгновенному образованию инверсного слоя. При этом вольт-фарадная характеристика возвращается к своему обычному состоянию на высокой частоте. Этот режим отражен на рисунке штрихпунктирной линией.
А1А1-8,0-8,0Для количественного расчета вольт-фарадной характеристики МОП-диода обратимся к его энергетической диаграмме, изображенной на рис. 3.22. На рис. а представлены энергетиче-
А1
А1
-8,0
-8,0
^.О J£с
—L_6,s
77777777777, с"
Рис. 3.22. Энергетическая диаграмма структуры А1—SiO2—Si. а — перед взаимным контактированием, б —в состоянии теплового равновесия. Цифры даны в эВ. Параметры Si: p-тип, JVa=2-1015 см-3.
ские диаграммы относительно уровня потенциала вакуума для каждого слоя структуры А1—SiO2—Si в отдельности, до их взаимного контактирования. На рис. б изображена энергетическая диаграмма структуры в состоянии теплового равновесия. Показаны работа выхода алюминия (разница между уровнем вакуума и уровнем Ферми), а также запрещенные зоны и энергии электронного сродства (разности между уровнем вакуума и дном зон проводимости) для SiO2 и кремния. Эти величины, вообще говоря, зависят от температуры. Однако практически их можно считать постоянными. Следует отметить, что работа выхода кремния зависит от его типа проводимости и концентрации носителей. Приведенная на рисунке величина работы выхода Si 5,0 эВ соответствует концентрации акцепторов 2-Ю15 см-3. Для другой концентрации акцепторов работу выхода можно определить по положению уровня Ферми ^^ на рис. 2.15 из предыдущей главы.
Перед рассмотрением диаграммы на рис. 3.22,6 прежде всего отметим, что, во-первых, разность между энергией дна зоны проводимости SiO2 и уровнем Ферми алюминия равна разности между работой выхода алюминия и энергией электронного сродства SiO2, и, во-вторых, разность между энергиями дна зон про-
водимости SiO2 и кремния есть разность между их энергиями электронного сродства. Для определения падений напряжения в 5Юг и Si необходимо решить уравнение Пуассона для зарядов, расположенных в SiO2 и Si и обусловленных электронами,, дырками и ионизированными примесями. В качестве граничного условия возьмем разницу в 0,9 эВ между уровнями Ферми кремния и алюминия. На рис. 3.22,6 показана идеальная диаграмма
Рис. 3.23. Влияние поверхностного заряда на напряжение плоских зон (Vfb). Поверхностный заряд: о — отсутствует, УРВ=—0,9 В; б — положительный, Vfb<—0,9 В; в — отрицательный, Угв>—0,9 В.Рис. 3.23. Влияние поверхностного заряда на напряжение плоских зон (Vfb). Поверхностный заряд: о — отсутствует, УРВ=—0,9 В; б — положительный, Vfb<—0,9 В; в — отрицательный, Угв>—0,9 В.
Рис. 3.23. Влияние поверхностного заряда на напряжение плоских зон (Vfb). Поверхностный заряд: о — отсутствует, УРВ=—0,9 В; б — положительный, Vfb<—0,9 В; в — отрицательный, Угв>—0,9 В.
Рис. 3.23. Влияние поверхностного заряда на напряжение плоских зон (Vfb). Поверхностный заряд: о — отсутствует, УРВ=—0,9 В; б — положительный, Vfb<—0,9 В; в — отрицательный, Угв>—0,9 В.
такой структуры, без учета встроенного заряда в SiO2 и заряда поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2. Расчет показывает, что падение напряжения в слое SiO2 составляет 0,6 В, а в кремнии — 0,3 В. Эти величины могут меняться в зависимости от концентрации примеси в кремнии. Кроме того, сильное влияние на распределение напряжения оказывают поверхностные уровни и встроенный заряд.
Для дальнейшего анализа работы МОП-транзистора рассмотрим так называемое условие плоских зон. Как видно из рис. 3.22,6, если приложить к алюминию отрицательное напряжение 0,9 В, падение напряжения в кремнии станет равным1 нулю, что соответствует рис. 3.23, а. Это и есть так называемое условие плоских зон, а соответствующее ему напряжение (в данном случае — 0,9 В) называется напряжением плоских зон -Vfb. Если на границе раздела имеется положительный заряд, то условие плоских зон соответствует рис. 3.23,6. В этом примере падения напряжения в кремнии не происходит, однако возникает разность потенциалов в слое SiO2. Причем ясно, что величина Vfb отрицательна. Если же на границе раздела возникает
отрицательный поверхностный заряд, то, в соответствии с рис. 3.23, в величина VFb становится положительной.
На основании приведенных качественных рассуждений напряжение плоских зон при наличии заряда с поверхностной плотностью Qss на уровнях границы раздела Si—БЮг можно представить в виде
Vfb =у^м-^)-^- Qss*(3'77)
Здесь 0м, 0s — работы выхода электронов для металла и полупроводника соответственно.
Соответствующая емкость, называемая емкостью плоских зон (Cfb), равна:
CFB = (l/C0X+LD/es)-1,(3.78)
где Ld — длина Дебая, определяемая по формуле:
•<3-79)
Здесь Na — концентрация акцепторов (для полупроводника tn-типа следует брать концентрацию доноров Nd). На вольт-фа- .радной характеристике рис. 3.21 отмечены величины CFB, Vfb.
Определим теперь влияние приложенного напряжения на характеристики МОП-структуры. Для простоты будем считать, что поверхностный заряд отсутствует. Распределение заряда в полупроводнике найдем, решив уравнение Пуассона для зарядов электронов, дырок и ионизированных примесей:
= (-Лр + Рр-ЛГа).(3.80)
Здесь пр, рр—концентрации электронов и дырок в подложке p-типа, <р — электрический потенциал. За положение опорного потенциала можно принять различные энергетические уровни. Пусть нулевой потенциал соответствует уровню Ферми (^i) собственного полупроводника в электрически нейтральной области, как это показано на рис. 3.24, а. В МОП-диоде ток всегда равен нулю, поэтому можно считать, что при приложении напряжения уровень Ферми всегда постоянен в любой точке полупроводника. С учетом этого условия преобразуем формулы (2.24) из предыдущей главы для пр, рр:
пр = проехр(^,(3.81)
Рр = рроехр(—^.(3.82)
Рро = -^а>(3.83)
nw=n^Na.(3.84)
Опасный
Металл слой
Уровень Ферми
ft
——Уровень нулевого у^в £ потенциала
fv
ЛолрпровоОник
ф
^07
Инверсный слой
/ ОУеОненный слой
_ Иейтральная оУласть ОвоОоОные Оырки р^
(+) ©
nPs
Na
ЛонизироУанные акцепторы ОУово Оные злентроны
Ланиентрация оЛ&еыного заряОа
ОкисныйМеталл слоиОкисныйМеталл слоиОолупрсОаОникОолупрсОаОник
Окисный
Металл слои
Окисный
Металл слои
ОолупрсОаОник
ОолупрсОаОник
Окисный „
Металл слои ЛалупроУоОни/г
77/7,
©
Рро
Na
бс
—я?
еч
О УоУо Оные Оыркир^
Pps
ОУеОненный слой
. Ионизированные — акцепторы
Лей тральная — оУласте
Na
©
^fc
=4
Слой намоплеоия
Лей тралена Я' ооласть
9
ИонизироУанныеакцепторы
О
Рис. 3.24. Энергетические диаграммы МОП-диода, а также распределения концентраций носителей и объемных зарядов: а — режим инверсии, б — режию обеднения, в — режим накопления. Заштрихованные области указывают концентрацию объемных зарядов.
Поскольку ф>0, то относительно энергии электронов энергетические зоны на диаграмме рис. 3.24 изогнуты вниз. Подставляя формулы (3.81), (3.82) в уравнение (3.80), можно аналитически решить это уравнение относительно <р. Подробнее о решении данного уравнения можно прочитать в других источниках. В зависимости от величины напряжения смещения распределе-
ние концентрации объемного заряда соответствует режимам инверсии, обеднения и накопления, которые по отдельности приведены на рис. 3.24, а, б и в.
Рассмотрим распределение концентрации объемного заряда в режиме инверсии, т. е. когда к металлу приложено высокое положительное напряжение (рис. а). Вблизи границы раздела Si—SiO2 уровень Ферми ^f лежит выше середины запрещенной зоны полупроводника, поэтому концентрация электронов резко увеличивается в направлении электрического поля и вблизи границы раздела образуется область с высокой концентрацией свободных электронов. Эта область называется инверсным слоем. Толщина инверсного слоя очень мала — 5— 10 нм. Рядом с этим слоем (на рисунке — справа) возникает область с очень маленькой концентрацией электронов и дырок— обедненный слой. В этом слое находится объемный отрицательный заряд ионизированных акцепторов. В результате образования обедненного слоя электрическое поле внутри полупроводника отсутствует, т. е. справа от обедненного слоя расположена нейтральная область.
На рис. 3.24,6 показан режим малого положительного напряжения на металлическом слое. Уровень Ферми у поверхности полупроводника лежит вблизи середины его запрещенной зоны. Поэтому у поверхности электронов мало и инверсный слой не образуется. Однако в приповерхностной области возникает отрицательный объемный заряд, обусловленный ионизированными акцепторами. По аналогии с контактом Шоттки такое состояние соответствует режиму обеднения. Если на металлический слой подать отрицательное напряжение, то на границе раздела будут накапливаться основные носители — дырки, как показано на рис. 3.24, в. Область, обогащенная дырками, образует слой накопления заряда. Слой накопления контактирует с нейтральной областью, и обедненный слой в этом режиме не возникает.
Для численного определения величины объемного заряда нужно решить уравнение (3.80) относительно ф, поставив в него формулы (3.81)—(3.84). Если фз— поверхностный потенциал, £s — поверхностная напряженность электрического поля, то, используя распределение Гаусса, плотность объемного заряда Qs1* можно выразить формулой:
Vs— es£s— ± qtD (рхР^ кт р кТ 1
-I- Про /руп ( ^ ^ 4Фз 1 11^*(Ч 851
—1)] •
Знак «±» перед этим выражением означает, что при фз>0 следует воспользоваться знаком « + », а при фз<0— знаком «—>. Зависимость между Qs и фз в численном виде можно построить графически. На рис. 3.25 эта зависимость приведена для Na = =4-1015 см"3.
Если в нейтральной области ^ф=(^1—ё?р), то, как видно на рисунке, условие фз^2фВ соответствует области инверсии, в ко
торой незначительное увеличение фз приводит к резкому росту концентрации электронов. В диапазоне 0<фз<2фв расположена область обеднения. По аналогии с контактом Шоттки при увеличении фз расширяется и обедненный слой. ф$ = 0 соответствует режиму плоских зон, а при фз>0 образуется слой накопления, обогащенный дырками. Эти состояния МОП-структу- ры отражены в таблице 3.2.
Итак, мы рассмотрели зависимость между Qs и фз. Для изучения зависимости между Qs и напряжением V, прило-
I Ц^,Кл/смгI Ц^,Кл/смгРис. 3.25. Зависимость между плотностью объемного заряда и поверхностным потенциалом фз для Si р-типа (300 К), Wa=4-1015 см-3.Рис. 3.25. Зависимость между плотностью объемного заряда и поверхностным потенциалом фз для Si р-типа (300 К), Wa=4-1015 см-3.женным к МОП-диоду, необходимо также знать зависимость между фз и V. Для этого определим сначала взаимосвязь
I Ц^,Кл/смг
I Ц^,Кл/смг
Рис. 3.25. Зависимость между плотностью объемного заряда и поверхностным потенциалом фз для Si р-типа (300 К), Wa=4-1015 см-3.
Рис. 3.25. Зависимость между плотностью объемного заряда и поверхностным потенциалом фз для Si р-типа (300 К), Wa=4-1015 см-3.
^ох =^ох =Ж8охЖ8ох(3.86)(3.86)между напряжением, приложенным к окисному слою, и падением напряжения в полупроводнике. Напряженность электрического поля Дох в окисном слое согласно закону Гаусса равна:
^ох =
^ох =
Ж8ох
Ж8ох
(3.86)
(3.86)
Тогда падение напряжения Vox на окисном слое:
(3.87)(3.87)Уох=doxEox=-^L1 Qs | =4^- 5.
(3.87)
(3.87)
В последней зависимости мы воспользовались формулой (3.76). С другой стороны, приложенное напряжение V можно записать в виде:
V = Vqx+Ts+^fb-V = Vqx+Ts+^fb-(3.88)(3.88)
V = Vqx+Ts+^fb-
V = Vqx+Ts+^fb-
(3.88)
(3.88)
Для заданной величины V из соотношений (3.85), (3.87) и (3.88) можно определить численные значения Vox, фз, Qs.
Таблица 3.2
Изменения слоя приповерхностного объемного заряда от поверхностного потенциала ф$.
(Величина цфв, равная (^i—^f) в нейтральной области, положительна для полупроводника p-типа и отрицательна для полупроводника п-типа)
ф8<0 ф5 = 0 фв>ф5>0 ф5 = фВ
Накопление дырокЗоныизогнуты вверх
Режим плоских зонЗоныпрямые
Обедненный слойЗоныизогнуты вниз
Состояние собственного полу-—»—
проводника на границе разде-
2фв>ф5>фВ
Накопление электронов (ела-—»—
боинверсный слой) + обедненный слой
ф$>2фв
Формирование сильноинверс-—»—
ного слоя + обедненный слой
Следует обратить внимание на то, что взаимосвязь между поверхностным потенциалом и поверхностным зарядом Qss отражена в формуле (3.77) для Vfb. Из предыдущих рассуждений известно, что при фд^2фВ заряд Qs резко возрастает, причем большая часть приложенного напряжения приходится на окисный слой. Поэтому при повышении напряжения ширина обедненного слоя, расположенного ниже инверсного слоя на рис. 3.2К увеличивается незначительно. Как видно на рисунке 3.21, на высокочастотной характеристике МОП-структура имеет постоянную емкость. Особые точки, указанные в табл. 3.2, нанесены на вольт-фар ад ную характеристику рис. 3.21.
И наконец, общую емкость С МОП-диода можно представить как последовательное соединение емкости Сох окисного слоя и переменной емкости CD( = dQs/<^s), меняющейся от ф$ и Qs в полупроводнике:
(3.89>(3.89>Р СрхСр
(3.89>
(3.89>
Cox + CD •
величину Ср можно численно определить из уравнения (3.85).
Принцип работы и характеристики МОП-транзистора
Принцип работы. Области п+-типа истока и стока МОП-транзистора, изображенного на рис. 3.18, расположены на поверхности структуры. Поэтому электроны поступают в поверхностный инверсный слой канала из этих п+-областей. Путем приложения разности потенциалов между истоком и стоком можно управ-
лять распределением потенциала в канале и регулировать ток стока. В этом состоит отличие МОП-транзистора от МОП-диода,
в котором такое управление невозможно.
Проведем качественный анализ работы МОП-транзистора. При подаче положительного напряжения на затвор МОП-тран
зистора, показанного на рис. 3.26,а, под затвором образуется инверсный слой (канал) равномерной толщины. Теперь приложим к стоку небольшое напряжение. Через сток потечет очень слабый ток, увеличивающийся пропорционально напряжению стока Vd. Такой режим соответствует линейной области ВАХ транзистора. При этом поперечная составляющая Ех (вдоль оси х) электрического поля в канале, направленная перпендикулярно каналу, больше продольной составляющей Еу поля (вдоль оси у).
При дальнейшем по
Рис. 3.26. Принцип работы МОП-транзистора.Рис. 3.26. Принцип работы МОП-транзистора.вышении напряжения стока рп+-переход между р- подложкой и п+-обл астью
Рис. 3.26. Принцип работы МОП-транзистора.
Рис. 3.26. Принцип работы МОП-транзистора.
стока, а также рп-пере-
ход между р-подложкой и каналом со стороны стока получают большое обратное смещение. На рис. 3.26, б видно, что одновременно с расширением обедненного слоя в направлении от области стока происходит уменьшение ширины канала со стороны стока. Если и дальше увеличивать Vd, то концентрация электронов в канале вблизи стока становится крайне малой и происходит закрывание канала. Такое состояние называется режимом отсечки. В точке отсечки продольная составляющая Еу электрического поля превышает его поперечную составляющую Ех. Под действием этого поля электроны с высокой скоростью дрейфуют в направлении стока, аналогично тому, как это происходит вблизи коллектора биполярного транзистора. Дальнейшее увеличение VD приведет к перемещению точки отсечки в направлении истока и п+-область стока будет со всех
Рис. 3.28. Энергетическая диаграмма МОП-транзистора в поперечном сечении А—А' рисунка 3.26 на расстоянии у от границы истока.Рис. 3.28. Энергетическая диаграмма МОП-транзистора в поперечном сечении А—А' рисунка 3.26 на расстоянии у от границы истока.
Рис. 3.28. Энергетическая диаграмма МОП-транзистора в поперечном сечении А—А' рисунка 3.26 на расстоянии у от границы истока.
Рис. 3.28. Энергетическая диаграмма МОП-транзистора в поперечном сечении А—А' рисунка 3.26 на расстоянии у от границы истока.
сторон окружена обедненным слоем. В режиме, когда длина канала больше величины перемещения точки отсечки к истоку» увеличение Уп не приводит к изменению тока стока, что соответствует области насыщения тока на характеристике транзистора. У реальных транзисторов полного режима насыщения не существует: в области насыщения ток стока все-таки немного увеличивается с ростом напряжения стока. Транзистор при этом имеет некоторую конечную величину проводимости стока.
Поскольку концентрация электронов в канале зависит от напряжения затвора, то и ток стока изменяется от этого напряжения. На рис. 3.27 представлено семейство статических характеристик МОП-транзистора.
Статические характеристики. Для количественной оценки тока стока будет считать, что поперечная составляющая поля Ех больше его продольной составляющей Еи. Это бывает при доста-
Рис. 3.27. Статические характеристики серийного МОП-транзистора фирмы NEC: 2SJ11A. Уо— напряжение затвора, Рв=0, Рт — потребляемая мощность.
точно большой длине канала и называется плавным приближением. Определим концентрацию электронов в канале в условиях плавного приближения. Для этого построим энергетическую диаграмму поперечного сечения структуры МОП-транзистора в плоскости А—А', расположенной на расстоянии у от границы истока (см. рис. 3.26,6). Эта энергетическая диаграмма представлена на рис. 3.28. Из-за малого электрического сопротивления канала его потенциал определяется потенциалами истока и стока и изменяется вдоль канала. Таким образом, у границы с истоком потенциал канала соответствует потенциалу истока, а у границы со стоком — потенциалу стока. Потен-
циал канала в точке, расположенной на расстоянии у от истока, обозначим Vc(y). Поскольку в МОП-транзисторе электроны поступают в канал из истока, то их концентрация отличается от случая для МОП-диода и не соответствует концентрации электронов в объеме полупроводника. Следовательно, в отличие от МОП-диода в МОП-транзисторе уровень Ферми меняется: в канале и в объеме полупроводника он имеет различные значения. Строго говоря, понятие уровня Ферми справедливо только для состояния теплового равновесия, и в условиях протекания тока через МОП-транзистор эту величину использовать нельзя. Поэтому для представления концентрации Пс электронов в канале по аналогии с уровнем Ферми используют некоторую величину энергии ^рп, так называемый квазиуровень Ферми:
пс = п1ехр(^7^).(3.90)
С помощью квазиуровней Ферми можно записать напряжение между подложкой и каналом:
^Рр-^п=У^с(у)-Ив],(3.91)
где Ив — напряжение подложки, ^fp — квазиуровень Ферми для дырок в подложке p-типа (см. рис. 3.28).
Пусть Пс — концентрация электронов в канале. Согласно разделу 3.3.2 этой главы, если выполняется соотношение:
^рп—As)УФв>(3.92)
то у поверхности полупроводника концентрация пс очень велика. С другой стороны, сколько бы ни увеличивалась Ис, квазиуровень Ферми у поверхности всегда удовлетворяет величине:
^Fn—As = Wb-(3.93)
На основании этих рассуждений поверхностный потенциал <ps(y) при образовании канала можно представить в виде:
Фз (У)= 21 Фв | + ^с(У) ^в»(3.94)
как это видно на рис. 3.28.
При таких условиях ширина Ха(у) обедненного слоя, образовавшегося под каналом, равна:
х4 (у) = У 2es[21 фВ |_^Ус (у) — ^в! .(3.95)
Это выражение аналогично формуле для обедненного слоя контакта Шоттки, на котором происходит падение потенциала ф$(у). Толщина канала очень мала (5,0—10 нм), поэтому падением напряжения в канале можно пренебречь.
При этом плотность объемного заряда Qd(t/) (заряда, ионизированных акцепторов) равна:
Qd(y)=*d(y)l/^a[2^Bl+Vc(y)-VB]. (3.96)
Здесь необходимо обратить внимание на то, что величины Xd(y), Qd(y) являются функциями у.
Теперь определим плотность электронов Qn(y) в канале. Из выражений (3.87), (3.88), (3.94) получим полную плотность заряда Qs(у) в полупроводнике:
Qs (</) = -Сох (VG-Vc (у)-Vfb-2 | Фв I)-(3.97>
Плотность электронов Qn в канале равна Qs за вычетом Qd:
Qn(y)=Qs(y)-Qd(y).(3.98)
Ток /с в канале представим через падение напряжения dVc на отрезке dy канала:
/с = -^п(у)^1Кс^.(3.99)
Здесь приняли, что в канале присутствует только дрейфовая составляющая тока, рп — подвижность электронов, W— ширина канала.
Следует отметить, что в соответствии с законом непрерывности токов, ток 7с — величина постоянная и не зависит от координаты у. Если выражение (3.99) проинтегрировать по dy в пределах от 0 до L (L — длина канала) с учетом того, что Vcly') меняется от напряжения истока Vs До напряжения стока Vd, то получим:
^С = Hn ~ I^OX^G ^FB 2 I фв |<7 Vd
—Tys) (^-^)—г/2^ЛГа[(2|фв| +
+ VD-Vb)8'2-(2|Tb| + Vs-Vb)^ (З.ЮО)
Для обобщения здесь использовано напряжение истока Vs, которое на рис. 3.28 не указано.
Из приведенного анализа ясно, что формула (3.99) справедлива только для режима существования электропроводного канала. Как уже отмечалось, если напряжение стока Vd увеличивать до точки отсечки, то на границе канала со стороны стока (y = L) плотность электронов станет равной нулю (Qn = 0). Если считать, что в режиме отсечки напряжение стока равно напряжению насыщения VDsat, то из соотношений (3.96), (3.97),
(3.98) для y = L, Ус=Уо Sat ПОЛуЧИМ:
х [/ I+^-^-I'fb-Vb)-!]'(3.101)
При Уо> Vd sat точка отсечки перемещается только в направлении истока и ток стока становится постоянным. Этот ток называется током стока насыщения /osat. Величину 7nsat можно получить подстановкой формулы (3.101) В (3.100).
Формула (3.100) имеет наиболее общий вид, учитывающий влияние смещения в подложке (базе). Ув, и поэтому она достаточно сложна. Если исток и подложку заземлить, то Уз=Ув = 0. Определим в этом случае ток стока 7О. Поскольку в МОП-транзисторе ток затвора равен нулю, и 7С = 7С, то получим:
7о = Ип“ ^ох ^о-"^fb—2 ] Фв I ^"^d —
—1 Г2^ЛС[(21 Фв/ + Vd)3/2_(2 I % |)3/2]j. (3.102)
В линейной области характеристики для малых значений Уо ■формулу (3.102) можно еще упростить:
7о = -^пСох[(Уо-Ут)Уо-
( 1 -i-T/es^a I <Рв I yD2 )(3.103)
\ 24/ J
Здесь
Ут = УРВ + 2 |фв| + ^^^-(3.104)
При дальнейшем уменьшении Vd, когда Уо<С(Ус—Ут) можно записать:
7о~4^Сох(^-Ут)Уо.(З.Ю5)
Из этого выражения ясен физический смысл величины Ут— это напряжение затвора, при котором через канал начинает протекать ток стока. Формула (3.105) справедлива только при условии, когда Ус—Ут>0. Очевидно, что если Ус—Ут<0, то 7п = 0. Поэтому величина Ут называется пороговым напряжением. Если Уг>0, то при Ус = 0, ток стока становится равным нулю (7d = 0), что соответствует режиму обогащения МОП-транзистора. При Ут<0 и Ус = 0 через структуру протекает ток стока определенной величины, и МОП-транзистор работает в режиме обеднения.
Рассмотрим пороговое напряжение Ут более подробно. Величина Ут зависит от материала затвора, плотности поверхностного заряда, толщины подзатворного окисного слоя и концентрации примеси в полупроводнике. Изменяя эти параметры, можно управлять режимом работы МОП-транзистора (создавать режим обогащения или обеднения). В частности, для управления величиной Ут широко используется метод ионной имплантации, с помощью которого регулируется концентрация примеси вблизи поверхности полупроводника.
Из формул (3.101) и (3.100) можно вывести зависимость для тока канала /о sat в области насыщения, когда Уо>Уп8а1. Эта зависимость имеет достаточно сложный вид, поэтому на практике чаще используют следующее ее приближение:
Л>8а1 ~ "^ ^CoxCVq-Vt)2. (З.Ю6)
Здесь т— коэффициент, который, вообще говоря, зависит от концентрации примеси, и для наиболее простого случая равен 1/2. Из формулы (3.106) следует, что величину Ут практически можно определить по зависимости между напряжением затвора Ус и квадратным корнем из тока насыщения /о sat.
При высокой концентрации примеси или малой длине канала величина Ут, определенная для линейной области ВАХ МОП- транзистора, отличается от величины Ут для области насыщения. Это объясняется рядом допущений, принятых при выводе приведенных формул. Однако в целом расчетные характеристики, полученные по этим формулам хорошо согласуются с реальными параметрами приборов.
Параметры МОП-транзистора. К наиболее важным параметрам, характеризующим МОП-транзистор, относятся стоковая проводимость (go), взаимная проводимость (^т)^ пороговое напряжение (Ут) и время пролета носителей (тс). Рассмотрим их.
Стоковая и взаимная проводимости gD и gm определяются следующими формулами:
<3-107)
<зл08>
Значения проводимостей gD и gm различаются для линейной области и области насыщения характеристики.
Для линейной области из (3.105) следует, что:
^ = +нпСОХ(Уо-Ут).(3.109)
gm = ^HnC0XVD.(ЗЛЮ)
Для области насыщения из (3.106) получим
£d = 0,(3.111)
gm -^ НпС0Х (FG-Ут).(3.112)
Из предыдущих выкладок следует, что в области насыщения ^d —0. На практике, как видно на рис. 3.27, стоковая проводимость имеет конечное значение. Кроме того, величина gD увеличивается при уменьшении длины канала.
Пороговое напряжение (Кт) выражается формулой (3.104). При приложении обратного напряжения смещения Кв к подложке К? имеет вид:
Кт = KFB + 21Фв| + V^N6^b\ -Ив) . (3лj3)
Здесь величина обратного смещения Кв отрицательна. Поскольку пороговое напряжение Кт определяет режим работы МОП- транзистора (режим обогащения или обеднения), определим, какие параметры влияют на величину Кт. Напряжение плоских зон Кев, согласно формуле (3.77), зависит от разности (0м—0s) работ выхода металла и полупроводника. 0М— величина постоянная для данного металла, a 0s определяется концентрацией примеси в полупроводнике. В последние годы при изготовлении затворов МОП-транзисторов широко используется поликристал- лический кремний (поликремний). У транзисторов с п-каналом поликремний затвора легируется донорами в высокой концентрации и имеет проводимость п+-типа, а у транзисторов с р-ка- налом формируется р+-затвор из поликремния, легированного акцепторами. Легирование затвора проводят для понижения его
Таблица 3.3
Разности работ выхода (0м—0$). Единица измерения: В
Канал р-типа
Канал п-типа
Алюминиевый затвор
Кремниевый затвор
—0,6—I фв I 0,55+|фв|
—0,6+ 1 фв 1
—0,55— 1 фВ 1
Примечание. t/Ve"^—^? (см* Рис* 2.16).
электрического сопротивления: В таблице 3.3 приведены значения разности работ выхода (0м—0s)-для затворов из алюминия и поликремния.
Кроме того, напряжение плоских зон УРВ зависит от плотности поверхностного заряда Qss на поверхностных уровнях полупроводника. Величина Qss состоит из постоянного заряда, определяемого уровнями дефектов на границе раздела Si—SiOz, и из заряда в окисном слое, который определяется посторонними примесными ионами, например водорода (Н+) и натрия (Na+). Иными словами, на Qss влияет кристаллографическая ориентация поверхности кремния и технология изготовления окисного слоя. Современная технология позволяет получить очень малую плотность поверхностного заряда: Qss менее 1010 см"2.
Еще одним параметром, определяющим величину порогового напряжения Ут, является концентрация примеси Na у поверхности полупроводника. При изготовлении БИС заданную концентрацию примеси Na обычно формируют методом ионной имплантации. При этом можно регулировать величину Ут каждого транзистора БИС в отдельности, получая МОП-приборы, работающие как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения.
Время пролета носителей (тс). Для МОП-транзисторов, служащих функциональными элементами БИС, большое значение имеет скорость переключения, которая определяется временем пролета носителей в канале тс. В простейшем случае для линейной области характеристики тс выражается следующей формулой:
с «d Hn^D ’
где L — длина канала, оа — скорость дрейфа носителей. Кроме того, при работе в режиме усиления транзисторы характеризуются предельной частотой отсечки /т:
<3J15>
которая определяет высокочастотную границу использования этих приборов как усилительных элементов. В формуле (3.115) С! — входная емкость затвора, /т=1/т.
При работе МОП-транзисторов в инверторных схемах используется нелинейная область их характеристик, для которой анализ переходных процессов, вообще говоря, достаточно сложен. В упрощенном виде для этого случая также можно применить формулу (3.114), но уже с учетом ограничения скорости отклика в транзисторе. При высокой напряженности поля в канале транзистора скорость дрейфа входит в насыщение, и как
следует из формулы (3.114), тс уменьшается пропорционально- длине канала L. В слабых электрических полях подвижность цп постоянна, и величина тс пропорциональна ZA Отсюда ясно, что для повышения быстродействия БИС необходимо уменьшать длину канала МОП-транзисторов.
В современных БИС длина канала приближается к 1 мкм. Однако в МОП-транзисторах с таким коротким каналом возникают несколько иные явления, о которых мы кратко упоминал» ранее в разделе 2.4. Рассмотрим эти явления более подробно.
Эффект короткого канала
В предыдущем анализе мы рассматривали транзисторы со сравнительно длинным каналом и вывели формулу для его характеристики с использованием простейшей модели («плавное приближение»). Однако в результате проводимой миниатюризации МОП-транзисторов, используемых в СБИС, длина канала этих приборов достигла 1 мкм и даже меньше. У приборов с коротким каналом очень тонкий окисный слой, малая глубина диффузии в областях истока и стока, высокая концентрация примеси в подложке и низкое напряжение стока и затвора. Очевидно, что эти величины необходимо изменять пропорционально- уменьшению длины канала. В микроэлектронике даже существует так называемое правило масштабирования, т. е. пропорционального уменьшения размеров элементов БИС. Подробнее об этом правиле будет рассказано в разделе 5.4. Таким образом, МОП-транзистор с коротким каналом имеет ряд физических особенностей, отличающих его от изложенной выше теоретической модели. В этом разделе мы рассмотрим специфические явления, происходящие в транзисторе с коротким каналом, а также сравним реальные характеристики транзистора с расчетными.
Эффекты, происходящие в коротком канале транзистора, можно разделить на две основные группы. Первая группа эффектов связана с высокой напряженностью электрического поля в канале и включает уменьшение подвижности носителей, насыщение дрейфовой скорости и увеличение кинетической энергии электронов (эффект «горячих» электронов). Вторая группа эффектов вызвана тем, что в коротком канале уже нельзя пренебречь поперечной (вертикальной) составляющей Ех поля и «плавное приближение» становится неправомерным. Это приводит к трехмерному распределению электрического потенциала и- плотности тока, ток стока в результате пробоя не насыщается, появляется зависимость порогового напряжения от длины канала.
Подвижность носителей в канале. Глубина канала (толщина инверсного слоя) МОП-транзисторов очень мала и обычно лежит в пределах 5,0—10,0 нм. Поэтому подвижность носителей в канале отличается от подвижности в объеме полупроводника. Обычно подвижность в канале составляет xh~xU от объемной подвижности и зависит от напряжения затвора (т. е. от поперечной составляющей Ех поля в канале) и от концентрации электронов в канале. Чем больше напряжение затвора, тем выше Ех и меньше подвижность носителей.
При очень высокой напряженности поля Ех электроны локализуются в пределах двумерной плоскости, в пределах которой они теряют степень свободы вертикального перемещения в данном поле (образуется так называемый двумерный электронный газ). При этом возникают квантовомеханические размерные эффекты, которые наиболее ярко выражены при высокой подвижности носителей. Поэтому в кремниевых МОП-транзисторах такие эффекты обычно исследуются при температуре жидкого гелия. На границе раздела гетероструктуры GaAs—AlGaAs электроны имеют высокую подвижность и двумерный электрон- -ный газ в ней возникает даже при комнатной температуре. Следует отметить, что изложенное справедливо также и для приборов с длинным каналом.
Подвижность носителей в канале уменьшается также при возрастании напряженности продольной составляющей Ед поля в канале. При этом дрейфовая скорость входит в-режим насыщения. Этот эффект особенно заметен в приборах с коротким каналом и аналогичен насыщению дрейфовой скорости в объеме полупроводника, о котором упоминалось в предыдущей главе. Однако в данном случае величина дрейфовой скорости насыщения уменьшается с ростом поперечной составляющей Ех поля в канале.
Эффект насыщения дрейфовой скорости оказывает влияние на статические характеристики МОП-транзистора. Как показывает численный анализ, при уменьшении тока насыщения стока (/d sat) уменьшается также проводимость насыщения стока (go)- Поэтому ток насыщения стока пропорционален уже не квадрату, а первой степени напряжения затвора Vg'
^DSat = ^^ОХ (^О—^т)У5» (3.116) где t>s — эффективная дрейфовая скорость насыщения. Откуда, взаимная проводимость gm имеет вид:
gm = WCoxus. (3.11 ) Поскольку в реальных транзисторах поле в канале меняется в направлении от истока к стоку, то величина gm выражается некоторой промежуточной зависимостью по отношению к формулам (3.112) и (3.117).
,, полученной в разд. 3.3.3 этой ^фузия носителей, как следует,, полученной в разд. 3.3.3 этой ^фузия носителей, как следуетРис. 3.29. Эффект короткого канала. Зависимость между током стока /о и напряжением затвора Pg меняется от параметров L (длина канала) и Vd (напряжение стока). МОП-транзистор с п-каналом. Толщина окисного слоя — 13 нм. Ма=1014 см-8.Рис. 3.29. Эффект короткого канала. Зависимость между током стока /о и напряжением затвора Pg меняется от параметров L (длина канала) и Vd (напряжение стока). МОП-транзистор с п-каналом. Толщина окисного слоя — 13 нм. Ма=1014 см-8.
,, полученной в разд. 3.3.3 этой ^фузия носителей, как следует
,, полученной в разд. 3.3.3 этой ^фузия носителей, как следует
Рис. 3.29. Эффект короткого канала. Зависимость между током стока /о и напряжением затвора Pg меняется от параметров L (длина канала) и Vd (напряжение стока). МОП-транзистор с п-каналом. Толщина окисного слоя — 13 нм. Ма=1014 см-8.
Рис. 3.29. Эффект короткого канала. Зависимость между током стока /о и напряжением затвора Pg меняется от параметров L (длина канала) и Vd (напряжение стока). МОП-транзистор с п-каналом. Толщина окисного слоя — 13 нм. Ма=1014 см-8.
Режим токов в области порогового напряжения. Если напряжение затвора меньше порогового напряжения, у поверхности образуется слабоинверсный слой, и через МОП-транзистор протекает небольшой ток стока. В этом случае структура исток — канал — сток эквивалентна при- (или рпр-)транзистору, и ток
стока отличается от величины главы. При этом доминирует л из объяснения работы биполярного транзистора в разделе 3.2. Ток стока экспоненциально зависит от напряжения затвора. Этот ток протекает и в закрытом состоянии транзистора. Поэтому он называется током утечки. Ток утечки необходимо учитывать в БИС при определении переходных характеристик работы МОП-транзисторов в режиме переключения.
В транзисторах с длинным каналом ток утечки не зависит от напряжения стока в области V^SkTlq, а определяется только напряжением затвора. В приборах же с ко-
ротким каналом проявляется зависимость тока утечки от напряжения стока. Она проиллюстрирована на рис. 3.29, где показана зависимость тока стока от напряжения затвора. Параметрами являются длина канала и напряжение стока. При одинаковом напряжении затвора уменьшение длины канала
приводит к увеличению тока утечки и увеличению его зависимости от напряжения стока. Следует обратить внимание на тот факт, что пороговое напряжение есть напряжение затвора, при котором ток стока превышает заданную пороговую величину (например, 10-6А). Поэтому у МОП-транзисторов с коротким каналом пороговое напряжение Ут связано с длиной канала и напряжением стока.
Такое увеличение тока утечки в транзисторах с коротким каналом из-за двумерного распределения потенциала уже не ’’довлетворяет условию «плавного приближения». Это проявляется в том, что напряжение стока изменяет распределение потенциала перед истоком, и ток от истока к стоку протекает уже не через канал, а по объему полупроводника. Величина такого объемного тока зависит также от концентрации примеси в подложке и от глубины диффузии областей истока и стока. Сле-
довательно, от этих параметров зависит и пороговое напряжение в приборах с коротким каналом.
Эмпирическая формула для длины канала, при которой проявляется эффект короткого канала, имеет вид:
^in = 0,4[T]d(rs + FDm (3.118)
где yj — глубина рп-перехода (мкм) областей истока и стока; d— толщина окисного слоя (A); U^s, №п — ширина обедненных слоев истока и стока соответственно. Величины IFs, Wb зависят от концентрации примеси и от напряжения смещения в подложке. Чем меньше концентрация примеси в подложке, тем больше величина Lmin. Поэтому для предотвращения эффекта короткого канала необходимо увеличивать концентрацию примеси в подложке.
Пороговое напряжение (Ут). Согласно изложенной выше простейшей теории мы определяли пороговое напряжение Ут в основном только по величине заряда, индуцированного напряжением затвора. Этот заряд состоит из заряда свободных носителей в канале и из объемного встроенного заряда в обедненном слое. В действительности необходимо также учитывать влияние на Ут объемного заряда в рп-переходах, образованных областями истока и стока. Очевидно, что это влияние тем сильнее, чем короче канал. Пороговое напряжение в этом случае уменьшается по мере уменьшения длины канала. Кроме того, воздействие объемного заряда в рп-переходах на Ут возрастает с увеличением глубины областей истока и стока. Поэтому для уменьшения влияния этого эффекта следует формировать мелкие диффузионные области истока и стока.
Влияние горячих носителей. Как мы уже знаем, для того, чтобы электрическое поле в канале оставалось неизменным по мере уменьшения длины канала, в соответствии с правилом масштабирования необходимо понижать напряжение стока. Однако на практике для работы БИС используются стандартные постоянные напряжения. Следовательно, при уменьшении длины канала напряженность электрического поля в канале возрастает, кинетическая энергия носителей увеличивается и в канале появляются так называемые горячие электроны (или дырки).
Ранее отмечалось, что режим горячих носителей характеризуется насыщением их дрейфовой скорости. Кроме того, в МОП- транзисторах этот режим сопровождается еще изменением порогового напряжения. Это объясняется тем, что носители с высокой энергией преодолевают потенциальный барьер между кремнием и окисным слоем, инжектируются в этот слой, захватываются дефектами окисного слоя и повышают его объемный заряд. Кроме того, происходит увеличение количества горячих
носителей на поверхностных уровнях на границе раздела Si— ЗЮг. Поэтому эффекты, связанные с наличием горячих носителей в канале, препятствуют дальнейшей миниатюризации СБИС.
3.4. Полевые транзисторы с затвором Шоттки
Биполярные транзисторы, рассмотренные нами в разделе 3.2, и МОП-транзисторы, описанные в разделе 3.3, являются основными функциональными элементами кремниевых СБИС. Для повышения быстродействия БИС в настоящее время ведутся исследования и разработки по созданию интегральных схем на основе полупроводниковых химических соединений. Эти исследования находятся пока в стадии опытного производства в лабораторных условиях. Основным функциональным элементом БИС на основе соединения GaAs является полевой транзистор с затвором Шоттки (ЗШП-транзистор). МОП-транзисторы в БИС на GaAs практически не используются, так как на поверхности кристалла GaAs трудно сформировать изоляционный слой с хорошими электрофизическими параметрами. Кроме ЗШП- транзисторов в схемах на GaAs используют также полевые транзисторы, у которых затвором служит рп-переход. Технология изготовления ЗШП-транзисторов очень проста. Поэтому такие приборы обладают высокой надежностью при низком уровне шума, и их используют в качестве усилительных СВЧ-элементов в очень широком частотном диапазоне, не достижимом для кремниевых биполярных транзисторов.
Структура и принцип работы ЗШП-транзистора
Структура GaAs — ЗШП-транзистора изображена на рис. 3.30. На монокристаллической пластине GaAs с высоким удельным сопротивлением (обычно порядка 108 Ом-см, поэтому такую пластину называют полуизолирующей подложкой) сформирован тонкий электропроводный слой n-типа, который называется активным слоем. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов на активном слое n-типа под электродами истока и стока расположены п+-области. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки.
Активный слой обычно формируется ионной имплантацией, например кремния, или эпитаксиальным выращиванием тонкой пленки n-типа. Толщина активного слоя около 0,3 мкм, а концентрация примеси — примерно 3»1017 см-3. Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора. Обычно длина зат-
вора составляет 0,25... 1,5 мкм. Омические электроды изготавливаются из сплава Au—Ge—Ni, а электрод затвора — из алюминия. В последнее время электроды затворов БИС стали изготавливать из термостойких материалов, например из силицида вольфрама (WSi).Принцип работы ЗШП-транзистора следующий. К стокувора составляет 0,25... 1,5 мкм. Омические электроды изготавливаются из сплава Au—Ge—Ni, а электрод затвора — из алюминия. В последнее время электроды затворов БИС стали изготавливать из термостойких материалов, например из силицида вольфрама (WSi).Принцип работы ЗШП-транзистора следующий. К стокуприкладывают положительное напряжение, а к затвору — отрицательное. Поскольку затворприкладывают положительное напряжение, а к затвору — отрицательное. Поскольку затворИстокИстокДктиС- МЛйалай п-типаДктиС- МЛйалай п-типа/7уЛК123О/7КУуК7-/7уЛК123О/7КУуК7-ща.ща."ка"каСтак н^^гСслой ^^Ййеднен- — ныислои ~~~~~№налСтак н^^гСслой ^^Ййеднен- — ныислои ~~~~~№налРис. 3.30. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки на GaAs.Рис. 3.30. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки на GaAs.смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как было показано в разделе 3.1. Канал между истоком и стоком при этом сужается, и ток, протекающий от истока к стоку, изменяется. При обратном смещении контакта Шотткисмещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как было показано в разделе 3.1. Канал между истоком и стоком при этом сужается, и ток, протекающий от истока к стоку, изменяется. При обратном смещении контакта Шоттки
вора составляет 0,25... 1,5 мкм. Омические электроды изготавливаются из сплава Au—Ge—Ni, а электрод затвора — из алюминия. В последнее время электроды затворов БИС стали изготавливать из термостойких материалов, например из силицида вольфрама (WSi).
Принцип работы ЗШП-транзистора следующий. К стоку
вора составляет 0,25... 1,5 мкм. Омические электроды изготавливаются из сплава Au—Ge—Ni, а электрод затвора — из алюминия. В последнее время электроды затворов БИС стали изготавливать из термостойких материалов, например из силицида вольфрама (WSi).
Принцип работы ЗШП-транзистора следующий. К стоку
прикладывают положительное напряжение, а к затвору — отрицательное. Поскольку затвор
прикладывают положительное напряжение, а к затвору — отрицательное. Поскольку затвор
Исток
Исток
ДктиС- МЛйалай п-типа
ДктиС- МЛйалай п-типа
/7уЛК123О/7КУуК7-
/7уЛК123О/7КУуК7-
ща.
ща.
"ка
"ка
Стак н^^гСслой ^^Ййеднен- — ныислои ~~~~~№нал
Стак н^^гСслой ^^Ййеднен- — ныислои ~~~~~№нал
Рис. 3.30. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки на GaAs.
Рис. 3.30. Структура полевого транзистора с барьером Шоттки на GaAs.
смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как было показано в разделе 3.1. Канал между истоком и стоком при этом сужается, и ток, протекающий от истока к стоку, изменяется. При обратном смещении контакта Шоттки
смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как было показано в разделе 3.1. Канал между истоком и стоком при этом сужается, и ток, протекающий от истока к стоку, изменяется. При обратном смещении контакта Шоттки
ток в канале сильно уменьшается. Поскольку выходной сигнал стока можно регулировать очень малым входным сигналом затвора, такой прибор можно использовать как усилительный элемент.
Статические характеристики
Статические характеристики полевых транзисторов с рп-пере- ходом и с затвором Шоттки аналогичны. Полевой транзистор с затвором Шоттки, изображенный на рис. 3.30, имеет планарную структуру. Для количественного анализа удобнее воспользоваться структурой, приведенной на рис. 3.31, у которой отсутствует монокристаллическая подложка, а затвор имеет симметричную форму. Рассмотрим случай, когда исток и сток расположены посередине этой структуры. Характеристики, полученные при анализе этой простейшей модели, вообще говоря, не вполне соответствуют характеристикам реального ЗШП-транзистора. Однако она достаточно наглядно иллюстрирует работу прибора.
Анализ работы ЗШП-транзистора проведем аналогично рассмотренному ранее МОП-транзистору. Пусть исток заземлен, на сток подается напряжение Vd>0, а на затвор—Vg<0. Направления координатных осей (х, у, z) показаны на рис. 3.31. Ось г перпендикулярна плоскости рисунка (х, у). W — ширина затвора. Для вывода формулы вольт-амперной характеристики ЗШП-транзистора необходимо решить уравнение Пуассона и уравнение непрерывности токов в плоскости (х, у) при соответствующих граничных условиях. Обычно численные расчеты проводят на ЭВМ. Методами машинного моделирования можно
достаточно точно описать любые характеристики транзистора. Однако для дальнейшего рассмотрения нет необходимости в получении точного решения этих уравнений. Проведем анализ
Рис. 3.31. Упрощенная модель для анализа работы ЗШП-транзистора.Рис. 3.31. Упрощенная модель для анализа работы ЗШП-транзистора.
Рис. 3.31. Упрощенная модель для анализа работы ЗШП-транзистора.
Рис. 3.31. Упрощенная модель для анализа работы ЗШП-транзистора.
Рис. 3.32. Энергетическая диаграмма полевого транзистора с барьером Шоттки в поперечном сечении на расстоянии у от истока.Рис. 3.32. Энергетическая диаграмма полевого транзистора с барьером Шоттки в поперечном сечении на расстоянии у от истока.
Рис. 3.32. Энергетическая диаграмма полевого транзистора с барьером Шоттки в поперечном сечении на расстоянии у от истока.
Рис. 3.32. Энергетическая диаграмма полевого транзистора с барьером Шоттки в поперечном сечении на расстоянии у от истока.
работы транзистора, введя некоторые приближения, аналогичные рассмотренным ранее.
На основании качественных рассуждений выведем формулу для тока стока ЗШП-транзистора. Очевидно, что форма канала ЗШП-транзистора соответствует форме обедненного слоя вдоль канала (в направлении оси у).
Как и при анализе работы МОП-транзистора, воспользуемся методом плавного приближения. В этом случае форма обедненного слоя вдоль канала меняется не очень резко. Или, выражаясь более точно, предполагается, что изменение составляющей Еа электрического поля вдоль оси у много меньше изменения составляющей Ех вдоль оси х. Это условие справедливо, когда длина канала L значительно больше его ширины a (L>2,5a). Если данное условие
выполняется, то двумерное уравнение Пуассона можно разделить на составляющие по осям х, у и перейти к одномерной задаче.
Рассмотрим поперечное сечение структуры на расстоянии у от истока. Распределение потенциала вдоль оси х для этого случая показано на рис. 3.32. Для обратносмещенного одномерного контакта Шоттки задача сводится к определению толщины обедненного слоя d(у).
Очевидно, что падение напряжения ф в точке у обедненного слоя зависит от координаты у. Поскольку толщина обедненного
слоя d также является функцией у, то из уравнения Пуассона представим зависимость ф(^) в виде
1 т
^ e l^- J № ^ ^ dy"(3.119)
о
Здесь р (х, у) — объемный заряд в обедненном слое, представляющий собой встроенный заряд ионизированной примеси. р(х, у) вдоль оси у не меняется, поэтому в дальнейшем рассмотрении приближенно будем считать, что р(х, у)=р(х).
Рассмотрим ток в канале. Область канала электрически нейтральна. Составляющая Ех = 0, а составляющую Ед можно представить как производную зависимости cp(d) по у. Поскольку потенциал электрода затвора постоянен, то величина <p(d) соответствует потенциалу канала относительно этого постоянного потенциала затвора.
Е ==Ы(3.120)
у оуod dy''
Из соотношения (3.119) получим величину Ед
(3.121)
Из этой формулы следует, что для определения электрического поля в канале вдоль оси у необходимо определить форму обедненного слоя в направлении у.
Ток стока /о в канале можно выразить через концентрацию электронов п(х) а
/D = —Wq^Ev J п (х) dx.(3.122)
d
Здесь W— ширина затвора. Подставляя формулу (3.121) в (3.122) получим, что ток /о постоянен вдоль оси у. Умножим обе части полученного выражения на dy и проинтегрируем в интервале от у=0 до y=L
/с=f ^^ dP № dd’<ЗЛ23>
"^(0)
где
X
Q (х) = q [ n (x') dx'.(3.124)
о
В полевых транзисторах с затвором Шоттки не происходит инжекции неосновных носителей как в биполярных транзисто-
pax и не образуется инверсный слой как в МОП-транзисторах. Поэтому величины p(d), п^ определяются концентрацией доноров:
p(d)=^d(d).
п(х) = ^(х).(3.125)
Эти соотношения можно использовать для ЗШП-транзисторов, имеющих распределение концентрации примеси вдоль оси х.
Для простейшего случая будем считать, что величина Na у ЗШП-транзистора постоянна. Тогда величины Q(x), p(d) легко выводятся из уравнений (3.124), (3.125). Для интегрирования уравнения (3.123) необходимо знать значения d(0), d(L). Эти параметры можно легко получить из одномерной теории контакта Шоттки. У истока (у=0) падение напряжения равно cp(d(O))=—Уо+Уь, а у стока (t/=Л) : ф (с? (Л)) = =—Ус+Уп+Уь. Здесь Уь — встроенный потенциал контакта Шоттки, о котором упоминалось в разделе 3.1. В итоге величина тока стока имеет вид:
/D-60[yD-4]/^s;((yD+
-^„-У^-Уь-Уо)./.)],(3.126)
Go =(3.127)
Следует отметить, что для получения характеристики структуры реального ЗШП-транзистора, изображенного на рис. 3.30, из уравнения (3.123) для ID нужно удалить множитель 2. Формула (3.126) описывает статическую характеристику ЗШП-транзистора для простейшей модели.
Заметим, что плавное приближение справедливо только для линейной области вольт-амперной характеристики при малых значениях VD. При повышении напряжения стока VD обедненный слой со стороны стока расширяется и наступает режим отсечки в канале аналогично МОП-транзистору. Напряжение стока при условии d(L) = а в этом случае равно:
VDS = V0-Vp,(3.128)
где
VP=Vb—(3.129)
Величина VP называется напряжением отсечки. При Vd = 0 напряжение отсечки в канале определяется напряжением затвора. Если Vd>Vds, то точка отсечки перемещается только в направ-
лении истока и условия протекания тока в канале почти не изменяются, т. е. появляется область насыщения тока на вольт- амперной характеристике. Ток стока в режиме насыщения /о sat получим подстановкой (3.128) в формулу (3.126)
rG-Vp у/211Vb-Vp ) J|-rG-Vp у/211Vb-Vp ) J|-/DSat = G0 [(VG-VP)—f-^-Vp) X
rG-Vp у/211
Vb-Vp ) J|-
rG-Vp у/211
Vb-Vp ) J|-
(3.130)
Обычно при работе ЗШП-транзистора выполняется условие Уо—Vp<Vb—Ур. Поэтому приближенно можно записать
(3.131)(3.131)т ~ <?о (^G-Vp)2 'DSat— 4(|/b-Kp) •
(3.131)
(3.131)
Поскольку GaAs— ЗШП-транзисторы используются для повышения быстродействия БИС, то длина канала L у этих приборов очень мала (менее 1 мкм) и в ЗШП-транзисторах возникают эффекты короткого канала аналогично МОП-транзисто-
Рис. 3.33. Статические характеристики серийного полевого транзистора с барьером Шоттки фирмы NEC 2SK85.Рис. 3.33. Статические характеристики серийного полевого транзистора с барьером Шоттки фирмы NEC 2SK85.рам. В этом случае плавное приближение становится уже не вполне приемлемым. Статические характеристики реального ЗШП-транзистора приведены на рис. 3.33. При Vd>Vds ток стока /d увеличивается незначительно. Как и в МОП-транзисторах с ростом Vd уменьшается эффективная длина канала L (расстояние от истока до точки отсечки). Следовательно, величина Go в формуле (3.127) увеличивается.
Рис. 3.33. Статические характеристики серийного полевого транзистора с барьером Шоттки фирмы NEC 2SK85.
Рис. 3.33. Статические характеристики серийного полевого транзистора с барьером Шоттки фирмы NEC 2SK85.
Среди ряда эффектов короткого канала в ЗШП-транзисторе остановимся более подробно на одном явлении, связанном с высоким электрическим полем. Как уже объяснялось на рис. 2.27, в GaAs при напряженности поля 3—10 кВ/см возникает отрицательная дифференциальная подвижность. В нашем случае в области между затвором и стоком ЗШП-транзистора образуется двойной электрический слой, состоящий из слоя накопления электронов и обедненного слоя. Именно в этой области концентрируется высокое электрическое поле. Увеличение напряжения стока не оказывает влияния на поле в канале. Поэтому ток стока стабилизируется, и наклон вольт-амперной харак-
теристики в области насыщения увеличивается. Кроме того, объемный заряд в области высокого поля увеличивает емкость между затвором и стоком.
Основные параметры
При использовании ЗШП-транзисторов в качестве цифровых элементов анализ и расчет интегральных схем можно провести с использованием описанной выше характеристики тока стока. Полагая, что емкость затвора заряжается и разряжается напряжением стока, можно вывести переходную характеристику ЗШП-транзистора.
Рассмотрим основные параметры, описывающие функциональные возможности ЗШП-транзистора. Работу транзистора в режиме усиления характеризует взаимная проводимость gm, которая для линейной области характеристики выводится из формулы (3.126):
^т=7?гЛт72 {^о+Иь-Ус)1^-^-^)*^. (3.132) (Кь— Ир)1^
Величина gm sat для области насыщения следует из формулы (3.130):
^mSat—Go | 1 |Zb_yp j j. (3.133)
При использовании ЗШП-транзистора в качестве цифрового элемента необходимо знать напряжение отсечки Ур. Величину УР определяют экспериментально, измеряя зависимость между V^d sat и Уа, как следует из формулы (3.131). Для численного расчета УР необходимо определить величину Nd-а2. Если напряжение Ур отрицательно и при Уо=0 через структуру протекает ток стока, то такой прибор называется ЗШП-транзисто- ром, работающим в режиме обеднения. При положительном УР и отсутствии тока стока при Ус = 0 ЗШП-транзистор работает в режиме обогащения. В этом случае ток стока появляется при положительном напряжении на затворе. ЗШП-транзистор, работающий в режиме обеднения, называется нормально открытым транзистором или транзистором D-типа. Режим обогащения соответствует нормально закрытому транзистору (Е-типа).
В цифровых схемах используются ЗШП-транзисторы обоих типов. В зависимости от типа используемых транзисторов различают и соответствующие схемные структуры, которые будут описаны в шестой главе. Транзисторы, работающие в режиме обеднения, имеют большой ток стока, высокое быстродействие и достаточно большую потребляемую мощность. С другой стороны, транзисторы, работающие в режиме обогащения, имеют
малую потребляемую мощность, однако обладают меньшим быстродействием, чем транзисторы D-типа. В БИС на GaAs— ЗШП-транзисторах также очень важно иметь малую величину разброса УР.
Характеристики цифровых элементов на ЗШП-транзисторах определяются тем, насколько увеличивается ток стока при изменении напряжения затвора. Для получения хороших характеристик переключения необходимо увеличивать параметр gm. Это достигается повышением коэффициента Go. Поскольку G0—(qp,nWaNdlL), то повышения Со можно достичь за счет уменьшения длины канала L и увеличения его ширины 1У. Большой ширине канала W соответствует большая емкость затвора, и характеристики цифровых схем с такими приборами не улучшаются. Если же уменьшать длину канала L, емкость затвора уменьшается, что приводит к повышению быстродействия схемы.
Кроме того, для повышения gm необходимо увеличивать подвижность р.п электронов. Как отмечалось в предыдущей главе, подвижность электронов у GaAs в 5—6 раз больше, чем у кремния. Поэтому GaAs является более предпочтительным материалом для ЗШП-транзисторов, чем кремний.
Повысить коэффициент Go можно также увеличением произведения a-Nd. При этом необходимо обратить внимание на то, что напряжение Ур определяется произведением Nd-а2. Для того чтобы напряжение Ур поддерживать на уровне расчетной величины и одновременно повысить Go, следует уменьшать величину а и повышать концентрацию Nd. Однако увеличение Nd приводит к понижению напряжения пробоя обратносмещенного контакта Шоттки. Быстродействующие интегральные схемы на GaAs, изготовленные по современной технологии, имеют следующие основные параметры структуры: длина канала — 1 мкм, толщина активного слоя — 0,1 мкм, концентрация примеси — 5-1017 см-3.
4
■■■
Технология изготовления полупроводниковыхприборов и интегральных схем
Основные технологические этапы
изготовления ИС
Монолитные интегральные схемы появились в результате работы, направленной на уменьшение размеров, снижение стоимости, повышение быстродействия и надежности схемы за счет интегрального исполнения отдельных ее элементов. В процессе создания ИС можно выделить четыре основных этапа:
Постановка задачи, определение целей устройства и его функциональных возможностей.
Проектирование схемы, разработка топологии, изготовление фотошаблона.
Изготовление ИС.
Сборка, упаковка в корпус, контроль параметров, надежностные испытания.
Основным принципом, которым руководствуются при создании ИС, является повышение отношения «параметры схемы/ /стоимость». Если повышается стоимость, то, несмотря на улучшение параметров, за исключением особых случаев (как, например, обеспечение военных нужд, когда стоимость может и не приниматься во внимание), изделие не пользуется спросом. Можно сказать, что этот принцип лежит в основе развития ИС.
Рассмотрим подробнее третий этап — изготовление ИС. Обозначим площадь ИС, проектируемой на базе определенного уровня технологии, — а. На центральном участке подложки при массовом производстве формируется N отдельных ИС, занимающих эффективную площадь N-a=A. Отношение количества полученных годных ИС к общему количеству изготовленных ИС— N, называется выходом годных У, который также может быть выражен в процентах. Задачей производства является обеспечение стопроцентного выхода годных, однако по различным причинам на практике это не реализуется.
В том случае, когда при проектировании не удается заложить оптимальные параметры, характеристики схемы ухудшаются, а образование дефектных схем после проведения сборочных операций предотвратить уже невозможно. Выход годных в процессе изготовления подложек является определяющим для работы ИС, ввиду образуемых на этой стадии неисправимых дефектов. Предположим, что плотность дефектов d имеет равномерное распределение на лицевой поверхности подложки, тогда Уо определяется формулой
У0~ехр(—d*a), (4.1)
(если реальный Уо больше, чем получаемый по формуле, то распределение плотности дефектов d, вероятно, неравномерное). Если увеличить а, то увеличатся размеры схемы, улучшатся ее параметры, но также повысится и стоимость. Технология, обеспечивающая минимальное значение плотности дефектов d, постоянно совершенствуется, однако в настоящее время в этом процессе действуют экономические ограничения. Стремясь к достижению максимальных параметров ИС по отношению к стоимости схемы, создатели ИС постепенно из года в год увеличивают площадь ИС а. С увеличением площади А возрастает и число годных ИС. Однако из-за удорожания подложек большого диаметра и производственного оборудования, применяемого в процессе их изготовления, в тенденции увеличения отношения «параметры схемы/стоимость» наступает ограничение.
Вообще говоря, если уменьшать размеры ИС во всех трех измерениях, то вместе с уменьшением параметра а повысятся характеристики ИС. И поскольку общая площадь А остается неизменной, то число ИС (IV) —увеличивается, а стоимость снижается. На этой основе и происходит совершенствование технологии изготовления ИС. Резюмируя, можно сказать, что развитие технологии изготовления ИС производится в направлениях уменьшения размеров ИС во всех трех измерениях, сокращения плотности дефектов, увеличения диаметра подложки, повышения выхода годных ИС с улучшенными параметрами и снижения стоимости.
Относительно указанной выше линии на обеспечение стопроцентного выхода годных ИС имеются различные подходы. Один из них, применяемый в БИС (например, в цифровых ЗУ), заключается в заблаговременном формировании определенного количества резервных элементов схемы на тот случай, если при изготовлении ИС некоторые элементы окажутся дефектными. Ранее такой подход считался порочным, но в современных ЗУ с высокой степенью интеграции он стал часто применяться. Формирование резервных элементов оказалось наиболее
эффективным в начальный период производства ИС. Другой способ заключается в интегральном объединении на одной подложке функционально различных устройств (например, вычислительного устройства, схемы управления и памяти). Интегральное объединение на одной подложке нескольких БИС позволяет уменьшить число корпусов, снизить стоимость и повысить быстродействие, устранив задержку сигнала на соединительных элементах между корпусами. Подобные схемы с «интеграцией на уровне целых полупроводниковых пластин» в последнее время стали вновь появляться на сцене.
Монокристаллы кремния
Сырьем при выращивании монокристаллов Si служит поли- кристаллический кремний (поликремний). Метод изготовления поликристаллического кремния включает обработку порошкового металлического кремния 98%-ной чистоты в газообразном НС1 с целью получения SiHCl3 и его последующую очистку до уровня содержания примесей 0,1-10-7%. Далее производится нагрев полученного SiHCl3 в среде Нг для его термического восстановления и на Si-стержне происходит осаждение Si. Известен также метод получения поликремния термическим разложением моносилана.
Сравнение кристаллов, выращенных методами Чохральского и зонной плавкиСравнение кристаллов, выращенных методами Чохральского и зонной плавкиПри выращивании монокристаллов Si применяются метод вытягивания по Чохральскому (метод Чохральского) и метод зонной плавки. Эти два метода представлены на рис. 4.1 и 4.2. При вытягивании по Чохральскому зародыш кристалла постепенно вытягивается вверх из кварцевого цилиндрического контейнера, заполненного расплавленным Si. В методе зонной плавки слиток поликристаллического кремния сверху прижи-
Сравнение кристаллов, выращенных методами Чохральского и зонной плавки
Сравнение кристаллов, выращенных методами Чохральского и зонной плавки
Метод Чохральского
Метод зонной плавки
Дислокации
Нет
Нет
Удельное сопротивление, Ом-см
р-тип
0,005—50
0,1—20000
п-тип
0,005—50
0,1—800
Легирующие примеси
В, Р, Sb, As
В, Р
Время жизни неосновных носителей,
10—50
100—3000
мкс
Содержание кислорода, атомов/см3
Ю16—lois
<1016
Содержание углерода, атомов/см3
~1017
<1016
Таблица 4.1
мается к зародышу кристалла, область контакта подвергается высокочастотному нагреву, в результате чего образуется расплавленная зона, которая постепенно передвигается вверх. При этом используется легированный поликристаллический кремний с заранее рассчитанной концентрацией примеси.
Оба указанных метода имеют свои преимущества и недостатки. Вообще говоря, метод зонной плавки обеспечивает более
Рис. 4.1. Установка выращивания кристаллов методом Чохральского: 1—проволока; 2— аргон; 3 — кристаллическая затравка; 4 — монокристалл; 5 — расплав кремния; 6 — кварцевый тигель; 7 — графитовый нагреватель; 8 — тепловой экран.Рис. 4.1. Установка выращивания кристаллов методом Чохральского: 1—проволока; 2— аргон; 3 — кристаллическая затравка; 4 — монокристалл; 5 — расплав кремния; 6 — кварцевый тигель; 7 — графитовый нагреватель; 8 — тепловой экран.Рис. 4.2. Установка выращивания кристаллов методом зонной плавки: 1—поликристаллический кремний;2 — индуктор; 3 — монокристалл; 4 — кристаллическая затравка.Рис. 4.2. Установка выращивания кристаллов методом зонной плавки: 1—поликристаллический кремний;2 — индуктор; 3 — монокристалл; 4 — кристаллическая затравка.
Рис. 4.1. Установка выращивания кристаллов методом Чохральского: 1—проволока; 2— аргон; 3 — кристаллическая затравка; 4 — монокристалл; 5 — расплав кремния; 6 — кварцевый тигель; 7 — графитовый нагреватель; 8 — тепловой экран.
Рис. 4.1. Установка выращивания кристаллов методом Чохральского: 1—проволока; 2— аргон; 3 — кристаллическая затравка; 4 — монокристалл; 5 — расплав кремния; 6 — кварцевый тигель; 7 — графитовый нагреватель; 8 — тепловой экран.
Рис. 4.2. Установка выращивания кристаллов методом зонной плавки: 1—поликристаллический кремний;
2 — индуктор; 3 — монокристалл; 4 — кристаллическая затравка.
Рис. 4.2. Установка выращивания кристаллов методом зонной плавки: 1—поликристаллический кремний;
2 — индуктор; 3 — монокристалл; 4 — кристаллическая затравка.
высокую чистоту монокристаллического Si. При использовании метода Чохральского в кристаллический Si из кварцевого контейнера и графитового нагревателя внедряются примеси, в частности, кислород и углерод, что приводит к сокращению времени жизни неосновных носителей (см. табл. 4.1). С другой стороны, методом Чохральского легко получить слитки большого диаметра. В производстве ИС применяется в основном кремний, полученный по методу Чохральского. В настоящее время метод зонной плавки используется главным образом в тех случаях, когда требуется высокая чистота материала, например, при изготовлении мощных элементов. В частности, при производстве pnpn-типа структур с управляющим затвором, где применяются Si-подложки с диаметром 50 мм, поскольку в этом случае важно контролировать время жизни неосновных носителей.
Кроме того, для производства таких элементов необходимо получение однородного распределения примесей в подложке. В последние годы Si-подложки с совершенно однородным распределением n-типа примеси получают методом облучения горячими нейтронами, сопровождающегося ядерной реакцией Si30(n, а) Si3>L^p3i.
За последние десять лет диаметр Si-пластин, используемых в производстве ИС, увеличился, как показано на рис. 4.3, от 50
^727^7
7У^19007990ГрОы
Рис. 4.3. Увеличение размеров кремниевых пластин.
до 125 мм. В настоящее время уже начали применять пластины диаметром 150 мм. Увеличение размеров пластин достигается за счет совершенствования технологии получения дешевого и высококачественного монокристаллического Si, а также обеспечения необходимого оборудования для производства ИС и применения соответствующей технологии обработки подложек. При этом с экономической точки зрения имеется компромисс между увеличением затрат на оборудование, не очень большим увеличением стоимости партии одновременно обрабатываемых пластин (20—30 штук) и числом годных ИС.
На рис. 4.4 изображен слиток монокристаллического Si диаметром 200 мм, полученный методом Чохральского. В последние годы в технику выращивания монокристаллов быстро внедряется управление от ЭВМ. Выращенные кристаллы исследуются на дефектность методом рентгеновского анализа. Ведется работа по снижению содержания примесей кислорода и углерода и улучшению однородности кристаллов, выращенных методом Чохральского. Так, сообщалось, что нанесение слоя нитрида кремния на поверхность кварцевого контейнера снижает концентрацию кислорода в слитке до 2-Ю16 атомов/см3, а нанесение слоя карбида кремния на поверхность графитового нагревателя — к снижению концентрации углерода в слитке до 5-Ю15 атомов/см3. В результате, удельное сопротивление полученного материала достигает 1 кОм-см. Еще один новый способ испытан С, Тосихара (фирма «Сони»). При выращивании кристаллов методом Чохральского в направлении, ортогональ-
ном направлению вытягивания, прикладывается магнитное поле (рис. 4.5), что приводит к уменьшению содержания примеси кислорода, снижению дефектности и улучшению однородности кристалла. Под действием
Рис. 4.4. Кристалл кремния диаметром 200 мм. (8 дюйм, выращенный методом Чохральского. Слева от него подложки диаметром 8, 5, 4, 3, 1 дюйм.)Рис. 4.4. Кристалл кремния диаметром 200 мм. (8 дюйм, выращенный методом Чохральского. Слева от него подложки диаметром 8, 5, 4, 3, 1 дюйм.)магнитного поля ограничивается тепловая конвекция и замедляется изменение температуры расплава кремния. Получаемые слитки Si имеют диаметр 75 мм и удельное сопротивление 380 Ом-см. Сотрудник «Дэнки цусин кэнкю- сё» К. Хикава доказал, что аналогичный результат еще легче получить, приложив магнитное поле вдоль оси выращивания кристалла.
Рис. 4.4. Кристалл кремния диаметром 200 мм. (8 дюйм, выращенный методом Чохральского. Слева от него подложки диаметром 8, 5, 4, 3, 1 дюйм.)
Рис. 4.4. Кристалл кремния диаметром 200 мм. (8 дюйм, выращенный методом Чохральского. Слева от него подложки диаметром 8, 5, 4, 3, 1 дюйм.)
С изготовленного таким образом монокристаллического слитка срезается кристаллический зародыш (сверху) и нижний торец, после чего, вращая слиток, алмазным резцом обрабатывают его боковую поверхность для придания строго цилиндрической
формы. Далее методом дифракции рентгеновских лучей производится точное определение кристаллографических осей и край
Рис. 4.5. Выращивание монокристаллов во внешнем магнитном поле: 1 — кристаллическая затравка; 2 — монокристалл; 3 — катушка; 4 — нагреватель; 5 — расплав кремния.Рис. 4.5. Выращивание монокристаллов во внешнем магнитном поле: 1 — кристаллическая затравка; 2 — монокристалл; 3 — катушка; 4 — нагреватель; 5 — расплав кремния.Рис. 4.6. Ориентационный срез пластины.Рис. 4.6. Ориентационный срез пластины.слитка срезается в направлении, параллельном оси слитка (обычно направление <10 0>) (см. рис. 4.6). С целью различе-
Рис. 4.5. Выращивание монокристаллов во внешнем магнитном поле: 1 — кристаллическая затравка; 2 — монокристалл; 3 — катушка; 4 — нагреватель; 5 — расплав кремния.
Рис. 4.5. Выращивание монокристаллов во внешнем магнитном поле: 1 — кристаллическая затравка; 2 — монокристалл; 3 — катушка; 4 — нагреватель; 5 — расплав кремния.
Рис. 4.6. Ориентационный срез пластины.
Рис. 4.6. Ориентационный срез пластины.
ния n-типа и p-типа пластин с одинаковой ориентацией (главным образом (1 1 1) и (10 0)) иногда формируют второй ориентационный срез. При загрузке пластин в кассеты и их выгрузке в процессе производства ИС ориентационный срез часто является причиной сбоев. Полученные цилиндрические слитки разрезаются на пластины дисковой пилой (толщина подложек при диаметре 100 мм около 0,5 мм, а при диаметре 125 мм около 0,6 мм). Поскольку при этом на обеих сторонах пластин образуются дефекты, для их устранения проводится травление поверхности в кислоте или щелочи на глубину нескольких десятков микрометров. В заключение лицевая поверхность пластины шлифуется и полируется до зеркальной пастами, содержащими частицы SiO2 и добавки раствора едкого натра. В дальнейшем при проведении литографии требуется точное установление поверхности пластины в фокусе экспонирующего устройства. Поэтому к плоскостности пластины предъявляются повышенные требования (допуск до 5 мкм).
Дефекты монокристаллов и геттерирование примесей
Даже при использовании почти идеальных кристаллов полупроводника, в процессе производства ИС в подложке возникают дефекты и появляются примеси. Влияние их на работу схем хорошо известно, поэтому в производстве БИС важное значение придается устранению дефектов и примесей.
Первая проблема — это деформация пластин. Деформация возникает при резке пластин из слитка, а также при термообработке пластин, т. е. в процессе термообработки структуры внутри пластины возникают механические напряжения. Деформация является неисправимым дефектом в сверхточном процессе производства БИС, когда ее невозможно устранить вакуумными или электростатическими держателями. Устранение деформаций пластин чрезвычайно сложно. Эта проблема является очень острой, поскольку на современном рынке на пластинах диаметром 125 мм допускается рельеф всего лишь в несколько микрометров.
В процессе производства ИС до сих пор обязательно присутствуют стадии высокотемпературной термообработки (свыше 1000°C). Цикл таких термообработок приводит к деформации пластин. Известно, что в пластинах, полученных методом Чох- ральского, деформации проявляются меньше, чем в пластинах, полученных методом зонной плавки, и, кроме того, в пластинах, в которые введены связывающие кислород вещества, деформации проявляются в большей степени. Причина этого
связана, вероятно, с поведением атомов кислорода. Деформации возникают в результате движения дислокаций, а введенные в кристалл атомы кислорода задерживают это движение. Связывающие кислород вещества, наоборот, становятся источником зарождения дислокаций. Это, однако, не означает, что пластины, полученные методом Чохральского, совсем не подвержены деформациям. Растворенные в пластине атомы кислорода при относительно низкой температуре (650—800 °C) сохраняются длительное время, но атомы углерода превращаются в центры, связывающие кислород, и после повышения температуры пластины деформируются. Из вышесказанного следует, что при решении вопроса предотвращения деформации необходимо достаточно внимательно учитывать предварительную термообработку пластин в процессе производства ИС.
Особо чистые кристаллы, которые получают в настоящее время, настолько совершенны, что дефекты в них не удается обнаружить ни с помощью высокоточной рентгеновской топографии, ни по ямкам травления на лицевой поверхности образца. Однако, как указывалось выше, атомы кислорода, углерода и других примесей, содержащихся в кристалле, в условиях термообработки образуют микроскопические дефекты и дефекты упаковки. Эти дефекты вызваны внутренними факторами. В процессе производства в пластины извне вносятся загрязняющие примеси, которые приводят к образованию дефектов, вызванных внешними факторами. Такие дефекты оказывают серьезное влияние на характеристики приборов. Следовательно, исследование дефектов в кристаллах, механизма их образования и путей сокращения дефектности имеет большое значение для производства полупроводниковых приборов и ИС.
На рис. 4.7 показано изменение плотности дефектов в процессе термообработки в пластинах с различной концентрацией примеси углерода, полученных методом Чохральского. Виды дефектов изменяются в зависимости от температуры термообработки. В пластине I типа с большей концентрацией примеси углерода при температуре до 800 °C наблюдаются микроскопические выпадения точечной формы и парные дислокации, при температуре от 800 до 1100 °C — выпадения примесей плоской формы, а также возникающие позже дислокационные петли и дефекты упаковки. При температуре свыше 1100 °C наблюдаются только выпадения примесей восьмигранной формы. В пластине II типа с меньшей концентрацией примеси углерода при невысокой температуре около 600 °C и непродолжительной термообработке парные дислокации не образуются, при температуре более 700 °C наблюдаются выпадения примесей плоской формы, а дефекты упаковки почти не образуются. Из рис. 4.7 видно, что при снижении температуры термообработки плот-
ность дефектов возрастает по показательному закону, причем в пластине II типа это увеличение выражено гораздо слабее.
Для пластины I типа, изображенной на рис. 4.7, энергия ак-
тивации для выпадений примесей — 2,5 эВ, для парных дислокаций— 0,83 эВ. Эти величины соответствуют энергиям активации диффузии кислорода и движе-
ния кремния между узлами кристаллической решетки. Следовательно, можно предположить, что парные дислокации генерируются за счет движения атомов кремния во время образования связывающих кислород центров. В пластине II типа мало выпадений примесей и вытесненного кремния недостаточно для образования парных дислокаций. Другими словами, можно сделать вывод, что образование парных дислокаций, дислокационных петель и дефектов упаковки связано с появлением микроскопических дефектов при термообработке. А образование этих микроскопических дефектов в свою очередь связано с выпадением во время термообработки в процессе охлаждения монокристалла пересыщенного вымороженного кислорода. В самом деле, экспериментальные исследования показали, что выпадение примесей сопровожда-
Температура, °C
7ZOO 7000 800
ш'*
> 70’г X
Iz^
ю8
к Тип!
;(0>5-70’6/см3)
Л~ ТииД (С<8 7О,6/смЗ)
7О6\
0,60,87,0
7О3/Т0Н'г)
Рис. 4.7. Температурная зависимость концентрации выпадений примеси кислорода через 64 ч после термообработки.
ется уменьшением содержания кислорода в междуузлиях кристаллической решетки.
Чем больше углерода содержится в кристалле, тем больше кислорода выпадает, так как атомы углерода или содержащие их соединения служат центрами выпадения кислорода. В результате продолжительной термообработки пластин при температуре 650—900° С плотность микроскопических дефектов в них становится очень большой. И наоборот, первичная термообработка при температуре свыше 1100 °C приводит к снижению плотности микроскопических дефектов. Эти явления также могут быть объяснены с помощью рассмотренного выше механизма. Что касается дефектов упаковки, то зародышами их образования служат повреждения, возникающие при термическом окислении кремния (температура свыше 900 °C) в окислительной сре-
t7Z7Z^^ю*7t7Z7Z^^ю*7Огненная зонаОгненная зона/V/V6z^»f-6z^»f-ии—г—г77777277Глицила лтлр^^лй поолдхлости, млл77777277Глицила лтлр^^лй поолдхлости, мллРис,Рис,4.8. Профиль, образуемый4.8. Профиль, образуемыйвврезультате диффузии кислорода в окружающее пространство при термообработке при 1050 °C в атмосфере азота: 1 — измеренные значения; 2 — расчетные значения.результате диффузии кислорода в окружающее пространство при термообработке при 1050 °C в атмосфере азота: 1 — измеренные значения; 2 — расчетные значения.
t7Z7Z^
^ю*7
t7Z7Z^
^ю*7
Огненная зона
Огненная зона
/V
/V
6z^»f-
6z^»f-
и
и
—г
—г
77777277
Глицила лтлр^^лй поолдхлости, млл
77777277
Глицила лтлр^^лй поолдхлости, млл
Рис,
Рис,
4.8. Профиль, образуемый
4.8. Профиль, образуемый
в
в
результате диффузии кислорода в окружающее пространство при термообработке при 1050 °C в атмосфере азота: 1 — измеренные значения; 2 — расчетные значения.
результате диффузии кислорода в окружающее пространство при термообработке при 1050 °C в атмосфере азота: 1 — измеренные значения; 2 — расчетные значения.
де. Такие дефекты называются дефектами упаковки, возникающими при окислении.
Когда эти дефекты возникают в приповерхностном слое подложки, время жизни носителей изменяется, увеличивается ток утечки через рп-переход и снижается электрическая прочность окисного слоя. Все это автоматически приводит к ухудшению основных параметров интегральных устройств с малыми размерами и высокой плотностью упаковки элементов, например к снижению времени хранения заряда и появлению негодных
элементов в МОП-типа динамическом ЗУ, к образованию дефектных элементов в датчике изображения на ПЗС. Следовательно, необходимо с глубоким вниманием анализировать способ, продолжительность и условия проведения процессов термообработки для предотвращения образования дефектов.
Внедрения примесей, в частности атомов различных металлов, в полупроводниковую подложку в процессе изготовления ИС также приводят к образованию новых дефектов. Давно известно, что нанесение фосфо- ро-силикатного стекла на окисную пленку позволяет связать атомы щелочных металлов («фосфорное геттерирование»). Формирование намеренно нару-
шейного слоя на тыльной стороне подложки вызывает геттери- рование атомов тяжелых металлов. Самый новый и уже повсеместно применяемый метод — это «собственное геттерирова- ние». В этом методе искусно используется рассмотренное выше поведение атомов кислорода. Сначала подложка подвергается высокотемпературной термообработке в неокислительной атмосфере. Это вызывает диффузию кислорода из приповерхностной области подложки в окружающее пространство, и, как показано на рис. 4.8, в приповерхностной области подложки образуется обедненный кислородом слой глубиной несколько мкм. Далее проводится продолжительная термообработка подложки при невысокой температуре, приводящая к формированию под обедненным слоем области с высокой плотностью микроскопических дефектов. Вблизи этих микроскопических дефектов кристаллическая решетка искажена, что позволяет легко за
хватить атомы примесных металлов (геттерирование). Этот факт находит практическое подтверждение. В современных МОП ИС функциональные элементы формируются в очень тонком слое в приповерхностной области подложки, что обеспечивает высокую эффективность действия обедненного кислородом слоя как геттера примесей металлов. В биполярных ИС этот метод также используется для получения эпитаксиального слоя без дефектов упаковки.
Эпитаксия
Назначение процесса эпитаксии состоит в нанесении тонкого слоя монокристаллического полупроводника на поверхность монокристаллической подложки. Эпитаксиальный слой и подложка часто состоят из различных материалов, постоянные решетки которых не вполне совпадают, поэтому на границе раздела из-за рассогласования решеток возникают дефекты. По этой причине тонкие эпитаксиальные слои трудно получить с хорошей монокристалличностью.
Эпитаксиальное наращивание имеет следующие характерные особенности:
процесс можно проводить при температуре, меньшей температуры выращивания слитка монокристалла;
концентрация примесей и их распределение варьируются в широком диапазоне;
возможно получение эпитаксиального слоя с противоположным подложке типом проводимости;
получаемый эпитаксиальный слой содержит меньше дефектов, связанных с примесью кислорода и углерода по сравнению с подложкой;
имеется возможность нанесения однородного по толщине тонкого эпитаксиального слоя на подложку большой площади;
эпитаксиальный слой может быть локально нанесен на определенном участке поверхности подложки.
Все это позволяет формировать ИС разнообразных конструкций и топологий. Очень эффективно сочетание эпитаксии с термической диффузией примеси в подложку и ионной имплантацией.
В процессе производства биполярных ИС для обеспечения электрической прочности коллекторного перехода и снижения сопротивления в структуре транзисторов формируется коллекторный скрытый слой, при создании которого возникает ряд трудностей. Эпитаксиальное наращивание эффектйвно применяется для создания этого слоя, а также межэлементной изоляции с помощью рп-перехода. При изготовлении МОП ИС эпи-
таксия ранее почти не использовалась, а в современных БИС с высокой степенью интеграции появилась необходимость применения этого процесса. В частности, использование эпитаксии в динамических запоминающих устройствах (ЗУ) на п-каналь- ных МОП-структурах позволяет сократить число случайных сбоев, ограничить генерацию горячих носителей и изменения потенциала подложки (p-типа эпитаксиальный слой/р+-типа подложка). Применение эпитаксии в КМОП ИС помогает предотвратить эффект «защелкивания» за счет снижения сопротивления подложки и сопротивления кармана (п~/п+, р~/р+, локальный скрытый слой), а в случае интегрального объединения КМОП и биполярных элементов обеспечивает снижение коллекторного сопротивления. Полученные в процессе эпитаксии подложки с низкой плотностью дефектов применяются в ПЗС, особо чувствительных к поверхностным дефектам. Все указанные примеры подробно рассмотрены в главе 5. Нельзя не упомянуть также полевые транзисторы с рп-переходом и МОП ИС, при изготовлении которых широко используется эпитаксиальное наращивание.
Особыми случаями применения эпитаксии являются КНС (кремний-на-сапфире)-технология и КНИ (кремний-на-изолято- ре)-технология. При создании КНС-структур на поверхности подложки монокристаллического сапфира наращивается тонкий слой монокристаллического кремния толщиной примерно 0,5 мкм. КНИ-технология заключается в нанесении на поверхность изолятора (SiO2 на кремниевой подложке) в процессе эпитаксии слоя поликристаллического кремния с последующей рекристаллизацией его в лазерных или электронных лучах в монокристаллический Si. Поскольку в КНС- и КНИ-структурах используется изолирующая подложка, электрические емкости элементов невелики, что способствует снижению потребления энергии и повышению быстродействия. Структуры КНС-типа уже реализованы на практике, а по КНИ-технологии создаются конструкции 3-мерных ИС, которые в настоящее время еще находятся на стадии исследования.
Процессы эпитаксиального наращивания подразделяются на газофазную, жидкофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию. Метод жидкофазной эпитаксии используется главным образом для наращивания GaP, а другие два метода применяются и для Si, и для многокомпонентных полупроводников. Методами газофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии изготовляются лазерные диоды, светодиоды, транзисторы на основе сверхрешеток, а также 2-, 3- и 4-компонентные полупроводники. В последнее время особо выделился метод газофазной эпитаксии с термическим разложением металлоорганических соединений. Поскольку в данной главе предметом рассмотрения явля-
ется кремний, подробно описан только процесс газофазной эпитаксии. Далее затрагивается также метод молекулярно-лучевой эпитаксии.
4.1. Метод эпитаксии из газовой фазы
При газофазной эпитаксии кремния, которая производится при высокой температуре, происходит восстановление хлорида кремния в атмосфере водорода или термическое разложение силана. Установлено, что взаимодействие четыреххлористого кремния и водорода при температуре 1000—1200 °C осуществляется согласно следующим реакциям:
2SiCl4 + 2Н2 к—к 2SiHCl3 + 2НС1 (энергия активации 1,6—1,7 эВ)
SiHCl3-|-H2 ^=* SiH2Cl2-|-НО (энергия активации 0,8—1,0 эВ)
SiH2Cl2 ^=> SiCl2 + Н2
SiHCl3 <-=» S1C12 + НО2SiCl2 + 2Н2 «=* 2Si + 4НС1SiCl4 + 2Н2 $=к Si + 4НС1 "
SiHCls и SiHaCh являются промежуточными продуктами реакции. Но поскольку они устойчивы в жидкой фазе при нормальной температуре, их используют в качестве сырья. Указанные выше реакции обратимы, поэтому при определенных условиях (при определенной температуре процесса) на подложку наращивается Si, а в других условиях (при более низкой или высокой температуре) скорость наращивания становится отрицательной величиной, т. е. происходит травление кремниевой подложки. Наращивание при термическом разложении силана производится при температуре 900—1100 °C в результате реакции SiH4—>Si + 2H2.
Зависимость скорости наращивания от температуры приведена на рис. 4.9. На участке А скорость наращивания определяется реакцией в газовой фазе, на участке В — процессом диффузии к поверхности подложки. На практике проводится эпитаксия при нормальном давлении газа. В качестве рабочей области выбирается участок В, не очень критичный к точному поддержанию температуры. Как видно из рисунка, участок В лежит у силана в диапазоне меньших температур, чем для хлористых соединений. Практически наращивание при использовании силана производится при температуре около 1000 °C.
Конструкции реакционных камер установок для газофазного наращивания представлены на рис. 4.10. Среди показанных конструкций камера горизонтального типа имеет уже давнюю историю. Для массового производства разработана вертикальная камера с ИК-нагревом. Поскольку материал наращиваемо-
го эпитаксиального слоя очень чувствителен к загрязнениям на
лицевой поверхности подложки, эта поверхность перед проведением эпитаксии подтравливается на глубину несколько микрометров в парах HCL
Тем пера тура, ТI 7333 7733333 833 733833Тем пера тура, ТI 7333 7733333 833 733833Рис. 4.9. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания слоя кремния отРис. 4.9. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания слоя кремния оттемпературы при использовании различных реакционных газов.температуры при использовании различных реакционных газов.В случае использования SiCl4/H2, если молярное отношение превышает 0,27г скорость наращивания становится отрицательной и начинается травление подложки. В связи с этим вводится очистка лицевой поверхности подложки перед эпитаксиальным наращиванием. Поскольку материал эпитаксиального слоя чувствителен к состоянию
Тем пера тура, Т
I 7333 7733333 833 733833
Тем пера тура, Т
I 7333 7733333 833 733833
Рис. 4.9. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания слоя кремния от
Рис. 4.9. Зависимость скорости эпитаксиального наращивания слоя кремния от
температуры при использовании различных реакционных газов.
температуры при использовании различных реакционных газов.
лицевой поверхности подложки, при любом способе
газофазной эпитаксии требуется проведение очистки лицевой поверхности перед
наращиванием и очистки реакционного газа (до содержания окислительных примесей менее 10~4%).
Введение примеси в эпитаксиальный слой производится пу
Рис. 4.10. Конструкция реакционных камер для газофазной эпитаксии: а — установка с высокочастотным нагревом горизонтального типа; б — установка с высокочастотным нагревом вертикального типа; в — установка с ИК-нагре- вом.Рис. 4.10. Конструкция реакционных камер для газофазной эпитаксии: а — установка с высокочастотным нагревом горизонтального типа; б — установка с высокочастотным нагревом вертикального типа; в — установка с ИК-нагре- вом.ввтем добавления в оеакпионный газ арсина AsH3 и фосфина
Рис. 4.10. Конструкция реакционных камер для газофазной эпитаксии: а — установка с высокочастотным нагревом горизонтального типа; б — установка с высокочастотным нагревом вертикального типа; в — установка с ИК-нагре- вом.
Рис. 4.10. Конструкция реакционных камер для газофазной эпитаксии: а — установка с высокочастотным нагревом горизонтального типа; б — установка с высокочастотным нагревом вертикального типа; в — установка с ИК-нагре- вом.
в
в
РН3 для создания n-типа проводимости и диборана В2Н6 при легировании p-типа примесью. Поскольку реакционный газ содержит большое количество Н2, эти водородные соединения в газовой фазе разлагаются медленно. Главным образом их разложение происходит на лицевой поверхности подложки. При этом атомы примеси проникают в подложку, замещая Si в узлах ре-
тетки и образуют доноры или акцепторы. Количество примеси, вводимое при эпитаксии, зависит от скорости эпитаксиального наращивания. При меньшей скорости эпитаксии вводится больше примеси, а при очень быстром наращивании эпитаксиального слоя процессы адсорбции и десорбции примеси на лицевой поверхности подложки взаимно уравниваются и концентрация примеси в подложке не повышается. На практике за счет изменения содержания легирующих газообразных добавок в ре-
акционной камере можно изменять удельное сопротивление эпитаксиального слоя в пределах 0,01— 1,5 Ом-см.
В производстве биполярных ИС при проведении эпитаксиального наращивания поверх скрытого коллекторного слоя «низкотемпературный» эпитаксиальный слой наносится на «высокотемпературную» подложку, при этом происходит явление, называемое автодиффузией. В этом случае примесь, введенная в подложку, легирует эпитак-
J
9
t
I
X
Легирийа - нир„ из гази- duu с*реЛы
вспол^гдтпельлая груянция яши^рр ТЛер^р/рпзяая Лирлризир ит гралииь/ раздела
^рЗойяляая концентрация
/п-ёпйгайёелай п^-прйлор/сна
/луЛила лт ли иefou лиЛррижхтии Рис. 4.11. Эффект автолегирования.
спальный слой, проходя через границу раздела и далее, диффундируя в этот слой. Вблизи границы раздела концентрация
примеси повышается, но распределение примеси на границе раздела в результате приобретает плавный, а не ступенчатый характер. Эта ситуация показана на рис. 4.11. Начальный пологий участок кривой соответствует введению примеси в эпитаксиальный слой из газовой фазы. Разумеется, форма кривой автолегирования меняется в зависимости от температуры и длительности процесса. В качестве легирующей примеси при формировании скрытого слоя может также использоваться сурьма (Sb), имеющая низкий коэффициент диффузии.
При эпитаксиальном наращивании на поверхности скрытого слоя наблюдается смещение рисунка (или искажение), как показано на рис. 4.12. Величина этого смещения зависит от скорости наращивания и температуры, однако механизм этого явления еще не выяснен в достаточной мере. В окрестности скрытого слоя образуется ступенька высотой несколько десятков нанометров, ориентация кристаллических осей в которой может быть самой различной; однако представляется, что это не свя-
зано с изменением направления эпитаксиального наращивания. При эпитаксиальном наращивании нет последовательного подстраивания атомов к поверхности кремниевой подложки, так как в этом процессе наращивание слоя происходит на мелких кристаллических дефектах, служащих в качестве зародышей. Практически для плоскости (111) используется плоскость, вырезанная под небольшим углом к направлению <1 1 0>. А для плоскости (100) картина иная. Следует учесть, что рассмотренная выше автодиффузия происходит не только в на-
хГ56иг ,хГ56иг ,। 1—!—1 п-типа и"WzzzzzzzzzS^ слфь/ть/и- С/7^й। 1—!—1 п-типа и"WzzzzzzzzzS^ слфь/ть/и- С/7^йРис. 4.12. Эффект сдвига рисунка при эпитаксиальном наращивании.Рис. 4.12. Эффект сдвига рисунка при эпитаксиальном наращивании.правлении, ортогональном поверхности, но и параллельно поверхности.
хГ56иг ,
хГ56иг ,
। 1—!—1 п-типа и
"WzzzzzzzzzS^ слфь/ть/и- С/7^й
। 1—!—1 п-типа и
"WzzzzzzzzzS^ слфь/ть/и- С/7^й
Рис. 4.12. Эффект сдвига рисунка при эпитаксиальном наращивании.
Рис. 4.12. Эффект сдвига рисунка при эпитаксиальном наращивании.
Подобная ситуация наблюдается и при термическом разложении силана с использованием метода восстановления
галогенидов. В этом случае процесс проходит при мень
шей температуре, что позволяет уменьшить автодиффузию бора (для As этот эффект слабее). Следует отметить, что в последнее время эпитаксиальное
наращивание проводится при низком давлении газа около 13- •104 Па независимо от температуры. Как показано в табл. 4.2,
при низком давлении газа скорость эпитаксиального наращивания уменьшается. Автолегирование и эффект смещения рисунка снижаются тоже. По этой причине метод эпитаксии при низком давлении газа используется очень широко.
Скорость газофазного наращивания (мкм/мин)
Таблица 4.2
Реакционный газ
Ю5 Па
1,3-Ю4 Па
Температура (°C)
Концентрация газа (мол. %)
SiH4
о,з
0,25
1030
0,3
SiH2Cl2
1,5
0,8
1100
2,0
SiCl4
0,8
0,4
ИЗО
1,3
4.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия
При молекулярно-лучевой эпитаксии (molecular beam epitaxy — МВЕ) хорошо очищенная лицевая поверхность полупроводниковой подложки в сверхвысоком вакууме в строго контролируемых условиях обрабатывается пучком молекул или атомов, в результате чего происходит наращивание эпитаксиального слоя. В последнее время этот метод широко используется для формирования структур на основе искусственных сверхрешеток
из двух-трех элементов III и V групп периодической системы, поскольку изготовить такие структуры другими методами невозможно. Однако и в случае эпитаксиального наращивания Si
Рис. 4.13. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — подложка; 2 — сетка;3 —источник кремния; 4 — источник примеси; 5 — устройство откачки для создания сверхвысокого вакуума; 6 — нагреватель.Рис. 4.13. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — подложка; 2 — сетка;3 —источник кремния; 4 — источник примеси; 5 — устройство откачки для создания сверхвысокого вакуума; 6 — нагреватель.этот метод также приводит к иным результатам по сравнению с методом газофазной эпитаксии.
Рис. 4.13. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — подложка; 2 — сетка;
3 —источник кремния; 4 — источник примеси; 5 — устройство откачки для создания сверхвысокого вакуума; 6 — нагреватель.
Рис. 4.13. Установка молекулярно-лучевой эпитаксии: 1 — подложка; 2 — сетка;
3 —источник кремния; 4 — источник примеси; 5 — устройство откачки для создания сверхвысокого вакуума; 6 — нагреватель.
Поскольку молекулярно-лучевое наращивание кремния может производиться при относительно низкой температуре (600— 800°C), явлением автодиффузии, неизбежным при газофазной эпитаксии, можно пренебречь. Кроме того, легирование эпитаксиального слоя примесью в этом методе производится одновременно с молекулярно-лучевым наращиванием, причем достаточно произвольно, что позволяет реализовывать самые различные профили распределения примеси. Все это по-настоящему вошло в практику только после 1980 г. Технические средства и оборудование для получения сверхвысоко
го вакуума, управления напылением кремния и примесей дорогостоящи, производительность метода низка, поэтому в настоящее время для Si-подложек большого диаметра метод молекулярно-лучевого наращивания не может заменить газофазную эпитаксию. Однако низкотемпературные про-
цессы нужны в производстве, поэтому, возможно, метод молекулярно-лучевой эпитаксии найдет применение при изготовлении СБИС.
На рис. 4.13 показан типичный пример установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Противодавление обеспечивается введением Ог, СО, СОг и органических соединений с парциальным давлением менее 1,3-10-12 Па, в противном случае кристалличность эпитаксиального слоя ухудшается. Лицевую поверхность кремниевой подложки необходимо очищать. Эффективна очистка поверхности путем обработки ионами Аг, однако на практике это не применяется. Удобен метод очистки поверхности химическим травлением и последующей термообработкой при температуре до 800 °C. При проведении процесса молекулярно-лучевой эпитаксии кремниевый источник нагревается электронной пушкой, в результате чего формируется пучок атомов Si плотностью 5-1016 ат/см2-с, что соответствует скорости наращивания эпитаксиального слоя 10 нм/с. Поскольку для наращивания монокристаллического эпитаксиального слоя необходимо, чтобы ато-
мы кремния, достигающие лицевой поверхности, несколько сдвигались, перестраиваясь на поверхности, подложка нагревается до температуры 400—800 °C.
В качестве источников примеси нельзя использовать вещества с высоким давлением паров при нормальной температуре и низким давлением паров при высокой температуре. As, Р и В использовать затруднительно, поэтому обычно для легирования p-типа применяется Ga и А1, а для создания n-типа проводимости— Sb. Даже в том случае, когда атом примеси достигает лицевой поверхности подложки, если вероятность его прилипания мала, он вновь отделяется от поверхности. Вероятность прилипания атома сильно меняется в зависимости от температуры (чем выше температура, тем меньше вероятность прилипания атома). Например, при нагреве Si-подложки до температуры 700 °C вероятность прилипания атомов Sb—10-1, А1 — 10-2, Ga—10-3. Кроме того, для введения легирующей примеси одновременно с эпитаксиальным наращиванием может использоваться метод ионной имплантации при низких уровнях энергии ионов (0,1—3 эВ). Методом ионной имплантации легко внедряются примеси As, Р и В.
4.3. КНС (кремний-на-сапфире)-технология
В ИС и, в частности, в МОП ИС, изготовленных по «классической» технологии, используется только тонкий слой полупроводниковой подложки, так как транзисторы расположены вблизи лицевой поверхности. Тем не менее подложка делается достаточно большой толщины для обеспечения механической прочности. Применение полупроводниковых подложек приводит к неэффективным затратам энергии. В КНС-технологии применяется изолирующая подложка, поверх которой наносится слой монокристаллического кремния требуемой толщины, причем в качестве изолирующей подложки используется сапфир.
По КНС-технологии на плоскость (1012) монокристаллической подложки сапфира при температуре около 1000 °C в процессе термического разложения силана наращивается тонкий слой монокристаллического кремния с ориентацией (10 0) толщиной 0,3—0,7 мкм. По поводу качества тонкого эпитаксиального слоя кремния можно отметить, что из-за рассогласования кристаллических решеток сапфира и кремния концентрация кристаллических дефектов и, в частности, дефектов упаковки в нем больше, чем в монокристаллическом кремнии. Вдоль границы раздела КНС-структуры повышены токи утечки, в эпитаксиальном слое Si понижена подвижность электронов. Подвижность электронов в эпитаксиальном слое Si составляет по теоретическим расчетам 80% от соответствующей величины в
объемном Si, а практически для КНС-структур подвижность еще меньше. Уменьшение подвижности электронов связано с повышением их эффективной массы из-за изменения зонной структуры кремния, вызванного появлением механических напряжений в слое Si. Механические напряжения возникают в результате рассогласования температурных коэффициентов линейного расширения сапфира и кремния. Подвижность дырок в КНС-структурах не сравнимо меньше подвижности электронов.
Ионная ..+ имплантация оъИонная ..+ имплантация оъданная с.+ имплантация 51данная с.+ имплантация 51Рис. 4.14. Двухстадийная твердофазная эпитаксия в КНС-технологии.Рис. 4.14. Двухстадийная твердофазная эпитаксия в КНС-технологии.
Ионная ..+ имплантация оъ
Ионная ..+ имплантация оъ
данная с.+ имплантация 51
данная с.+ имплантация 51
Рис. 4.14. Двухстадийная твердофазная эпитаксия в КНС-технологии.
Рис. 4.14. Двухстадийная твердофазная эпитаксия в КНС-технологии.
В МОП ИС, изготовленных по КНС-технологии, даже при упомянутом несовершенстве кристалличности, ожидается уменьшение потребления энергии. Положительный эффект достигается, в частности, в КМОП ИС, где упрощается взаимное пространственное разделение р-канальных и n-канальных транзисторов. Кроме того, при уменьшении размеров транзисторов возрастает напряженность электрического поля вдоль проводящего канала; при этом скорость дрейфа электронов и дырок начинает выходить на насыщение. Поскольку насыщенное значение скорости дрейфа примерно одинаково для КНС-структуры и объемного Si, недостатки КНС-технологии нивелируются.
Существуют методы, позволяющие значительно улучшить качество тонкого слоя Si в КНС-структурах. Это, например, метод твердофазной эпитаксии, показанный на рис. 4.14. С лицевой стороны КНС-структуры производится ионное внедрение Si+, по глубине достигающее границы раздела Si/сапфир, в результате чего происходит разупорядочение Si вблизи границы раздела. Затем проводится термообработка КНС-структуры при температуре 1000 °C, и в верхней части слоя Si происходит рекристаллизация. Далее вновь проводится ионная имплантация Si+ на небольшую глубину, приводящая к разупорядочению кремния в приповерхностном слое, после чего — отжиг, вызы-
вающий рекристаллизацию в нижней части слоя. В результате такой обработки улучшается кристалличность всего слоя Si, значительно сокращается концентрация кристаллических дефектов, существенно уменьшаются токи утечки в транзисторах с КНС-структурой с улучшенной кристалличностью Si-слоя (см. рис. 4.15). Одновременно улучшается подвижность электронов, почти достигая теоретических значений (рис. 4.16). Метод твердофазной эпитаксии еще не используется на практике, однако ожидается, что он найдет широкое применение.
.4. КНИ (кремний-на-изоляторе)-технология
Вообще говоря, КНС-структура является частным случаем широко распространенных КНИ-структур. Поскольку сущест
вует возможность нанесениявует возможность нанесенияРис. 4.15. Ток утечки МОП-транзистора, изготовленного по КНС-тех- нологии (канал n-типа, W=50 мкм, L=50 мкм, Vd=5 В): 1—-после эпитаксиального наращивания кремния на сапфире; 2 и 3 — соответственно после первой и второй стадий твердофазной эпитаксии.Рис. 4.15. Ток утечки МОП-транзистора, изготовленного по КНС-тех- нологии (канал n-типа, W=50 мкм, L=50 мкм, Vd=5 В): 1—-после эпитаксиального наращивания кремния на сапфире; 2 и 3 — соответственно после первой и второй стадий твердофазной эпитаксии.тонкого слоя монокристаллического кремния на поверхность 5Юг, то можно формировать и многослойные структуры такого типа и практически реализовать 3-мерную структуру ИС (см. раздел 5.3). В основе КНИ-техно- логии лежат процессы нанесения тонкого слоя кремния со структурой от аморфной до поликри- сталлической поверх слоя 5Юг и последующей кристаллизации слоя Si. Эти процессы активно изучаются в последнее время. Важнейшей особенностью второго процесса (кристаллизации) является облучение слоя поли- кристаллического кремния мощным лазерным или электронным пучком, что приводит к мгновенному расплавлению и образованию зародышей монокристаллов. Сканированием пучка по всей поверхности достигается полная
вует возможность нанесения
вует возможность нанесения
Рис. 4.15. Ток утечки МОП-транзистора, изготовленного по КНС-тех- нологии (канал n-типа, W=50 мкм, L=50 мкм, Vd=5 В): 1—-после эпитаксиального наращивания кремния на сапфире; 2 и 3 — соответственно после первой и второй стадий твердофазной эпитаксии.
Рис. 4.15. Ток утечки МОП-транзистора, изготовленного по КНС-тех- нологии (канал n-типа, W=50 мкм, L=50 мкм, Vd=5 В): 1—-после эпитаксиального наращивания кремния на сапфире; 2 и 3 — соответственно после первой и второй стадий твердофазной эпитаксии.
кристаллизация тонкого слоя Si. Таким образом уже были изготовлены и исследованы образцы КМОП БИС, имеющие свойства, не уступающие обычным объемным ИС (см. раздел 5.3).
Окисел кремния и свойства окисных пленок
Окисление кремния играет важнейшую роль в технологии производства ИС. В структурах МОП-транзисторов большое значение имеет получаемый термическим окислением подзатворный
Рис. 4.16. Подвижность электронов в транзисторе, характеристики которого представлены на рис. 4.15: 1 — двухстадийная твердофазная эпитаксия dO№ = 55 нм; 2—наращивание As (W/L = 50 мкм/50 мкм, |Vd|=0,1 В).
изолирующий слой. В биполярных ИС, при производстве которых в основном используется планарная технология, широко используются изолирующие слои в качестве маскирующих покрытий при диффузии или ионной имплантации примеси, для взаимной изоляции элементов, а также для разделения проводящих металлических слоев в структурах с многослойной разводкой.
Известны следующие методы окисления:
в сухом кислороде (сухое окисление); 2) в кислороде, содержащем пары воды (влажное окисление); 3) в НС1; 4) при низком давлении; 5) при высоком давлении; 6) в горящем водороде; 7) в кислородной плазме; 8) в ТЭОС (тетраэтоксисилане) ; 9) в трихлорэтилене; 10) анодное окисление.
и 2-й методы обеспечивают создание наиболее устойчивого окисла.
Термическое окисление
Теоретические основы термического окисления при высокой температуре разработали в 1965 г. Б. Е. Дил и А. С. Гроув. В основе их теории лежит предположение, что в этом процессе кислород и молекулы воды диффундируют внутрь образовавшегося слоя БЮг, реагируя с кремнием на границе раздела, и таким образом развивается окисление. Отправной точкой теории развития процесса окисления явилось предположение о том, что в равновесных условиях 3 потока равны между собой: поток молекул кислорода из газовой среды к лицевой поверхности окисленного слоя Ft (число молекул, проходящих через единичную поверхность за единицу времени), поток мо-
Рис. 4.17. Расход кремния при окислении: 1—лицевая поверхность; 2 — первоначальная поверхность кремния; 3 — граница раздела после окисления.Рис. 4.17. Расход кремния при окислении: 1—лицевая поверхность; 2 — первоначальная поверхность кремния; 3 — граница раздела после окисления.
Рис. 4.17. Расход кремния при окислении: 1—лицевая поверхность; 2 — первоначальная поверхность кремния; 3 — граница раздела после окисления.
Рис. 4.17. Расход кремния при окислении: 1—лицевая поверхность; 2 — первоначальная поверхность кремния; 3 — граница раздела после окисления.
лекул кислорода, диффундирующих внутрь окисного слоя, F2, и поток молекул кислорода, вступающих в реакцию на границе раздела Si/SiO2, F3. Следовательно, скорость реакции окисления на границе раздела можно получить из дифференциального уравнения
N ^л, = Fat 3
. П\
1 +Ks/h + Ksdox/D •
где dox — толщина слоя окисла, N — концентрация молекул кислорода, диффундировавших в окисный слой, Ci — равновесная концентрация кислорода в окисном слое, Ks — константа, получаемая из Fs = Ks-Ci, а /1 —константа, получаемая из Fi = = h(Ci—Со).Ci — концент
рация кислорода на границе раздела Si/SiO2. Со —концентрация кислорода на лицевой
поверхности SiO2 (см. рис. 4.17), D— коэффициент диффузии
кислорода в окисный слой. При сухом окислении Af=2,2X ХЮ22 см-3, при влажном окислении — в 2 раза больше (Si+ + 2H2O->SiO2+2H2).
Указанная теория не применима для описания начальной стадии окисления. В момент /=0 можно предположить, что окисный слой имеет толщину d^x, и тогда уравнение (4.2) имеет решение
^ох + ^ох-В^ + Щ-(4-3)
где Л-2О[^+4],
R _ 2DC1
D — N ’
t (d'ox)2 + A^ ox to.
а время to сдвинуто вперед по временной оси и соответствует наличию окисного слоя начальной толщины dox. Это уравнение
имеет решение
^ох-Ц/ 1 + ^ + 'о)-1}-
(4.4)
При t » 1й.
d»ox=BL(4.5)
Эта формула называется параболическим законом окисления и описывает скорость диффузии кислорода (или молекул воды) в окисный слой (диффузионное ограничение скорости наращивания слоя). С другой стороны, в случае достаточно короткого времени окисления при /+/0<СЛ2/4В имеем
dox = 4<Z + Z»)-(4-6)
Эта формула соответствует линейному закону окисления и описывает скорость реакции на границе раздела с кремнием (ограничение скорости наращивания окисного слоя скоростью реакции).
Теория, которую разработали Дил и Гроув, была основана на их собственном экспериментальном материале и нашла достаточно хорошее подтверждение на практике. Например, для сухого окисления p-типа подложки со срезом (111) при температуре 700—1200 °C требуемые значения А, В, В[А, t0 показаны в табл. 4.3. d’ox принимает значение 25,0 нм.
Величина В в формуле (4.5) определяется из выражения
В=Кгехр(-Ей!кТ),(4.7)
где Еа= 1,24 эВ, а величина В]А — из выражения
B/A = Ka-exp(-EjkT),(4.8)
где £а = 2,0 эВ.
При влажном окислении Еа принимает значения 0,71 эВ и 1,96 эВ, a d>ox почти равна нулю. 1,24 эВ и 0,71 эВ — значения для энергии активизации при диффузии соответственно кислорода и паров воды в двуокись кремния (как видно, отличаются незначительно). Тот факт, что температурная зависимость отношения В[А почти одинакова для сухого и влажного окисления, показывает, что в обоих этих случаях реакции на границе раздела почти идентичны. Энергия активации для этих реакций (около 2 эВ) близка к энергии разрыва связи Si—Si (1,83 эВ).
Описанные выше исследования относятся к процессу окисления за счет диффузии в окисный слой молекул кислорода и воды. Однако реакции на границе раздела Si—5Юг остаются не изученными в деталях. Имеются свидетельства, что кислород может существовать в заряженной (отрицательно) форме, образуемой согласно реакции:
Параметры скорости сухого окисленияПараметры скорости сухого окисленияВремя снисления, минВремя рнисления, минлВ*Время снисления, минВремя рнисления, минлВ*Рис. 4.18. Скорость окисления кремния: а — в сухом кислороде; б — в парах воды при нормальном давлении.Рис. 4.18. Скорость окисления кремния: а — в сухом кислороде; б — в парах воды при нормальном давлении.
Параметры скорости сухого окисления
Параметры скорости сухого окисления
Время снисления, минВремя рнисления, мин
лВ*
Время снисления, минВремя рнисления, мин
лВ*
Рис. 4.18. Скорость окисления кремния: а — в сухом кислороде; б — в парах воды при нормальном давлении.
Рис. 4.18. Скорость окисления кремния: а — в сухом кислороде; б — в парах воды при нормальном давлении.
Температура окисления, °C
А^ мкм
В, мкм2/ч
В/Л, мкм/ч
to» ч
1200
0,040
0,045
1,12
0,027
1100
0,090
0,027
0,30
0,076
1000
0,165
0,0017
0,071
0,37
920
0,235
0,0049
0,0208
1,4
800
0,370
0,0011
0,0030
9,0
700
0,00026
■81,0
Таблица 4.3
02^02“+положительно заряженная дырка. (4.9)
Поскольку значения подвижности 02~ и положительной дырки существенно различаются, возникает электрическое поле и движение 02“ ускоряется.
К самой начальной стадии окисления применима теория окисления металлов, разработанная Н. Кабрерой и Н. Ф. Мот-
том. Согласно ей до некоторой определенной толщины окисного слоя скорость окисления должна возрастать. Эта критическая толщина окисного слоя для окисления Ог—15 нм, для Н2О — 0,5 нм, что хорошо согласуется с экспериментально определенными значениями dox (25,0 нм и «О соответственно). Из этого, однако, вовсе не следует, что реакции на границе раздела полностью определены. Поскольку в Si и SiO2 в процессе реакции происходят значительные изменения геометрии молекул, по-видимому, на границе раздела с Si легко генерируются кристаллические дефекты. От того, в какой степени проявляется этот микроскопический механизм на границе раздела, сильно зависит сущность поверхностных состояний.
Данные по сухому и влажному окислению представлены на рис. 4.18. Эти данные описываются эмпирическими формулами:
сухое окисление ^2ох(мкм2) = 21,2/(мин)ехр^—Ц^~^> (4.Ю) Г >1100 °C
влажное окисление d20X (мкм2) = 7,26/ (мин) ехр (—• (4-11) Т> 1100°С, />5 мин.
Показанный случай соответствует подложке со срезом (111) и не очень высокой концентрацией примеси. В процессе влажного окисления при 95°C и давлении 8,5-104 Па пузырьки воды обычно пропускаются вместе с газом — носителем. Однако в последнее время стал использоваться метод сгорания водорода в кислороде с образованием водяного пара. Этот метод обеспечивает значительное улучшение чистоты.
Зависимость скорости окисления от кристаллографических направлений
Данные, приведенные в предыдущем разделе, относятся к подложке со срезом (1 1 1). На плоскости (100) скорость наращивания окисла меньше, чем на плоскости (111), и эта разница в скорости окисления становится значительной при уменьшении температуры. В экспериментальных исследованиях влажного окисления, проведенных Дилом при температуре 900—1100 °C, разница в коэффициентах скорости В для параболического закона была небольшой, но коэффициенты А линейного закона существенно отличались между собой и значения В,А для плоскости (111) оказались в среднем в 1,68 раза больше, чем для плоскости (100). Зависимость Ks, содержащегося в формуле (4.3), от кристаллических направлений объясняется изменением количества связей Si—Si и изменением их ориентации в зависимости от кристаллических направлений. Эти изменения в свою очередь вызваны разрывом связей Si—Si. При сухом окислении наблюдается аналогичная ситуация.
Наращивание тонких слоев окисла
Влажное окисление при высокой скорости наращивания используется для создания толстых слоев окисла, однако в этом случае нелегко обеспечить высокую чистоту окисного слоя. Для наращивания подзатворного окисла МОП-транзистора (толщина до 100 нм), когда необходимо обеспечить низкую плотность поверхностных состояний и высокую надежность, применяется сухое окисление кремния.
Повышение плотности интеграции элементов достигается за счет сокращения размеров элементов во всех трех измерениях, поэтому при изготовлении МОП-транзисторов и элементов накопления заряда динамических ЗУ применяются подзатворный окисный слой толщиной до 30,0 нм и слой окисла толщиной до 10,0 нм соответственно. Контролируемое наращивание однородного тонкого слоя окисла трудно осуществить как методом сухого окисления при высокой температуре, так и методом влаж-
180,180,5р?мя янисления, мин5р?мя янисления, минРис. 4.19. Скорость наращивания сухого окисла при невысоких температурах.Рис. 4.19. Скорость наращивания сухого окисла при невысоких температурах.Рис. 4.20. Окисление при низком давлении кислорода и азота (Ро = 98 Па).Рис. 4.20. Окисление при низком давлении кислорода и азота (Ро = 98 Па).
180,
180,
5р?мя янисления, мин
5р?мя янисления, мин
Рис. 4.19. Скорость наращивания сухого окисла при невысоких температурах.
Рис. 4.19. Скорость наращивания сухого окисла при невысоких температурах.
Рис. 4.20. Окисление при низком давлении кислорода и азота (Ро = 98 Па).
Рис. 4.20. Окисление при низком давлении кислорода и азота (Ро = 98 Па).
ного окисления. Поэтому на практике используются самые различные методы окисления.
При сухом окислении при температуре до 1000 °C влияние температуры очень велико (см. рис. 4.19). Если ограничить температуру процесса, можно выращивать слои окисла толщиной до 10,0 нм. Однако наращивание окисла при низкой температуре не всегда приводит к улучшению качества окисного слоя. При сухом окислении кремния применяется также метод / дополнительного введения НС1. Этот метод, который будет под- 1 ровнее рассмотрен позже, особенно эффективен для получения стабильного окисла с низкой плотностью поверхностных состояний; однако эффективность метода падает при понижении температуры. При проведении окисления положительное действие оказывает также понижение давления кислорода. На рис. 4.20 приведены данные окисления при давлении кислорода 98 Па в среде N2. Этот процесс окисления подчиняется параболическому закону и получаемый в результате окисный слой достаточно стабилен.
Другие методы окисления
Окисление при высоком давлении. Согласно рассмотренной выше теории, повышение давления окислительного газа приводит к ускорению окисления. В методе влажного окисления газы Н2 и О2 подводятся в реакционную камеру с помощью кварцевых труб. Водород Н2 сжигается и образуется водяной пар под давлением (5-ь 10) 10® Па. Необходимость работы с высоким давлением приводит к повышению стоимости оборудования, однако все же в последние годы этот метод стал применяться на практике. По сравнению с обычной температурой окисление при температуре 800—1000 °C и давлении 5-10® Па повышает скорость процесса наращивания окисла примерно в 5 раз. При низкой температуре и малой длительности окисления может быть получен окисный слой с улучшенным качеством, поскольку уменьшается генерация дефектов упаковки в процессе окисления (см. разд. 4.3, 4.5) и соответственно их отрицательное влияние на характеристики приборов. Именно поэтому в быстродействующих биполярных ИС и динамических МОП ЗУ стали использоваться толстые полевые окисные слои.
Плазменное анодное окисление. При обработке подложек в кислородной плазме, полученной в результате электрического разряда постоянного тока или высокочастотного разряда, при положительном смещении на подложке и температуре до 600 °C получается окисный слой того же качества, что и при термическом окислении. Этот метод впервые исследован Т. Су- гано и И. Хоко. Скорость наращивания окисла в плазме возрастает при повышении температуры подложки и плотности плазмы и может достигать 1 мкм/ч. Считается, что кислородные ионы ускоряют окисление, однако механизм этой реакции подробно не изучен. Широкие возможности применения имеет метод локального плазменного окисления.
Качество окисных слоев
Окисные слои широко применяются в планарной технологии, играют большую роль в процессах литографии, совмещения, диффузии примеси в качестве маскирующих покрытий. Для функционирования МОП БИС необходим совершенный подзатворный окисел и в этом случае особенно требуется высокая стабильность окисла в течение длительного периода времени. В настоящем разделе рассматриваются, прежде всего, электрические свойства окисных слоев, далее их электрическая прочность, маскирующие свойства и прочее.
Кристаллическая структура, примеси и поверхностные состояния. Хотя в окисном слое имеется множество различных кристаллических дефектов, но если они не оказывают электрического влияния на действие ИС, то сам факт их существования не составляет проблемы. Однако на практике имеется множество разнообразных, электрически заряженных дефектов, оказывающих значительное отрицательное влияние. Можно выделить укрупненно 3 вида таких дефектов. Первый вид — это примесные (положительные) ионы металлов. Второй вид дефектов — это центры заряда (в большинстве случаев положительные), основанные на микроструктурных дефектах в окрестности границы Si—SiO2. Третий вид дефектов — это центры заряда, возникшие в результате внедрения извне заряженных частиц и внешнего облучения или в результате проникновения изнутри кремния термоэлектронов и положительных дырок. Упомянутый второй вид дефектов дополнительно подразделяется на два вида — существующие на границе раздела и заряжаемые электронами и дырками с лицевой поверхности кремния быстрые поверхностные состояния и связанный электрический заряд в окрестности границы раздела.
Виды дефектов окисного слоя представлены в таблице 4.4, их пространственное распределение показано на рис. 4.21. Преж-
Таблица 4.4
Виды примесных уровней окисного слоя
Плотность
Qion (Кл/см2)N^s (состояний/эВ-см2)Qox (Кл/см2)Qot (Кл/см2)Qion (Кл/см2)N^s (состояний/эВ-см2)Qox (Кл/см2)Qot (Кл/см2)pion(x)dx,pion(x)dx,poxto dx,poxto dx,Примесные ионы в окисном слое «Быстрые» поверхностные состояния Связанный заряд
Qion (Кл/см2)
N^s (состояний/эВ-см2)
Qox (Кл/см2)
Qot (Кл/см2)
Qion (Кл/см2)
N^s (состояний/эВ-см2)
Qox (Кл/см2)
Qot (Кл/см2)
pion(x)dx,
pion(x)dx,
poxto dx,
poxto dx,
Заряд ловушек
^ох С х .' ^ох о^охJ ^Ох Оdox^ох С х .' ^ох о^охJ ^Ох Оdoxгде
^ох С х .' ^ох о
^ох
J ^Ох О
dox
^ох С х .' ^ох о
^ох
J ^Ох О
dox
X
оо~рот (X)dx tior
о
о
де всего в таблице показан главный вид заряженных дефектов — Qion — заряд ионов щелочных металлов, например Na+. Это вид загрязнения, попадающего извне в процесс окисления; его устранение было важной проблемой на начальной стадии производства МОП ИС с алюминиевым затвором. Проблема
МИм^о1»МИм^о1»Рис. 4.21. Пространственное распределение плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 и в слое SiO2.Рис. 4.21. Пространственное распределение плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 и в слое SiO2.66686676667266Температура атаегага, °666686676667266Температура атаегага, °6Рис. 4.22. Треугольная зависимость заряда Qox от температуры отжига после окисления.Рис. 4.22. Треугольная зависимость заряда Qox от температуры отжига после окисления.Рис. 4.23. Анизотропия плотности поверхностных уровней в кристалле, измеренная МОП-конденсатором.Рис. 4.23. Анизотропия плотности поверхностных уровней в кристалле, измеренная МОП-конденсатором.
МИм^о1»
МИм^о1»
Рис. 4.21. Пространственное распределение плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 и в слое SiO2.
Рис. 4.21. Пространственное распределение плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 и в слое SiO2.
66686676667266
Температура атаегага, °6
66686676667266
Температура атаегага, °6
Рис. 4.22. Треугольная зависимость заряда Qox от температуры отжига после окисления.
Рис. 4.22. Треугольная зависимость заряда Qox от температуры отжига после окисления.
Рис. 4.23. Анизотропия плотности поверхностных уровней в кристалле, измеренная МОП-конденсатором.
Рис. 4.23. Анизотропия плотности поверхностных уровней в кристалле, измеренная МОП-конденсатором.
была решена путем обработки окисного слоя в Р2О5, что приводило к образованию слоя стекла, связывающего Na. До сих пор эффективно применяется метод окисления в НС1, впервые использованный Р. Дж. Криглером, позволяющий связывать Na в форме NaCl. В процессе работы МОП-схем в результате действия электрического поля приповерхностная область кремния заряжается отрицательно и, когда температура повышается, ионы щелочных металлов концентрируются у границы раздела (105 В/см, 100°C). Однако в современной технологии изготовления БИС заряд Qlon настолько уменьшен, что проблему можно считать почти решенной.
с/яергия, я вс/яергия, я вРис. 4.24. Анизотропия распределения плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 для лицевой поверхности (111), (110), (1 0 0). Концентрация Н2О— 8Х XI О"3 %, влажное окисление при 1000 °C.Рис. 4.24. Анизотропия распределения плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 для лицевой поверхности (111), (110), (1 0 0). Концентрация Н2О— 8Х XI О"3 %, влажное окисление при 1000 °C.
с/яергия, я в
с/яергия, я в
Рис. 4.24. Анизотропия распределения плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 для лицевой поверхности (111), (110), (1 0 0). Концентрация Н2О— 8Х XI О"3 %, влажное окисление при 1000 °C.
Рис. 4.24. Анизотропия распределения плотности поверхностных уровней на границе раздела Si—SiO2 для лицевой поверхности (111), (110), (1 0 0). Концентрация Н2О— 8Х XI О"3 %, влажное окисление при 1000 °C.
Следующие виды заряженных дефектов Qox и JVFs изменя
ются в зависимости от условий окисления. Вообще говоря, заряд Qox невысок при сухом окислении и высокой температуре, а в случае окисления при температуре ниже 1000 °C он может быть уменьшен путем отжига в атмосфере Аг. Эта ситуация показана на рис. 4.22 и называется треугольником Дила. При влажном окислении при температуре ниже 900 °C заряд Qox меньше, чем в случае сухого окисления' в тех же условиях. Величина заряда Qox зависит от кристаллической ориентации подложки, уменьшаясь в ряду (1 1 1), (110), (110). Е. Арнольд установил зависимость заряда Qox от кристаллической ориентации подложки, исследуя окисление кремниевого образца в виде полушария с использованием ртутной капли в качестве электрода.
Результаты этих исследо-
ваний показаны на рис. 4.23. На этом рисунке показана анизотропия параметра ^Fsn расположенного вблизи середины запрещенной зоны. Из рисунка видно, что зависимо
сти Qox и ^FS от кристаллической ориентации практически одинаковы. На рис. 4.24 представлено энергетическое распределение плотности поверхностных состояний в пределах запрещенной зоны, полученное методом измерения проводимости на переменном токе. Здесь также проявляется аналогичное влияние кристаллической ориентации. Приведенные экспериментальные данные позволяют предположить, что причины образования Qox и ^Fs взаимосвязаны и обусловлены возникновением кристаллических дефектов, на границе раздела Si—ЗЮг при окислении. По этому поводу проведено множество исследований, однако окончательные выводы еще не сделаны.
Рассмотрим, например, модель С. И. Райдера. Райдер исследовал начальную стадию окисления кристаллических плоскостей (100) и (111) методом рентгеновского фотоэлектронного анализа высокого разрешения. Результаты исследований
nff^ep^acmu Sx^hm-IOnff^ep^acmu Sx^hm-IOРис. 4.25. Распределение плотности атомов кремния в окисном слое вблизи смещения границы Si—SiO2 при окислении.Рис. 4.25. Распределение плотности атомов кремния в окисном слое вблизи смещения границы Si—SiO2 при окислении.
nff^ep^acmu Sx^hm-IO
nff^ep^acmu Sx^hm-IO
Рис. 4.25. Распределение плотности атомов кремния в окисном слое вблизи смещения границы Si—SiO2 при окислении.
Рис. 4.25. Распределение плотности атомов кремния в окисном слое вблизи смещения границы Si—SiO2 при окислении.
приведены на рис. 4.25 и в таблице 4.5. Поскольку длина связи Si—Si 0,24 нм, а длина связей Si—Si в окисленной структуре Si—О—Si 0,3 нм, на границе раздела возникают искажения кристаллической решетки и вдоль лицевой поверхности происходит деформация. Возникшие на границе раздела напряжения частично «разряжаются» и при этом, вероятно, возникают разорванные связи:
=Si—Si=+ -уО2 > =Si- + (=Si— 01+4-е> Si-O-Si. (4.12)
В правой части этой формулы первый член — ^FS, второй член — Qox- Если имеется НгО, то
=SL + Н2О > =5—ОН=SL + Н2О > =5—ОН(4.13)(4.13)
=SL + Н2О > =5—ОН
=SL + Н2О > =5—ОН
(4.13)
(4.13)
легко стабилизируется.
В окрестности границы раздела, кроме того, имеются Si- и О-вакансии, Si—О в междуузлиях и другие состояния, способствующие образованию пар междуузлий и вакансий. Эти кристаллические дефекты находятся на некотором расстоянии от границы раздела; в результате образуются N^s и Qox-
Таблица 4.5
Структура в окрестности границы раздела Si—S1O»
(100)Щ1)
Структура 1-го слоя (2,5 нм)SiOi,38SiOi.ig
Ширина области перехода (нм)1,251,5
Число еще не окисленных связей0,9-10151,6-1015
Относительно глубоких донорных и акцепторных уровней на рис. 4.24 можно предположить, что среди создающих их кристаллических дефектов нет дефектов, образующих парные заряды (электроны и дырки), например, кислородных дефектов и Si в междуузлиях решетки. Правда, полностью объяснить распределение, приведенное на рис. 4.24, на основе модели возникновения уровней за счет кулоновского потенциала (Гётцбер- гер, 1968 г.) невозможно. Т. Сакура и Т. Сугано (1980 г.) произвели теоретические расчеты для случая идеальной решетки Si—5Юг с несколько удлиненными по сравнению с обычными связями Si—О и Si—Si, используя приближение «жестких связей», и вычислили уровни в верхней и нижней части запрещенной зоны и уровни = Si>, образованные вблизи середины запрещенной зоны.
В описанных выше случаях говорится о поверхностных состояниях, образованных в процессе окисления (естественным путем), однако и после окисления остается множество факторов, приводящих к генерации нового заряда. Технологические процессы, которые могут проводиться после окисления, очень многочисленны. Это ионная имплантация, плазменное травление, ионное травление, обработка рентгеновскими, электронными (высокой энергии), а- и у-лучами при формировании рисунка и прочее. Все эти процессы могут прямо или косвенно, образуя центры захвата, создавать положительные и отрицательные заряды.
Миниатюризация элементов приводит к ситуации, когда, в частности, в МОП-транзисторах горячие (с высокой энергией) электроны и дырки проникают из кремния в окисный слой. В результате окисный слой заряжается электрически, что приводит к изменению порогового напряжения МОП-транзистора Ут и является чрезвычайно важной проблемой. В главе 3 показывалось, что Ут определяется напряжением плоских зон Угв
Урв = 0ms— (Qlon + Сох + <7^5 "У Сот)' (4-14)
Для современных МОП БИС требуется точность установления порогового напряжения Ут ±0,1 В, поэтому малейшие изменения напряжения плоских зон Урв имеют большое значение.
В конструкциях электрически программируемых постоянных ЗУ (ЭППЗУ) специально предусмотрено проникновение горячих электронов или генерированных стоковым электродом лавинных электронов в скрытый в толще окисного слоя плавающий затвор. Известны также электрически стираемые программируемые ПЗУ (ЭСППЗУ), в которых электрическая запись и стирание информации производятся за счет туннельного про-
никновения электронов через сверхтонкий (2,0—5,0 нм) слой окисла.
Для указанных типов элементов серьезные затруднения возникают из-за захвата внедренных электронов ловушками внутри окисного слоя. Плотность ловушек в окисном слое ограничивает возможное число циклов записи элементов. Поэтому исследования свойств ловушек и факторов, влияющих на сокращение плотности ловушек в окисном слое, представляются очень важными. Становятся необходимыми радикальные меры устранения ловушек, образованных в окисном слое, в частности, в результате воздействия внешних факторов путем их отжига.
Электрическая прочность окисного слоя. Электрическая прочность термического окисного слоя, изготовленного очень тщательно, может превышать 107 В/см. Однако на практике во множестве случаев окисный слой разрушается при гораздо меньшей напряженности электрического поля. Практический
Рис. 4.26. Пример гистограммы электрической прочности окисного слоя.
пример, относящийся к МОП-транзисторам, представлен на рис. 4.26. На приведенной гистограмме имеется три участка: А, В и С в порядке понижения электрической прочности. Участок А соответствует максимальной электрической прочности. Участок С соответствует образованию точечных пробоев окис-
ного слоя, вызванных локальными загрязнениями лицевой поверхности кремния — этот участок не вызывает вопросов. На участке В случаи пробоя обусловлены условиями, создавшимися на лицевой поверхности кремния еще до начала окисления (дефекты, примеси), и причинами, связанными с методом окисления. Как указывалось выше, внешнее облучение также оказывает отрицательное влияние.
электрического пробоя окисэлектрического пробоя окисного слоя.ного слоя.Тенденция миниатюризации элементов в МОП БИС приводит на практике к необходимости применения окисных слоев толщиной 5—20 нм. Если взять, например, окисный слой толщиной 10 нм, то при электрической прочности 5-106 В/см, максимальная величина напряжения, которое можно приложить к затвору составит 5 В. Это является чрезвычайно строгим ограничением.
электрического пробоя окис
электрического пробоя окис
ного слоя.
ного слоя.
Механизм электрического пробоя представляется следующим образом. Как показано на рис. 4.27, электроны, проникающие в SiO2, обладают энергией, примерно в 2 раза большей ширины запрещенной зоны SiO2 Eq. Эти электроны вызывают ударную ионизацию SiO2, отрывая валентные электроны, в результате чего генерируются свободные электроны и дырки.
Дыркиобладаютмалойподвижностью в электрическом поле,
а электроныещеболееускоряются, вызывая лавинообразный
процесс, приводящий к электрическому пробою. В представленной теории имеются два важных параметра — предположительная величина энергии электронов 2Ео и длина электрон-фонон- ного рассеяния 0,174 нм. Исчезновение дырок происходит путем рекомбинации с электронами в играющих большую роль центрах рекомбинации, а при переносе дырок активно действуют, в частности, «медленные» ловушки.
Эффект маскирования. Окисные слои со вскрытыми в них окнами выполняют в планарной технологии необходимую маскирующую функцию при диффузии и ионной имплантации примеси в кремний. Легирование кремния примесью через вскрытые в защитном слое окна посредством имплантации ионов с низкой энергией при использовании газов РНз, В2Н6 или твердого стеклообразного раствора, содержащего окисленные формы примесей, фактически является только предварительной стадией легирования — загонкой примеси. Далее в процессе термообработки при высокой температуре (свыше 1000 °C) проводится следующая стадия — разгонка примеси.
При этом возникает проблема, которая заключается в проникновении примеси на участки кремниевой подложки, расположенные под маскирующим слоем окисла. Al, Ga имеют малый атомный радиус и, как следствие, большой коэффициент диффузии в окисный слой. В, Р и As являются типичными примесями с низким коэффициентом диффузии (коэффициент диффузии 10-13—10-17 см2/с при 1100 °C) и слой окисла толщиной 0,5—1,0 мкм оказывается достаточным для маскирования (см. таблицу 4.6). Когда указанные примеси осаждаются на лицевую поверхность окисла и боковые стенки вскрытых окон, происходит образование стеклообразной фазы и эффект маскирования еще более усиливается.
Коэффициенты диффузии Р, В, Ga в Si и SiO2
Таблица 4.6
Р
В
Ga
(УР, мкмУч)/5Ю2
0,15
0,1
10
«1200 °C)/Si
0,7-1,3
0,7
0,8
Перераспределение примеси при окислении. В процессе окисления кремния, содержащего некоторую концентрацию примеси, в приповерхностном слое кремния, как рассмотрено в разделе 4.5.1, формируется граница раздела Si—SiOa и примесь, вследствие неравенства химического потенциала кремния и окисного слоя, перераспределяется между окисным слоем и подложкой. Отношение равновесной концентрации примеси в кремнии и в окисном слое на границе раздела Si—8Юг называется коэффициентом сегрегации т. На практике форма распределения примеси, содержащего скачок на границе раздела, определяется скоростью окисления, температурой и коэффициентом диффузии примеси в подложку.
На рис. 4.28 представлены случаи медленной диффузии примеси в слой окисла (а и б) и быстрой диффузии (виг), причем для а и б коэффициент /п<1, а для виг коэффициент /п>1. На рис. 4.28, а и б показана диффузия В, на рис. 4.28, в — диффузия Р, а на рис. 4.28, г — диффузия примеси Ga. На рис. 4.28, а показан случай рассасывания примеси на границе раздела, а на рис. 4.28, в — накопления примеси на границе раздела. При легировании примесью В коэффициент сегрегации при использовании Si-подложки с ориентацией (100) больше, чем в случае Si-подложки с ориентацией (11 1). Кроме того, коэффициент сегрегации т больше в слу-
Рис. 4.28. Перераспределение примеси при окислении, m—N$i/NOx. Диффузия в окисный слой: а — примеси бора (медленная), б — примеси бора в атмосфере водорода (быстрая), в — примеси фосфора (быстрая), г — примеси галлия (быстрая). Ось абсцисс соответствует глубине диффузии х. ряда (память) в динамическом тем самым является причиной изделий.Рис. 4.28. Перераспределение примеси при окислении, m—N$i/NOx. Диффузия в окисный слой: а — примеси бора (медленная), б — примеси бора в атмосфере водорода (быстрая), в — примеси фосфора (быстрая), г — примеси галлия (быстрая). Ось абсцисс соответствует глубине диффузии х. ряда (память) в динамическом тем самым является причиной изделий.
Рис. 4.28. Перераспределение примеси при окислении, m—N$i/NOx. Диффузия в окисный слой: а — примеси бора (медленная), б — примеси бора в атмосфере водорода (быстрая), в — примеси фосфора (быстрая), г — примеси галлия (быстрая). Ось абсцисс соответствует глубине диффузии х. ряда (память) в динамическом тем самым является причиной изделий.
Рис. 4.28. Перераспределение примеси при окислении, m—N$i/NOx. Диффузия в окисный слой: а — примеси бора (медленная), б — примеси бора в атмосфере водорода (быстрая), в — примеси фосфора (быстрая), г — примеси галлия (быстрая). Ось абсцисс соответствует глубине диффузии х. ряда (память) в динамическом тем самым является причиной изделий.
чае сухого окисления кремния, чем при использовании влажного окисления. Поскольку концентрация примеси на лицевой поверхности подложки оказывает непосредственное влияние на электрические характеристики транзисторов, перераспределение примеси при окислении необходимо тщательно учитывать при проектировании и разработке технологического процесса.
Возникновение дефектов упаковки при окислении. В процессе окисления кристаллические дефекты на 'лицевой поверхности кремния, повреждения, возникшие в процессе обработки, и примеси становятся источниками возникновения дислокаций, а группы атомов избыточного кремния, сосредоточенные в междуузли- ях, легко образуют дефекты упаковки. Упомянутые между- узельные атомы кремния возникают на границе раздела Si — SiOz и далее проникают в объем. Устранение таких дефектов упаковки, вызванных окислением (OSF — oxidation- induced stacking fault), является чрезвычайно важной задачей. Например, захват ионов металлов дефектами упаковки нарушает хранение заЗУ на основе МОП-структур и брака при производстве этих
Вообще говоря, дефекты упаковки, вызванные окислением, зависят от температуры окисления и кристаллической ориентации. Согласно экспериментальным исследованиям С. М. Ху (1975 г.) рост дефектов упаковки происходит при температуре окисления от 1100 до 1200 °C, а дальнейшее повышение температуры приводит к резкому уменьшению размеров дефектов упаковки. На Si-подложках с ориентацией (100) размеры дефектов упаковки больше, чем на подложках с ориентацией (1 1 1). При влажном окислении размеры дефектов упаковки больше, чем при сухом окислении. Окисление при низкой температуре, окисление в НС1 и окисление при высоком давлении уменьшает образование дефектов упаковки.
и Т(7нний СЛОИ ОЦ^д ДУ/СДЗ T7/1U77/7/2и Т(7нний СЛОИ ОЦ^д ДУ/СДЗ T7/1U77/7/2> /7/7/7/7Р РДЗУ?//?- Н1УД /7/7/73/7 5ь3М^> /7/7/7/7Р РДЗУ?//?- Н1УД /7/7/73/7 5ь3М^Z7н/2/7/7£,- ////pZ7н/2/7/7£,- ////pЛокальное окисление. В технологии производства ИС применяется процесс частичного окисления подложки кремния, на участках поверхности которой нанесен слой нитрида кремния или поликристаллического кремния. Например, на рис. 4.29 представлен метод локального окисления, называемый LOCOS (local
и Т(7нний СЛОИ ОЦ^д ДУ/СДЗ T7/1U77/7/2
и Т(7нний СЛОИ ОЦ^д ДУ/СДЗ T7/1U77/7/2
> /7/7/7/7Р РДЗУ?//?- Н1УД /7/7/73/7 5ь3М^
> /7/7/7/7Р РДЗУ?//?- Н1УД /7/7/73/7 5ь3М^
Z7н/2/7/7£,- ////p
Z7н/2/7/7£,- ////p
У7цие^дя Г
/7777У/7/7М2ДД
y?<7H£Z/72z/VZ7- /7Д12/7/7Д7/У/^//£ £У7С?й _
Рис. 4.29. Локальное окисление.
oxidation of silicon). По методу LOCOS производится окисление лицевой поверхности кремниевой подложки, часть поверхности которой закрыта слоем Si3N4, препятствующим окислению. Этот метод широко используется
Рис. 4.30. Структура с окисленным поликремнием: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2; 2 — поликремний: 3 — окисленный слой поликремния; 4—слой термического окисла.Рис. 4.30. Структура с окисленным поликремнием: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2; 2 — поликремний: 3 — окисленный слой поликремния; 4—слой термического окисла.в технологии производства ИС, так как он позволяет не формировать на лицевой поверхности подложки высокую ступеньку. Островки из толстого слоя окисла формируются для взаимной изоляции близко расположенных
Рис. 4.30. Структура с окисленным поликремнием: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2; 2 — поликремний: 3 — окисленный слой поликремния; 4—слой термического окисла.
Рис. 4.30. Структура с окисленным поликремнием: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2; 2 — поликремний: 3 — окисленный слой поликремния; 4—слой термического окисла.
друг к другу транзисторов. На рисунке показано, что слой окисла на 44% своей толщины опускается глубже раздела Si3N4— Si. Без слоя Si3N4 получается ступенька примерно в 2 раза большей толщины (рис. 4.29, в,
г). Процесс окисления, показанный на
рис. 4.29,6 развивается также под слоем Si3N4. При этом из-за внутренних напряжений в кремний легко проникают дефекты. Искажение формы на краю такого окисла напоминает птичий
клюв. Тенденция уменьшения размеров интегральных элемен
тов заставляет принимать во внимание величину этого «птичьего клюва». Имеется множество опробованных на практике путей усовершенствования метода локального окисления, они будут рассмотрены позже (разд. 5.3).
Окисление поликристаллического кремния также широко используется при изготовлении ИС. На рис. 4.30 приведен один из практических примеров. Поликристаллический кремний содержит какое-то число зерен с монокристаллическими плоско-
стями и граничные участки этих зерен. Поэтому процесс окисления на одних участках плоскостей такой же, что и для случая монокристаллического кремния, а на других участках плоскостей он проходит иначе. В частности, при окислении на границах зерен, когда окисел поликристаллического кремния стравливается на определенном участке, в точках, соответствующих границам зерен, образуются точечные проколы. Вообще говоря, процесс окисления поликристаллического Si нуждается в многочисленных дополнительных исследованиях.
Изготовление тонких пленок методом химического осаждения из газовой фазы
В технологии изготовления БИС широко распространено формирование тонких пленок: 1) поликристаллического кремния; 2) SiO2, SiO2, легированного фосфором, SiO2, легированного бором, S13N4; 3) тугоплавких металлов W, Mo, Ti; 4) Al. Тонкие пленки Al, SiO2 и тяжелых металлов напыляются физическими методами осаждения из газовой фазы. Тонкие пленки 1—3 наносятся методом осаждения из газовой фазы в ре-
Рис. 4.31. Пример конструкции биполярной ИС: 1—газофазный эпитаксиальный Si3N4; 2 — алюминиевая разводка (2-й слой); 3 — алюминиевая разводка; 4, 5, 6 — соответственно газофазные эпитаксиальные Si3N4, SiO2, ФСС; 7 — газофазный эпитаксиальный SiO2 и ФСС для межслойной изоляции; 8 — п-эпи- таксиальный слой; 9 — п+-скрытый слой; 10 — кремниевая подложка р-типа.
зультате химической реакции газового источника, содержащего необходимые составные элементы, т. е. методом газофазной эпитаксии. Это один из методов эпитаксиального наращивания, рассмотренного в разд. 4.4. Причем, поскольку тонкие пленки 1 и 2 не являются монокристаллическими, то ограничений в использовании этого метода очень немного и область его применения чрезвычайно велика. На рис. 4.31 показан пример конструкции биполярной БИС, а на рис. 4.32 — МОП БИС.
Из рисунков видно, насколько широко в указанных типах БИС применяются тонкие слои, полученные методом газофазной эпитаксии.
Впервые поликристаллический кремний появился как электрод затвора (кремниевый затвор) во второй половине 60-х г.г., заменив А1. Поликристаллический кремний имеет три основных преимущества. Во-первых, он наносится поверх окисного слоя
Рис. 4.32. Пример конструкции МОП ИС: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2; 2 — газофазный эпитаксиальный Si3N4; 3 — газофазное эпитаксиальное ФСС; 4 — газофазный эпитаксиальный легированный поликремний; 5 и 6— газофазный эпитаксиальный легированный поликремний: соответственно второй и первый слои.
методом газофазной эпитаксии, что оказалось очень удобным для МОП-структур, чрезвычайно критичных к случайному внедрению примесей, и, кроме того, позволило повысить производительность по сравнению с напылением А1. Во-вторых, появилась возможность взаимного конструктивного согласования затвора, истока и стока (самосовмещение). При этом за счет небольшого перекрытия затвора со стоком и истоком снизились электрические емкости, увеличился к. п.д., сократились размеры транзистора и повысилась плотность интеграции элементов. В-третьих, это обеспечило снижение порогового напряжения в р-канальном МОП-транзисторе в результате применения затвора из поликристаллического Si, легированного В. При Al-затворе это было невозможно из-за отрицательной разности работ выхода А1 и Si.
Со временем при появлении ионной имплантации примесей для управления пороговым напряжением МОП-транзисторов это преимущество поликристаллического кремния уже перестало играть роль, однако из-за первых двух технология поликремниевых затворов широко используется во всевозможных структурах в процессе производства БИС. Кроме того, (предварительно легированный) поликристаллический кремний используется в качестве диффузионного источника при производстве биполярных и МОП-транзисторов, и как контактный элемент, соединяющий диффузионный электрод и линии металлической
разводки, расположенные на разных уровнях в структуре, через вскрытое в межслойном изоляторе окно, а также непосредственно для создания электрической разводки. Правда, достаточно высокое сопротивление легированного поликристалличе- -ского кремния накладывает ограничение на использование его в качестве электродов и разводки. Поэтому для обеспечения дальнейшего снижения размеров элементов и повышения их ■быстродействия в современных структурах электроды и разводку стали выполнять из тугоплавких металлов. И наоборот, в последние годы расширяются многочисленные применения по- ликристаллического кремния в высокоомных нагрузочных резисторах статических МОП ЗУ, в трехмерных структурах ИС, содержащих несколько кремниевых слоев, нанесенных поверх изолирующего слоя, в качестве источника диффузии (предварительно легированный примесью поликристаллический кремний). Кроме того, поликристаллический кремний присутствует в матричных дисплеях с большой площадью отображения информации на основе жидких кристаллов и в управляющих транзисторах этих дисплеев.
Слои ЗЮг, полученные методом газофазной эпитаксии, проигрывают по качеству термическим окисным слоям, поэтому подзатворные изолирующие слои МОП-транзисторов этим методом не изготовляют. Газофазное наращивание ЗЮг проводят при относительно низкой температуре, поэтому этот метод чрезвычайно широко используется в планарной технологии производства ИС для создания изоляции между активными элементами, между электродами и между линиями электрической разводки. SiOs, легированный примесью, служит источни- •ком диффузии. ЗЮг, содержащий большое количество примеси Р, имеет низкую температуру плавления. Поэтому расплавляя, его используют как защитное покрытие, сглаживающее на лицевой поверхности ИС множество выступов и углублений. ЗЮг с примесью Р или Р и В одновременно (фосфоросиликат- ное стекло, ФСС), имеет стеклообразную структуру и связывает атомы щелочных металлов, препятствуя их распространению. Этот материал используется в виде защитного слоя лицевой -поверхности ИС, который наносится поверх алюминиевой разводки и служит в качестве геттера.
Широко применяются в современных ИС слои нитрида кремния (Si3N4), например:
при локальном окислении в качестве маскирующих слоев;
в качестве изолирующих слоев запоминающих конденсаторов;
в качестве изолирующих слоев затвора в МНОП-типа ЗУ с сохранением информации при отключении питания;
в качестве изолирующих слоев многослойной разводки; „
5) в качестве защитных слоев для предохранения лицевой поверхности от проникающих извне ..молекул воды, атомов щелочных металлов и других примесей.
ЛЯан у умный /—наела
Рис. 4.33. Установка газофазной эпитаксии при низком давлении.
31зК4 может быть получен непосредственным термическим азотированием кремния при высокой температуре, однако скорость этого процесса мала, поэтому пленку Sis^ этим способом
Рланиианный гал
Лластинь/
Ядгуе^ател^
Рис. 4.34. Установка газофазной эпитаксии с реактором горизонтального типа непрерывного действия.
получить трудно. Хотя для случаев применения 1—3 метод непосредственного азотирования кремния и представляется желательным, но на практике метод газофазной эпитаксии остается
Ялен туей
Ялалма
/7Л/2С/Л1/НЫ
5
^ -- - Ялен туей
ЯагреЯа -тпелл
, йЙагЯёЯЯЯд
I тель
Яыл^снЯеанананнь/й г ал
Рис. 4.35. Установка плазменного газофазного эпитаксиального наращивания.
единственным методом получения SisN4. Ниже дано обоснование каждого из пяти указанных выше случаев применения S13N4I
скорость окисления Si3N4 чрезвычайно мала;
диэлектрическая проницаемость полученного SisN4 больше, чем ЗЮг;
Тонкий слой
Реакционные газы
Температура реакции, °C
Примененее
Поликремний
SiO2
ФСС
Si3N4
W, Мо, Та
WSi2
SiH4550—'
(при наращивании для легирования примесями Р, В, As используются добавки РНз, В2Не, AsH3.
SiH4+2O2+2H2950
Si(OC2H5)4700
SiH4+2N2O800
SiH4+2NO700
SiH4+2O2400
SiH4+O2 \ pp Q । сгр50(
4РНз+5О2/ 2^2^ *”^i^2
SiH4+NH3700-<
SiCl2H2+NH3650—'
WF6350-4(
WF6+3H2400
2MoCl5+5H2800
2TaCl5+5H2600
WF6+2SiH4300—4f
mo
)
)00
mo
)0 ■
50
Высокоомный слой, Затворныйэлектрод.
Источникдиффузия
примеси. Для формирования разводки
Межслойная изоляция. Защитный слой на лицевойповерхности.
Легированный SiO2 как источникдиффузии
примеси
Защитный слой на лицевойповерхности.
Межслойная изоляция. Источник диффузии
Защитный слой для локального окисления
Подзатворный изолирующий слой для элементов памяти. Конденсаторы
Для формирования разводки.Затворный
, электрод.Барьерный
металл
Таблица 4.7
Формирование тонкого слоя методом газофазной эпитаксии при обычном давленииФормирование тонкого слоя методом газофазной эпитаксии при обычном давлении
Формирование тонкого слоя методом газофазной эпитаксии при обычном давлении
Формирование тонкого слоя методом газофазной эпитаксии при обычном давлении
Газофазная эпитаксия при пониженном давлении и в плазмеГазофазная эпитаксия при пониженном давлении и в плазме
Газофазная эпитаксия при пониженном давлении и в плазме
Газофазная эпитаксия при пониженном давлении и в плазме
Применение
Температура, °C
Газофазная эпитаксия при обычном
SiO2, ФСС
300-500
давлении
Газофазная эпитаксия при низком
давлении
низкая температура
SiOs, ФСС
300-500
высокая температура
БЮг, ФСС, SisN4
500-900
Газофазная эпитаксия в плазме
SisN4, SiO2
100-350
Таблица 4.8
к справочным данным, представленным в табл. 4.7 и 4.8 и относящимся к использованию метода газофазной эпитаксии для получения тонких пленок различных материалов.
Поликремниевые слои
Формирование слоев поликристаллического кремния производится путем термического разложения силана SiH<. Термическое разложение силана проводится при температуре 620— 650 °C при нормальном давлении силана в случае его разбавления азотом N2 или аргоном Аг или при давлении, пониженном до 133 Па, в случае использования 100 %-ного силана. Энергия активации этой реакции термического разложения 1,4— 1,7 эВ. При необходимости проводится отжиг полученного слоя кремния при температуре 900—1000 °C. При температуре до 600 °C зерна поликристаллического кремния имеют размер до 20,0 нм (кристаллическая ориентация (410)), при температуре до 570 °C—10,0 нм и образуется аморфная фаза. Однако термообработка полученного слоя (отжиг) при температуре 900—1000 °C способствует формированию слоя столбчатого поликристаллического кремния с размерами зерен более 80,0 нм и кристаллической ориентацией (1 10). Отжиг при более высокой температуре приводит к преимущественной ориентации зерен (100).
Конкретные условия процессов наращивания и отжига определяются в зависимости от заданных свойств получаемого слоя поликристаллического кремния.
Поликристаллический кремний легируется примесью методом диффузии или ионной имплантации, кроме тех случаев, когда он используется в качестве высокоомного материала. Случаи, когда легирование примесью производится одновременно с наращиванием слоя поликристаллического кремния, пока-
заны на рис. 4.36. Как видно из рисунка, легирование примесью В способствует повышению скорости наращивания слоя поликристаллического кремния, тогда как примесь Р не оказывает влияние на скорость роста слоя. По всей видимости это
Рис. 4.36. Скорость наращивания поликремния и эффект одновременного введения примесей бора и фосфора: 1 — нелегированный; 2 — 1,Ь10-4% В2Н6; 3—5,5-10-5% В2Н6; 4—1,Ы0-б% В2Н6; 5— 5,5-10-6% В2Н6; 6-Ы0-4 РН3; 7 — расчетные значения.Рис. 4.36. Скорость наращивания поликремния и эффект одновременного введения примесей бора и фосфора: 1 — нелегированный; 2 — 1,Ь10-4% В2Н6; 3—5,5-10-5% В2Н6; 4—1,Ы0-б% В2Н6; 5— 5,5-10-6% В2Н6; 6-Ы0-4 РН3; 7 — расчетные значения.связано с тем, что образуемые при легировании акцепторной примесью В дырки способствуют ускорению наращивания поликремния.
Рис. 4.36. Скорость наращивания поликремния и эффект одновременного введения примесей бора и фосфора: 1 — нелегированный; 2 — 1,Ь10-4% В2Н6; 3—5,5-10-5% В2Н6; 4—1,Ы0-б% В2Н6; 5— 5,5-10-6% В2Н6; 6-Ы0-4 РН3; 7 — расчетные значения.
Рис. 4.36. Скорость наращивания поликремния и эффект одновременного введения примесей бора и фосфора: 1 — нелегированный; 2 — 1,Ь10-4% В2Н6; 3—5,5-10-5% В2Н6; 4—1,Ы0-б% В2Н6; 5— 5,5-10-6% В2Н6; 6-Ы0-4 РН3; 7 — расчетные значения.
При легировании примесью, проводимом одновременно с наращиванием слоя, удельное сопротивление слоя поликристаллического кремния зависит от температуры- процесса. Удельное сопротивление слоя поликристаллического кремния может быть ниже 0,01 Ом-см, если температура процесса выше 550 °C при легировании примесью В, или же если температура процесса более 630 °C при легировании примесью Р. В современной технологии широко применяется ионное внедрение и термическая диффузия примеси, осуществляемые после наращивания слоя поликристаллического кремния. Холловская подвижность в поли-51 составляет 20—40 см2/В*с.
Слои оксида кремния SiO2
Известно несколько методов нанесения слоев SiO2 газофазным эпитаксиальным наращиванием. Наиболее распространенным является газофазная химическая реакция силана и кислорода:
SiH4 -{- О2 > SiO2 -{- 2Н2
Поскольку реакция протекает при температуре до 500 °C, этот метод нанесения можно использовать в технологии производства ИС даже после формирования алюминиевой разводки. В основном, применяют метод нанесения S1O2 при нормальном давлении, однако используется и метод газофазной эпитаксии при низком давлении (LPCVD). Скорость наращивания SiO2 возра-
стает при увеличении температуры, и энергия активации этого процесса невелика. Давление кислорода оказывает чрезвычайно сильное влияние на скорость наращивания SiO2, так как адсорбция кислорода на лицевой поверхности задерживает химическую реакцию. В слоях окисла, выращенных при низкой температуре, содержится водород (Si—ОН, Si—Н, Н2О).
Высококачественный окисный слой получается также путем эпитаксии в результате термического разложения тетраэтоксисилана (ТЭОС) = 51(ОС2Нз)4 при низком давлении. Этот процесс протекает при довольно высокой температуре (650—750 °C), поэтому его используют в основном для нанесения 5Ю2-слоя поверх кремния или поликремния с целью сглаживания ступенек и канавок на лицевой поверхности. В полученных слоях окисла водород почти не содержится.
Слои SiO2, легированные за счет добавления в реакционный газ РНз при эпитаксии (фосфоросиликатное стекло, ФСС), играют роль защитных слоев, наносимых на лицевую поверхность геттеров примесей металлов и источников диффузии Р. При легировании SiO2 примесью n-типа в реакционный газ добавляется AsH3 (примесь As), а при легировании примесью р-типа — добавляется В2Н6 (примесь В). Общее название полученных легированных слоев окисла — легированные оксиды.
Если лицевая поверхность подложки имеет множество выступов и углублений при нанесении Al-разводки поверх изолирующего слоя, покрывающего такую поверхность, на участках резких перепадов, ступенек на поверхности возникают разрывы линий разводки. Следовательно, важно выбрать условия проведения газофазной эпитаксии, позволяющие в достаточной степени сгладить ступеньки. В этой ситуации применяется метод сглаживания ступенек путем расплавления при температуре свыше 1000 °C в атмосфере водорода слоя SiO2, содержащего большое количество примеси Р (6—8 массовых %).
ФСС, как уже рассматривалось выше, используется как геттер, захватывающий примеси металлов, проникающие в структуру в технологическом процессе. ФСС легко наносится при низкой температуре, поэтому его используют в качестве защитного пассивирующего слоя, который наносится поверх АЬраз- водки. Необходим строгий контроль количества Р в ФСС. В случае избытка Р происходит химическая реакция Р, Н2О и А1, приводящая к коррозии А1 и возникновению дефектов— разрывов линий разводки. В качестве защитного слоя лицевой поверхности подложки используется также ФСС, содержащее Р и В.
При низкотемпературном наращивании слоя SiO2 (до 300 °C) происходит химическая реакция SiH4 и N2O в плазме, образованной тлеющим разрядом в атмосфере аргона (см. рис. 4.35).
SiH4 + 4NaO > SiOa + 4Na + 2HaO.(4.15)
Полученные слои SiO2 содержат некоторое количество водорода в форме SiOH и Н2О.
Слои нитрида кремния Si3N4
При газофазной эпитаксии нитрида кремния происходит химическая реакция аммиака с силаном, хлорсиланом или ди- хлорсиланом. При этом протекают следующие типичные реакции:
3SiH4 + 4NHs —>
► Si8N4+ 12На (нормальное давление, 700—900 °C)(4.16) 3SiClaHa + 4NH,>
*■ S13N4 4- 6НС1 + 6На (низкое давление, 700—800°С).(4.17)
Реакция 4.17 происходит при газофазной эпитаксии при низком давлении с применением диффузионной печи (рис. 4.33), позволяющей легко контролировать температуру. В результате получаются однородные слои нитрида кремния. Производительность процесса достаточно высока. Полученный Si3N4 является аморфным диэлектриком (показатель преломления 2,01), содержащим несколько процентов Н2. Добавление кислорода ухудшает свойства слоев Si3N4. Качество слоев Si3N4 контролируется по удельному сопротивлению (~106 Ом «см), показателю преломления, скорости травления в кислоте HF и др. Слои Si3N4 имеют высокую твердость и большую прочность на растяжение. Электрические свойства Si3M4 представлены в табл. 4.9.
Слои Si3N4, применяемые для защиты лицевой поверхности, формируются методом газофазной эпитаксии в плазме притем-
Таблица 4.9 Физические свойства SiOa и Si3N4, полученных методом газофазной эпитаксии
S1O2
Si»N4
Ширина запрещенной зоны (эВ)
8-9
5
Относительная диэлектрическая проницаемость
4,0
6,0
Показатель преломления
1,46
2,05
пературе менее 300 °C в результате химической реакции силана и аммиака в плазме, образованной электрическим разрядом в аргоне, или в результате химической реакции N2 и силана в плазме, образованной электрическим разрядом в N2. Скорость наращивания SisNt около 10 нм/мин. Однако полученные слои Si3N4 содержат до 20% водорода и микроскопические количества кислорода.
Газофазная эпитаксия тонких слоев металлов
Метод газофазной эпитаксии применяется чрезвычайно широко. В кремниевых ИС этим способом формируются изоли
рующие слои, наносятся различные металлы и силициды ме
таллов. В отличие от вакуумного напыления алюминие
вых слоев метод газофазной эпитаксии позволяет получить однородный по толщине и сложный
по форме слой на лицевой поверхности при высокой производительности нанесения слоя. Давно уже опробованы, например, термическое разложение триметилалю- миния и трибутилалюминия, однако стадия практического применения еще не достигнута. В условиях современной тенденции уменьшения размеров элементов применение электрической разводки из поли- кристаллического кремния с его высоким электрическим сопротивлением сдерживает повышение быстродействия приборов. Поэтому поликристаллический кремний в разводке начали заменять на тугоплавкие металлы и их соединения
Рис. 4.37. Газофазное эпитаксиальное наращивание слоя вольфрама при температуре 350 °C и давлении 0,26-10-1 Па.Рис. 4.37. Газофазное эпитаксиальное наращивание слоя вольфрама при температуре 350 °C и давлении 0,26-10-1 Па.с кремнием (силициды).
Рис. 4.37. Газофазное эпитаксиальное наращивание слоя вольфрама при температуре 350 °C и давлении 0,26-10-1 Па.
Рис. 4.37. Газофазное эпитаксиальное наращивание слоя вольфрама при температуре 350 °C и давлении 0,26-10-1 Па.
Использование термического разложения фторидов и хлоридов, а также восстановления водородом для формирования слоев W и Мо имеет давнюю историю, начиная, например, с практической реализации электрода Шоттки. В современной технологии для этих целей используется метод газофазной эпитаксии при низком давлении. Например, при нанесении W, как показано на рис. 4.37, смесь газов WIFe и Аг или Н2 реагирует в камере газофазной эпитаксии при низком давлении при температуре 350 °C. В результате на поверхности кремния или по- ликристаллического кремния формируется слой W. При ис-
пользовании любого газа на начальной стадии реакции происходит взаимодействие на лицевой поверхности кремния:
•у Si + WF,> W + -|- SiF,(4.18)
и развивается рост слоя W. Далее, в случае применения Аг реакция сдерживается, а при добавлении Н2 продолжается наращивание слоя:
WF, + ЗН2 > W + 6HF
Удельное сопротивление слоя W толщиной 120 нм составляет 1 Ом-см. При правильном проведении указанного процесса слой W образуется только на поверхности кремния или поли- кристаллического кремния, а поверх слоя окиси кремния наращивание W совершенно отсутствует. Это локальное нанесение слоя W может быть использовано для улучшения контактов электродов, барьерных металлических слоев и многослойной электрической разводки (см. раздел 4.8).
Ожидается, что удастся получить стабильное соединение силицидов W, Мо, Та, Ti с поликристаллическим кремнием, что- позволит расширить и усовершенствовать технологию элементов с кремниевым затвором и явится еще одной из возможных областей применения. Например, MoSi2 формируется методом распыления, однако желательно, чтобы этот материал можно было бы получить газофазной эпитаксией. Эта технология уже многократно опробована. Например, для случая W в результате реакции WFe и SiH<:
WFe + 2SiH4> WSi2 + 6HF + H2(4.19)
получаются слои WSi2 с удельным сопротивлением в несколько десятков мкОм-см. Для сравнения укажем, что легированный поликристаллический кремний имеет удельное сопротивление 1000 мкОм-см.
Эпитаксия из газовой фазы с фотостимулированием
В последнее время в самые различные процессы технологии изготовления ИС включаются реакции с фотонным стимулированием и в случае газофазной эпитаксии говорят о фотохимическом возбуждении этого процесса. Источниками света служат лазер или ртутная лампа, дающая ультрафиолетовое излучение. Под действием ультрафиолетового облучения возбуждаются молекулы реакционного газа или же просто нагревается лицевая поверхность подложки и начинается реакция (рис. 4.38, 4.39). Если реакционный газ содержит двухатомные молекулы АВ, то для резонансного возбуждения нужно вы-
/Ьанииаянь/и газ/Ьанииаянь/и газРис. 4.38. Метод фотостимулирован- «ой с помощью лазера газофазной эпитаксии.Рис. 4.38. Метод фотостимулирован- «ой с помощью лазера газофазной эпитаксии.брать источник света с длиной волны, которая обеспечивает наиболее эффективное действие (например, лазеры на СОг.Аг, алюмоиттриевом гранате, лазеры на эксимерах различных видов, источник излучения со спектром Hg). Например, SiH4 разлагается при поглощении ультрафиолетового облучения с длиной волны менее 160 нм, 51гНб (дисилан) хорошо поглощает излучение ртутной лампы с длиной волны 184,9 нм. Используя этот эффект, можно при низкой температуре (100 °C) наносить
/Ьанииаянь/и газ
/Ьанииаянь/и газ
Рис. 4.38. Метод фотостимулирован- «ой с помощью лазера газофазной эпитаксии.
Рис. 4.38. Метод фотостимулирован- «ой с помощью лазера газофазной эпитаксии.
Рис. 4.39. Установка фотостимулиро- ванной газофазной эпитаксии: 1 — отражатель; 2 — ртутная лампа низкого давления; 3 — нагревательная лампа; 4 — пластина.
слои аморфного Si, а добавляя Ог или NH3 в реакционный газ, формировать слои SiO2 и Si3N4 соответственно.
Одним из самых последних является исследование фотости- мулированного окисления. В этом случае облучением лазера на основе эксимера ХеС1 производится разложение СЬ—2С1, далее вводится кислород, подложка облучается лазером и в результате реакций:
Si + хС1 > SiCl^, (х = 1 — 3)(4.20)
SiCl,+ O2 > SiO8 + -y Cl2f(4.21)
происходит окисление Si.
Совершенно особенным является метод повышения чувствительности с помощью ртути. В реакционную камеру вводятся пары Hg, далее производится облучение ртутной лампой, атомы Hg поглощают излучение с длиной волны 213,7 нм, что приводит к образованию атомов в возбужденном состоянии Зр1. Возбужденные атомы Hg переходят в основное состояние, вновь излучая на длине волны 253,7 нм, в результате АВ-молекулы получают необходимую энергию. Таким образом происходит возбуждение и последующее разложение молекул АВ. Поскольку в этом случае используется как энергия внешнего облучения, так и энергия переизлучения, эффективность возбуждения достаточно велика. Этим методом, используя реакционные газы
SiH4 или SiH4+N2, можно получить аморфный Si, используя SiH4+N2O—ЗЮг, а при использовании реакционных газов SiH4+NH3—SisN4.
Газофазная эпитаксия с фотостимулированием может найти применение при изготовлении элементов ИС и, в частности, в субмикронной технологии, так как ее применение не вызывает образования зарядов, создающих ловушки в изолирующем слое, и он не использует рентгеновского излучения.
Легирование примесями: диффузия и ионная имплантация
Изготовление транзисторов и ИС основано на введении в кремний (элемент IV группы периодической системы) элементов III и V групп с целью создания областей р- и n-типа проводимости. Этот процесс легирования примесями осуществляется главным образом методами термической диффузии и ионной имплантации. Технология термической диффузии имеет уже давнюю историю и может считаться высокоразвитой. Ионная имплантация вошла в практическую технологию только в 1970 г., и без нее, по-видимому, появление МОП БИС было бы невозможным. Использование ионной имплантации в биполярных БИС постепенно расширяется, однако в этой области до настоящего времени по-прежнему главная роль принадлежит термической диффузии примеси. Проводятся также работы по сочетанию ионной имплантации и термической диффузии в одном технологическом процессе.
Фундаментальная теория диффузии
При диффузии атомов примеси в кремний атомы примеси, занимающие некоторый узел решетки, движутся путем обмена местами с соседними вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решетки), тогда как атомы примеси, внедренные в междуузлие, перемещаются по междуузлиям, не занимая узлов кристаллической решетки. В первом случае может иметь место автодиффузия самого Si. Или же возможна ситуация, когда междуузельный атом примеси замещает атом Si в одном из узлов кристаллической решетки, в то время как вытесненный атом Si начинает движение по междуузлиям. Атомы примесей III и IV групп диффундируют, перемещаясь по вакансиям, а I и VIII групп — по междуузлиям. Для физического объяснения механизма диффузии необходима модель, учитывающая взаимодействие атомов примеси и вакансий.
Не углубляясь в такого рода микроскопические модели, рассмотрим феноменологическую макроскопическую теорию диффузии. При перемещении примеси в твердом теле из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией в одном направлении х (одномерный случай) за время t поток примеси, проходящий через единичную поверхность, / прямо пропорционален градиенту концентрации примеси N= (х, t) в данный момент времени и в данной точке (точка х=0 соответствует лицевой поверхности)
J = — D'^dr^<4-22>
где коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Из закона сохранения массы следует, что изменение во времени 1Цх, t) равно отрицательному приращению потока /:
dN (х, /)_dJ(x,t)
dt~ dx ’
откуда следуетоткуда следуетdN (x,f) _ дdt — дхdN (x,f) _ дdt — дхр 9N(x,t)дхр 9N(x,t)дх(4.24)(4.24)
откуда следует
откуда следует
dN (x,f) _ дdt — дх
dN (x,f) _ дdt — дх
р 9N(x,t)дх
р 9N(x,t)дх
(4.24)
(4.24)
В случае если N мало, можно определить D:
(4.25)(4.25)dN(x,t) d4N (х,^дх ~и дх4
(4.25)
(4.25)
Эта формула носит имя А. Фика (1855 г.), разработавшего теорию диффузии примеси в твердом теле, подобную диффузии растворенного вещества в разбавленном растворе, и называется диффузионным уравнением Фика. Рассмотрим решение этого уравнения, задав граничные условия. При использовании газового диффузионного источника для обеспечения определенной концентрации примеси на лицевой поверхности можно определить следующие граничные условия:
начальные условия N (х, 0) = 0,(4.26)
граничные условия N (0, t) = No, N(oo,t) = 0.(4.27)
Тогда решение (4.25) будет иметь вид распределения типа вспомогательной функции ошибок*
(4.28)(4.28)
(4.28)
(4.28)
(4.29)
здесь No — концентрация на лицевой поверхности, число ато- мов/см3, D — постоянный коэффициент диффузии, см2/с, х — расстояние от лицевой поверхности, см, / — время диффузии, с. На рис. 4.40 показан вид функции N(х) при ^, h (>Л). Если в подложке концентрация диффундирующей сюда примеси и концентрация примеси противоположного типа проводимости,
Рис. 4.40. Изменение рас- Рис. 4.41. Профиль легирования в случае одина- пределения примеси во нового распределения диффундирующей в подлож- времени.ку примеси и примеси противоположного типапроводимости.Рис. 4.40. Изменение рас- Рис. 4.41. Профиль легирования в случае одина- пределения примеси во нового распределения диффундирующей в подлож- времени.ку примеси и примеси противоположного типапроводимости.
Рис. 4.40. Изменение рас- Рис. 4.41. Профиль легирования в случае одина- пределения примеси во нового распределения диффундирующей в подлож- времени.ку примеси и примеси противоположного типа
проводимости.
Рис. 4.40. Изменение рас- Рис. 4.41. Профиль легирования в случае одина- пределения примеси во нового распределения диффундирующей в подлож- времени.ку примеси и примеси противоположного типа
проводимости.
■содержащейся в подложке, Nb равны, то можно записать, что Мх(х^ =Nb. Точка Xj, для которой справедливо это условие, на- ..зывается глубиной перехода. Если принять, что при x=Xj N (х) =0, то
х^гК^-ег/с-1^х^гК^-ег/с-1^(4.30)(4.30)
х^гК^-ег/с-1^
х^гК^-ег/с-1^
(4.30)
(4.30)
Эта ситуация показана на рис. 4.41. Если в случае диффузии определенного количества примеси (Q/см2), проникающей через лицевую поверхность, принять
начальные условия N (х, 0) = 0,(4.31)
граничные условия J N (х, f) dx = Q, ^ (х, оо) = 0, (4.32) о
то решение уравнения (4.25) примет вид распределения Гаусса N(x,t) =—==-ехр (—(4.33)
а концентрация на лицевой поверхности No будет определяться по формуле
A/o = W(O,/6) =A/o = W(O,/6) =Д/яР/0Д/яР/0(4.34)>(4.34)>
A/o = W(O,/6) =
A/o = W(O,/6) =
Д/яР/0
Д/яР/0
(4.34)>
(4.34)>
Рис. 4.42. Диффузия примеси из ограниченного источника.Рис. 4.42. Диффузия примеси из ограниченного источника.D = Do expD = Do exp_ ДакТ_ ДакТ(4.35).(4.35).
Рис. 4.42. Диффузия примеси из ограниченного источника.
Рис. 4.42. Диффузия примеси из ограниченного источника.
D = Do exp
D = Do exp
_ Да
кТ
_ Да
кТ
(4.35).
(4.35).
Этот случай показан на рис. 4.42. Этапы формирования слоя с определенным количеством примеси на лицевой поверхности*
Рис. 4.43. Температурная зависимость коэффициента диффузии.
(/о) и дальнейшей диффузии называются загонкой и разгонкой примеси соответственно.
В приведенных выше формулах температура не фигурировала явно, однако влияние температуры, конечно, имеет место. Оно проявляется в температурной зависимости коэффициента диффузии. На рис. 4.43 представлены упорядоченные данные, которые могут быть выражены формулой
где Do — частотный фактор, Еа — энергия активации, эВ, Т — абсолютная температура, К, к— постоянная Больцмана, эВ/К. Do зависит от частоты колебаний решетки, длины пробега примесей и дефектов. Еа связана, вероятно, с энергией образования примесей и дефектов и энергией движения. По величине Еа выделяются две группы примесей — до 2 эВ и более 3 эВ. Величины Do и Еа для типичных примесей приведены в табл. 4.10.
Примеси с малым значением £А диффундируют путем обмена местами с вакансиями, а примеси с большой 5а диффундируют, перемещаясь по междуузлиям. Анализ данных, представленных на рис. 4.43 и в табл. 4.10 показывает, что диффузионная способность разных примесей сильно отличается. В случае крайне высокой концентрации примеси (точнее когда при данной температуре сумма концентраций диффундирующей примеси и примеси, содержащейся в подложке, превышает концентрацию собственных носителей пДТ)) коэффициент диффузии Dext отклоняется от Dint, соответствующего случаю низкой концентрации примеси.
Таблица 4.10 Параметры диффузии примесей в кремний
Do, см2/с
Ед. эВ
в
25
3,51
5,1
3,7
1,97
3,6
р
10,5
3,69
0,78
3,4
3,6-10”2
3,0
As
60
4,2
Al
8,0
3,47
Ga
60
3,89
Sb
12,9
3,98
Для объяснения этого факта необходим учет'влияния электронных состояний диффундирующих атомов, различных дефектов и их воздействия на механизм диффузии. Экспериментально проверено, что атомы междуузлий I группы и атомы, диффундирующие по вакансиям V группы, находятся в равновесии и могут быть электронейтральными или нести заряд одного или другого вида. Из приближения разбавленного раствора при условии, что диффузия примеси производится через акцепторные вакансии V- следует
(4.36)(4.36)Dext _ п (Т)^inf ni (Dj"
(4.36)
(4.36)
Следовательно, коэффициент диффузии Dext при данной температуре диффузии зависит от концентрации вакансий V-, иными словами, от уровня Ферми. Дефекты приобретают заряд обоих видов и поскольку они заряжаются также и положительно, то, вообще говоря,
Dext = D» + 2 ^‘Ч I V Г + 2 № ' (4-37) г=1 1 г=1 1
Кроме того, необходимо также учитывать автодиффузию Si. Если диффундирующая примесь ионизируется, то между ионами примеси, электронами и дырками возникают локальные электрические поля и диффузия усиливается, одним словом коэффициент диффузии возрастает. В результате этого эффекта диффузия ускоряется максимум в 2 раза. Структурный фактор fe определяется формулой 1-\-М^№+4п.12 и при N^nv в пределе равняется 2.
Рис. 4.44. Концентрация основных носителей в кремнии, легированном бором.Рис. 4.44. Концентрация основных носителей в кремнии, легированном бором.ПолнаяПолнаяконцентрация яконцентрация яD^n2D^n2Концентра иы яг ЗЛеНГПрОНОЛ яа лицевой пакера?наотцКонцентра иы яг ЗЛеНГПрОНОЛ яа лицевой пакера?наотцКонцентрация /-злентооноЛп НазложениеР^' *Концентрация /-злентооноЛп НазложениеР^' */ИзгиК/ИзгиКО ^оУ7ицеНая лааорснаотоО ^оУ7ицеНая лааорснаотоРис. 4.45. Модель диффузии фосфора в кремнии.Рис. 4.45. Модель диффузии фосфора в кремнии.
Рис. 4.44. Концентрация основных носителей в кремнии, легированном бором.
Рис. 4.44. Концентрация основных носителей в кремнии, легированном бором.
Полная
Полная
концентрация я
концентрация я
D^n2
D^n2
Концентра иы яг ЗЛеНГПрОНОЛ яа лицевой пакера?наотц
Концентра иы яг ЗЛеНГПрОНОЛ яа лицевой пакера?наотц
Концентрация /-злентооноЛп НазложениеР^' *
Концентрация /-злентооноЛп НазложениеР^' *
/ИзгиК
/ИзгиК
О ^о
У7ицеНая лааорснаото
О ^о
У7ицеНая лааорснаото
Рис. 4.45. Модель диффузии фосфора в кремнии.
Рис. 4.45. Модель диффузии фосфора в кремнии.
Данные по коэффициентам диффузии В, Р, As, Sb проанализированы Р. Б. Фэа на основе вышеуказанной модели. Из анализа видно следующее. При диффузии с низкой концентрацией примеси процесс управляется взаимодействием с V+ (донорными дефектами) для диффузии В, с Vo (нейтральными дефектами) для диффузии Р, с V- (акцепторными дефектами) для диффузии As и с Vo для диффузии Sb. В случае диффузии с высокой концентрацией примеси для В имеем
^в=(^+)в-^-; (в формуле (4.37) D+4r = l))- (4.38)
Даже если ионная имплантация примеси достигает концентрации 1020 атомов/см3, полной ионизации не произойдет, т. е. при высокой концентрации примеси диффузия В сильно снижается (см. рис. 4.44). Фосфор Р в области высокой концентрации в ионизированном виде (Р+) образует пары с V--. Концентрация образованных пар (PV)- прямо пропорциональна кубическому корню из концентрации на лицевой поверхности ns.
В этом случае получаем
DP = D^D" М2 \ ГЧ /
(4.39)
Эмиттер—у Р /Эмиттер—у Р /g база.g база.
Эмиттер—у Р /
Эмиттер—у Р /
g база.
g база.
На рис. 4.45 показана диффузия Р, имеющая сложный характер, содержащий переходные области (Фэа). В этих переходных областях происходит диссоциация пар (PV)~, концентра-
^тах. ^ г
Afmax = l,896.1022exp(—^Afmax = l,896.1022exp(—^(4.41)(4.41)
Afmax = l,896.1022exp(—^
Afmax = l,896.1022exp(—^
(4.41)
(4.41)
Каллен тар
in^x—।—।—।—।—।।i_
599 799 999 7799 7;° 9
Рис. 4.46. Концентрация основных но- Рис. 4.47. Эффект вытеснения эмит- сителей в кремнии, легированном тера. мышьяком.
ция вакансий возрастает и протяженность участка «подножия» кривой увеличивается.
При диффузии As в условиях низкой концентрации при высокой температуре (>1000 °C) происходит ионизация, а в условиях высокой концентрации (>Ы016 атомов/см2) при низкой температуре (<1000 °C) происходит только частичная ионизация. В последнем случае причина этого, возможно, в том, что три атома As образуют кластер:
Данные, представленные на рис. 4.46, отображаются формулой
Эта формула соответствует модели (4.40).
Донорные примеси Р и As, несмотря на свои особенности, наиболее близко соответствуют требованиям технологии БИС и применяются: Р — для легирования базовой области рпр-би- полярных транзисторов, As — для создания «мелкого» эмиттера в прп-транзисторах, в истоках и стоках МОП-транзисторов.
При использовании примеси Р проявляется так называемый эффект вытеснения эмиттера (см. рис. 4.47). Когда в слой, легированный В, (в базу) проводится диффузия Р с целью создания эмиттера, базовая область непосредственно под эмиттером углубляется (на 0,2—0,6 мкм). Причина этого эффекта понят-
на из рис. 4.45. Поскольку распределение Р соответствует участку «подножия» кривой (разложение P+V—-пар), диффузия В увеличивается. За счет искажений решетки при высокой концентрации Р (>1020 атомов/см3) пары P+V— распадаются, что вызывает уменьшение ширины запрещенной зоны.
Диффузия в окислительной атмосфере
По мере развития СБИС размеры транзисторов постоянно уменьшаются, что приводит к необходимости постепенного сокращения площади истоков и стоков МОП-транзисторов и эмиттеров биполярных транзисторов, а также уменьшения глубины диффузии. В частности, если взять в качестве примера МОП-
Sb8
вг
Рис. 4.48. Диффузия примеси через маску SisN4 в окислительной атмосфере: а — до окисления; б— расширение диффузии As, Р под маску после окисления; в — случай запаздывания диффузии Sb, противоположный случаю (б); г — расширение диффузии бора при малой ширине маски Si3M4.
транзистор, то для сглаживания рельефной структуры, образованной на его лицевой поверхности, широко применяются процессы локального окисления, проводимые после формирования на участке лицевой поверхности слоя Si^N4 (см. раздел 4.5), как это показано на рис. 4.48, а и б. Однако в то же самое время происходит внутренняя диффузия примеси, введенной предварительно в структуру; причем на участках, покрытых SiaN4, и на участках, где SisN4 отсутствует, диффузия протекает по- разному. Этот эффект нельзя не принимать в расчет, имея в виду цель уменьшения глубины диффузии.
Как показано на рис. 4.48, б и в, в процессе окисления в зависимости от вида примеси диффузия может развиваться, рас-
пространяясь под слой SigN4 или же, наоборот, запаздывать. Как видно на рис. 4.48, г в результате окисления, проведенного после ионной имплантации В, происходит диффузия, в том числе в горизонтальном направлении.
При проектировании миниатюрных МОП-транзисторов в ИС это может оказать серьезное влияние.
Ионная имплантация
При ионной имплантации В, Р, As примеси ионизируются, ускоряются высоким напряжением (от нескольких киловольт до нескольких сотен киловольт) и внедряются в кремниевую подложку. На рис. 4.49 представлена схема установки ионной имплантации. Ионная имплантация отличается от термической диффузии примеси, и хотя после имплантации необходим высо-
Рис. 4.49. Схема установки ионной имплантации: 1 — источник высокого напряжения; 2 — газовый источник; 3 — ионный источник; 4 — фокусирующая линза; 5 —магнитный сепаратор; 6 — ускоряющий электрод; 7 — отклонение по У; 8 — отклонение по X; 9 — щель; 10 — цилиндр Фарадея; 11—образец; 12 — мишень; 13 — указатель ионного тока.
котемпературный отжиг, однако сам процесс внедрения является физическим и проходит при невысокой температуре. Ионная имплантация имеет следующие характерные особенности:
Глубина имплантации определяется энергией ионов. Даже если на лицевой поверхности нанесен окисный слой, возможна имплантация примеси в подложку через этот слой. Количество внедренной примеси можно строго контролировать. Отжиг после имплантации позволяет электрически активизировать примесь и управлять ее концентрацией.
Возможна локальная имплантация примесей в подложку путем маскирования участков подложки слоем фоторезиста.
Поскольку распространение примеси в поперечном направлении при ионной имплантации очень мало, можно формировать легированные участки очень малых размеров.
В условиях отжига, смещенных от теплового равновесия, возможно очень мелкое легирование примесью.
Указанные особенности впервые проявились при формировании диодов методом ионной имплантации. Вслед за тем этот метод, начиная с 1970 г., быстро нашел широкое применение в МОП БИС и биполярных ИС. Однако имплантация ионов высокой энергии приводит к образованию кристаллических дефектов. Полностью устранить этот отрицательный эффект нелегко. Кроме того, существует проблема формирования сквозных каналов, в которых имплантируемые ионы мало подвержены рассеянию (каналы ориентированы вдоль кристаллических осей). Эта проблема требует разрешения.
Величина дозы, длина пробега, образование каналов. Общее количество внедренных ионов называется дозой
No, атомов/см2 = j 1Х (А/см2) • tdtlme,(4.42)
■6
где Л — ионный ток, т — зарядность иона (при замене однозарядных ионов на двухзарядные энергия ионов возрастает вдвое). При токе однозарядных ионов несколько миллиампер за 100с можно ввести в подложку диаметром 100 мм дозу легирования 1020—1021 ат/см2. Внедряемые ионы фиксируются в подложке, теряя энергию в процессе рассеяния на атомных ядрах и электронах. На рис. 4.50, а длина пробега обозначена R, проекция длины пробега на направление падения ионного пучка — Rp, ее стандартное отклонение—ДЯр, величина ортогонального отклонения от направления распространения пучка — AR^. Значение Rp определяется по теории LSS Дж. Линд- харда, М. Шарфа, X. Шиотта. Из этой теории следует, что мощность торможения йЕ1йх иона с энергией Е электронами прямо пропорциональна скорости иона (~уЕ), а влияние массы иона незначительно. Мощность торможения ядрами атомов тем больше, чем больше масса иона, однако в случае малой энергии иона Е способность торможения мала из-за эффекта кулоновского экранирования. С ростом энергии Е увеличивается и способность торможения. Кроме того, в области высоких энергий иона Е сечение рассеяния уменьшается и способность торможения снижается.
Распределение примеси по глубине подложки после имплантации ионов можно просто аппроксимировать распределением Гаусса (рис. 4.50, б)
м (х) = N°exo Г—-^—^-1(4.43)
Однако экспериментально измеренное распределение, как показано на рис. 4.50,6 пунктирной линией, содержит ветвь, отклоняющуюся в сторону лицевой поверхности при имплантации легких ионов типа В+, а также ветвь, отклоняющуюся в глубь подложки при имплантации тяжелых ионов типа As.
я* в
Рис. 4.50. Длина пробега имплантируемых ионов (а); распределение примеси после ионной имплантации (б); отклонение ионов в направлении, ортогональном направлению внедрения (в).
Ортогональное отклонение AZ?i является чрезвычайно важным с практической стороны параметром. Оно определяется по формуле распределения вспомогательной функции ошибок ^= erfc ^у^^ ") > выведенной теоретически С. Фурукава (рис. 4.50,в). В табл. 4.11 приведены теоретические значения Rp, ARP, ARi для ионной имплантации В+, Р+, As+, Sb+.
В монокристаллическом кремнии при имплантации в направлении, совпадающем с одной из кристаллических осей, рассеяние ионов крайне низко. Иными словами, плотность атомов вдоль этих направлений мала, что приводит к аномально большому пробегу имплантируемых ионов. Этот эффект называется формированием сквозных каналов. В кремнии особенно мала плотность атомов в направлении {110} (рис. 4.51), однако практически образование сквозных каналов наблюдается и при использовании направлений {1 1 1} и {100}. Для устранения этого эффекта задают небольшой наклон направления распространения пучка имплантируемых ионов относительно главной оси
Таблица 4.11
Проекция длины пробега имплантируемых ионов (/?р), ее отклонение по глубине проникновения (Д/?р) и в направлении, ортогональном направлению распространения (ДЛ±), мкм
Ионы
Параметры
Энергия ионов, кэВ
no
ЙО
100
300
В
Rp &Rr д/г±
0,0382 0,019
0,019
0,1065 0,0390 0,0465
0,307 0,069 0,087
0,662
0,105
0,152
р
Rp ARP ДЯ±
0,015 0,078
0,061
0,0420
0,0195
0,0168
0,135
0,054
0,047
0,406
0,115 0,110
As
Rp ^Rp ^RL
0,011
0,004
0,003
0,0233 0,0090 0,0064
0,068 0,026 0,019
0,195 0,067 0,048
Sb
Rp &RP AR^
0,010 0,003 0,002
0,0208 0,0062 0,0046
0,051
0,016
0,011
0,130
0,039
0,027
кристалла, но полностью предотвратить его отрицательное воздействие все же трудно.
Образование кристаллических дефектов и отжиг. В процессе имплантации ионов их энергия переходит в колебания атомов кремния. При этом происходят смещения атомов Si из узлов
Рис. 4.51. Эффект сквозного канала (кремний, направление [1 1 0]).
решетки в междуузлия, и таким образом генерируются вакансии. Поскольку энергия, требуемая для смещения атома кремния, составляет 15 эВ, а энергия, воспринимаемая от имплантируемых ионов гораздо больше, обычно возникают 2—3 смещения и образуются пары вакансий, а также соединения вакансий и примесей. При повышении плотности таких дефектов создаются даже аморфные области. Повышение температуры более 500 °C приводит к образованию дислокаций. Пик в распределении этих дефектов по глубине подложки вероятно не достигает /?Р, поскольку именно на этом участке имплантируе-
мне ионы теряют свою энергию. Однако возникновение кристаллических дефектов происходит по-разному в зависимости от того, какие ионы — тяжелые или легкие использовались при имплантации. Как рассматривалось выше, при внедрении легких ионов, например В+, способность торможения электронами выше, чем способность торможения ядрами атомов, и образование дефектов происходит на большей глубине. При внедрении тяжелых ионов, например Р+, As+, способность торможения ядрами увеличивается и образование кристаллических дефектов с высокой плотностью происходит непосредственно в приповерхностном слое подложки. Процесс образования аморфной фазы в приповерхностном слое зависит от массы и количества ионов. Количество имплантируемых ионов, создающих аморфную фазу, уменьшается при увеличении массы иона: В+>1016, Р+=1015, As+~3-1014, Sb+= 1 • 1014.
Важным моментом является также электрическая активизация и отжиг дефектов путем термообработки подложки. Степень восстановления кристаллических свойств измеряется методом обратного рассеяния Резерфорда (производится измерение распространения по каналам ионов Не+ с энергией несколько МэВ), а определение количества активизированного электрического заряда (доноров и акцепторов) — путем измерения холловской подвижности. Измерения, правда, касаются только основных носителей, хотя неосновные носители также оказывают влияние за счет глубоких уровней, образованных остаточными дефектами.
На рис. 4.52 приведены характеристики отжига образца кремния, в который при комнатной температуре проведена имплантация ионов В+ и BF2+ с энергией ионов 150 эВ. Для случая В+ при повышенной температуре 400—550 °C наблюдается активизация порядка 10%. Этот эффект вызван уменьшением точечных дефектов. Дальнейшее повышение температуры приводит к сокращению концентрации носителей e-Ns. Это связано с выпадениями примесей В, сопровождающимися образованием дислокаций. Такая ситуация называется обратным отжигом. При 900 °C выпадения В возвращаются в узлы кристаллической решетки и происходит почти 100%-ная активизация. С другой стороны для случая BF2+ эфекта обратного отжига не наблюдается и восстановление кристаллических свойств происходит чрезвычайно быстро. Причина в том, что BF2+— тяжелый ион, и хотя аморфная фаза и может образоваться, но кристаллические характеристики быстро восстанавливаются посредством твердофазного эпитаксиального процесса, который идет со стороны подложки. Аналогичная ситуация наблюдается и при использовании Р+, As+, когда при дозе выше 1014 атомов/см2 образуется аморфная фаза, но отжиг про-
Рис. 4.52. Изменение концентрации носителей и эффективной подвижности при отжиге после имплантации ионов В+, BF2+. Режим ионной имплантации: ЫО18 см~2, 150 кэВ, термообработка в течение 10 мин.Рис. 4.52. Изменение концентрации носителей и эффективной подвижности при отжиге после имплантации ионов В+, BF2+. Режим ионной имплантации: ЫО18 см~2, 150 кэВ, термообработка в течение 10 мин.
Рис. 4.52. Изменение концентрации носителей и эффективной подвижности при отжиге после имплантации ионов В+, BF2+. Режим ионной имплантации: ЫО18 см~2, 150 кэВ, термообработка в течение 10 мин.
Рис. 4.52. Изменение концентрации носителей и эффективной подвижности при отжиге после имплантации ионов В+, BF2+. Режим ионной имплантации: ЫО18 см~2, 150 кэВ, термообработка в течение 10 мин.
исходит легко и эффекта обратного отжига не наблюдается. Ионная имплантация В+ с дозой 5-Ю’5 см~2 приводит к образованию аморфного слоя. Вообще говоря, при невысокой температуре легко провести аморфизацию подложки. Этот эффект происходит при той же температуре и объясняется теми же причинами, что и обратный отжиг, упомянутый выше.
В технологии СБИС желательно формировать мелкие ц+- и р+-области в приповерхностном слое подложки. Для легирования п+-типа эффективно используется примесь As+, однако легирование р+-ти- па ионами В+ связано со значительными трудностями. По этой причине мелкие области р+-типа формируются ионной имплантацией ВРг4", уже доказавшего свою эффективность.
Импульсный отжиг. Для полного восстановления кристаллических свойств после ионной имплантации необходим отжиг при температуре 900— 1000 °C, однако такая термообработка вызывает термическую диффузию примесей. Избежать этого позволяет отжиг путем мгновенного повышения температуры — процесс термо
динамически неравновесный. При отжиге в течение нескольких секунд диффузионная длина примеси ^Dt не превысит нескольких долей микрометра. Источниками нагрева при импульсном отжиге могут быть: 1) лазеры, 2) электронный луч, 3) импульсные лампы, 4) галогенные лампы, 5) графитовые нагреватели. Причем источники 1) и 2) обеспечивают нагрев за 10— 100 нс, а 3) —5) за 1—100 нс, что не является мгновенным отжигом, однако все же может быть использовано для формирования «мелких» переходов.
Металлическая электрическая разводка
В конструкциях интегральных схем металлы широко применяются для формирования электрической разводки, обеспечивающей передачу сигналов между элементами, для подсоединения входных и выходных выводов и при создании диодов Шоттки.
Наиболее популярным металлом для формирования разводки является алюминий. Для соединений между транзисторами используются диффузионные слои и легированный поликристал- лический кремний, однако ограничения по величине омического сопротивления с учетом тенденции дальнейшего уменьшения размеров элементов приводят к необходимости поиска новых решений. В настоящее время работа по этой проблеме ведется
Уо^вем ФермиУо^вем ФермиМеталл Гранина л-полулро5о5- разЗела ликМеталл Гранина л-полулро5о5- разЗела ликЗона npaffo* . УимостиЗона npaffo* . Уимостивалентная золавалентная золаРис. 4.53. Контакт металл — полупроводник.Рис. 4.53. Контакт металл — полупроводник.
Уо^вем Ферми
Уо^вем Ферми
Металл Гранина л-полулро5о5- разЗела лик
Металл Гранина л-полулро5о5- разЗела лик
Зона npaffo* . Уимости
Зона npaffo* . Уимости
валентная зола
валентная зола
Рис. 4.53. Контакт металл — полупроводник.
Рис. 4.53. Контакт металл — полупроводник.
в двух основных направлениях. Первое — это применение многослойной Al-разводки. Многослойная Al-разводка уже широко применяется в многочисленных логических БИС (см. раздел 5.5) и кроме того уже начала использоваться в БИС запоминающих устройств. Второе направление — это применение силицидов металлов и тугоплавких металлов, что позволяет добиться снижения сопротивления по сравнению с легированным поликристаллическим кремнием. Это частично изменит технологию кремниевых затворов, которая вот уже с 1970 г. применяется во всем мире. Поэтому желательны процессы, совместимые с такой усовершенствованной технологией. Можно начать с силицидов тугоплавких металлов, хорошо совместимых с кремнием. Однако силициды не позволяют (из-за высокого сопротивления) формировать электрическую разводку с субмикронной шириной линий. Поэтому исследуется возможность применения самих тугоплавких металлов для этой цели.
На рис. 4.53,а показана зонная диаграмма контакта ме-
талл — полупроводник для полупроводника n-типа проводимости. На границе раздела металл — полупроводник создается потенциальный барьер, называемый барьером Шоттки. Высота потенциального барьера определяется величиной работы выхода металла 0м, сродством к электрону полупроводника % и плотностью состояний на границе раздела. В случае, если плотность состояний на границе раздела равна нулю и %>0м, потенциальный барьер оказывается отрицательным по отношению к электронам полупроводника и контакт становится омическим. Однако на практике на границе раздела с полупроводником почти всегда существует отличная от нуля плотность состояний. Поэтому на границе раздела образуется потенциальный барьер, как показано на рис. 4.53, а.
Переход носителей через этот потенциальный барьер в случае не очень высокой концентрации примеси в полупроводнике (до 1017 см-3), согласно теории выпрямления Шоттки, может быть выражен через полный ток носителей / в том же виде, что и ток термоэлектронной эмиссии (см. раздел 3.1)
/ = Д*ТЧхр(-^)ехр[(-^г)-1 ],(4.44)
где А*— эффективная постоянная Ричардсона, п—коэффициент (п^1), учитывающий отклонение от идеального состояния (когда п=1). При высокой концентрации примеси Nd (^1019 см-3) перенос носителей через потенциальный барьер осуществляется туннелированием. Вероятность туннелирования через барьер
Р~Дехр[-^-|/^в].(4.45)
контакта 7?c=lim-^-, откуда следует, что для v-o 1
контакта Шоттки
(4Л6)
а для туннельного контакта
р —2У^ *в ^(4 47)
«с-ехр^ н{^i)
В случае, когда Nd имеет среднее по величине значение, присутствуют процессы термоэлектронной эмиссии и эмиссии электронов в электрическом поле.
Кроме случаев использования барьера Шоттки в цепи коллектора для повышения быстродействия, нельзя сказать, что диоды Шоттки широко распространены в биполярных ИС. В полевых транзисторах находят применение конструкции с за-
твором Шоттки (полевые транзисторы с затвором Шоттки), а также МОП-структуры с истоками или стоками с барьером Шоттки. Однако эти случаи не могут рассматриваться как примеры основного использования. В каждом из случаев применения важно правильно выбрать металл, соответствующий технологии изготовления, сформировать контакт металла с гладкой лицевой поверхностью Si, определить высоту барьера и величину коэффициента п как можно ближе к 1,0, а также предусмотреть охранное кольцо для сокращения токов утечки (обратного направления). Полевые транзисторы с затвором Шоттки в настоящее время имеют большее значение в сверхбыстродействующих ИС на основе многокомпонентных полупроводников (GaAs), чем в кремниевых БИС.
Контакт металл — кремний с омическими свойствами играет значительную роль при формировании электрической разводки для БИС. Основным условием использования в этом случае является низкое омическое сопротивление контакта (10-6 Ом-см). Поэтому, согласно (4.47), при формировании контакта выбирается металл, образующий низкий барьер Шоттки, и, кроме того, создается высокая концентрация примеси у лицевой поверхности кремния. В полупроводнике р-типа барьер Шоттки оказывается обратным по отношению к барьеру Шоттки для полупроводника n-типа. ^Bn+^Bp=£g/<7- Однако на практике при выборе металла для омического контакта необходимо выполнение еще ряда условий. В некоторых случаях металл или соединение металла при формировании контакта с кремнием образуют сложное соединение металла с полупроводником. Следует учитывать, что в этой ситуации зонная диаграмма на границе раздела имеет более сложный вид, чем это показано на рис. 4.53.
Требования к металлам для омических контактов и электрической разводки
При выборе металлов для формирования омических контактов необходимо учесть выполнение следующих условий:
хорошая адгезия к п+- и р+-типа Si, стабильность;
хорошая адгезия к слою окисла кремния;
простота и технологичность метода нанесения;
устойчивость в окислительной атмосфере;
простота формирования контактов с другими металлами, в частности используемыми в соединительных элементах;
длительный срок службы в условиях пропускания электрического тока.
До сих пор для этих целей наиболее широко использовался А1, поскольку он имеет высокое давление паров, легко наносится.
образуя низкоомный контакт к Si п+-типа и, особенно, к р+-типа кремнию. А1 хорошо распыляется и при нанесении на Si формирует стабильный контакт за счет образования тонкого слоя сплава А1—Si на границе раздела с Si (точка эвтектики 577 °C при содержании Si 1,6 массовых %) (см. рис. 4.54,6). А1 имеет хорошую адгезию к SiO2, и при формировании контакта час-
КонтактКонтактРис. 4.54. Методы формирования электрода и эффект прокола перехода в горизонтальном (1) и в вертикальном (2) направлениях.Рис. 4.54. Методы формирования электрода и эффект прокола перехода в горизонтальном (1) и в вертикальном (2) направлениях.
Контакт
Контакт
Рис. 4.54. Методы формирования электрода и эффект прокола перехода в горизонтальном (1) и в вертикальном (2) направлениях.
Рис. 4.54. Методы формирования электрода и эффект прокола перехода в горизонтальном (1) и в вертикальном (2) направлениях.
тично восстанавливает SiO2, образуя тонкий слой А120з (рис. 4.54, 6), улучшающий контакт. Однако необходимость дальнейшего уменьшения размеров элементов ставит при формировании А1 контактов и разводки ряд серьезных проблем:
А1 проникает через переход с малой глубиной залегания, что приводит к возникновению утечек тока через переход (рис. 4.54 д) и проколу перехода;
при высоких плотностях тока происходят разрывы элементов Al-разводки;
в многослойной Al-разводке образуются выступы А1, что ухудшает изоляцию между слоями.
Для устранения указанных проблем пытаются использовать различные методы.
Проникновение А1 через переход (прокол перехода) развивается следующим образом. После формирования слоя А1 в результате термообработки при длительном протекании тока
через контакт происходит растворение Si в А1, а после охлаждения— рекристаллизация. В приповерхностном слое Si формируются дефекты и затем проникают частицы А1, образуя прокол перехода (рис. 4.54, д). Проникновение А1 развивается также в горизонтальном направлении вдоль границы раздела с 8Юг. Поскольку атомы А1 являются в Si примесью р-типа, указанный эффект особенно нежелателен в контактах к кремнию п+-типа. Для устранения этого эффекта широко используется предварительное введение в Al-материал добавок Si в размере 1—1,5% (до насыщения). Но поскольку при уменьшении размеров элементов соответственно увеличивается плотность тока, то под воздействием джоулевского тепла происходит взаимное замещение атомов из подложки и А1 из контактного слоя и в этих условиях вновь легко развивается прокол перехода.
Другой метод устранения эффекта прокола заключается в формировании тонкого подслоя поликристаллического кремния перед нанесением Al (Si) -слоя (так называемый прямой контакт и скрытый контакт), что способствует продлению срока службы контакта, задерживая развитие прокола. Впрочем, в этом случае повышается контактное сопротивление, что отрицательно влияет на функционирование БИС, снижая ее характеристики. В последние годы предпринимались попытки решения проблемы прокола путем введения между А1 и Si какого-либо металла (М). С этой целью испытывались материалы Pt, Pd, Mo, W, Ta, Cr, Ti и другие, а также силициды (будут рассмотрены позже). Однако анализ результатов этих экспериментов показал, что при выборе промежуточного материала следует соблюдать осторожность, принимая в расчет возможное влияние процесса образования сплава А1—М—Si, величину контактного сопротивления, технологичность нанесения, температуру реакции и прочее. Например, в комбинации А1—Ti—Si контакт Ti—Si имеет низкое сопротивление, однако А1—Ti образуют сплав, поэтому предпочтительнее использовать структуру А1—TiN—Ti—Si.
Явление разрыва элементов Al-разводки, возникающее при высоких плотностях тока и повышенной температуре после продолжительной работы обусловлено эффектом электромиграции. При протекании электрического тока вытекающий поток электронов замещается постоянно мигрирующими ионами А1. Электромиграция ионов А1 из Al-слоя приводит к его эрозии и, в конце концов, к разрыву Al-элемента разводки. Для устранения этого эффекта на практике прибегают к методу формирования Al-слоя с большими размерами зерен (путем вакуумного испарения или напыления на нагреваемую подложку) и добавления в А1 примеси Си (несколько процентов).
Ухудшение изоляции между слоями многослойной Al-раз-
водки, связанное с образованием выступов А1, происходит следующим образом. В структуре многослойной разводки AI наносится поверх слоя SiO2 или поверх сандвич-структуры, нанесенной на слой SiO2. Выступы А1 образуются в результате многократных термообработок и охлаждений из-за рассогласования температурных коэффициентов расширения с примыкающими слоями. Кроме того отрицательное влияние оказывает химическое взаимодействие Al с Si при длительной работе. Последний случай, возможно, сопровождается электромиграцией А1. В качестве контрмеры эффективно применение сплава Си—А1 и слоя А1 с увеличенным размером зерен; однако более радикальным решением проблемы, по-видимому, является введение дополнительного слоя тугоплавкого металла между слоями.
Электрическая разводка без алюминия
Контакты и разводка имеют существенные недостатки, но применение в них А1, вероятно, еще долго будет продолжаться. Заменить материал затворного электрода ввиду широкого применения поликристаллического кремния в кремниевых затворах, позволяющих проводить самосовмещение, будет нелегко. Однако развитие тенденции дальнейшего уменьшения размеров элементов приводит к такому увеличению сопротивления разводки из поликристаллического кремния, что связанное с этим увеличение времени задержки при передаче сигнала по линиям разводки уже невозможно игнорировать. Эта проблема со временем все более обостряется.
В этом разделе речь идет о технологии, которая не требует слишком больших изменений в процессах формирования затвора из поликристаллического кремния и электрической разводки, а именно, о технологии, использующей силициды металлов (сплавы с кремнием). Почти все металлы, реагируя с кремнием, образуют силициды. При выборе силицида следует учитывать легкость нанесения, адгезию к SiO2, температуру эвтектики (желательно ниже), низкое электросопротивление, стойкость к травителям, стойкость к окисляющим газам, адгезию к А1 и Si и прочее. Металлов, удовлетворяющих всем этим условиям, не очень много, это W, Мо, Та, Ti, V. Удельное сопротивление должно быть порядка нескольких десятков мкОм-см, причем у TiSi2 оно самое низкое. В настоящее время наиболее близки к практическому применению MoSi2, TiSi2, TaSi2.
Известны следующие методы изготовления силицидов металлов:
нанесение на поверхность кремния или поликристаллического кремния и металла, затем последующая термообработка с образованием силицида;
напыление, в том числе электронным лучом, с одновременным использованием металлической и кремниевой мишеней;
метод газофазной эпитаксии (см. раздел 4.6);
напыление из мишеней, полученных методом горячего прессования.
При использовании в указанных методах поликристаллическо- го Si в результате получаются материалы, которые традиционно называют полицидами.
Величина сопротивления силицидов по мере дальнейшего уменьшения размеров элементов, по-видимому, также вырастет в проблему. В таком случае, вероятно, в качестве материалов затворов и разводки можно будет использовать сами тугоплавкие металлы или тугоплавкие металлы, нанесенные поверх силицидов.
Металлическая многослойная разводка
Для электрического соединения элементов БИС используются лежащие на лицевой поверхности или встроенные в подложку диффузионные слои, а также нанесенная поверх окисного слоя разводка из поликристаллического кремния и А1. Поликри- сталлический кремний и А1 образуют 2 слоя. Сам поликристал- лический кремний тоже может образовывать более 2-х слоев. Проблемой является получение многослойной структуры на основе А1 и силицидов металлов (или тугоплавких металлов). В случае применения силицидов верхним слоем является А1.
2-й слой А1
Рис. 4.55. Двухслойная алюминиевая разводка.
Присоединение внешних выводов к кристаллам БИС производится на контактных площадках из А1. Биполярные ИС мало подвержены влиянию процессов, происходящих на лицевой поверхности под действием внешней среды, здесь давно применяется двухслойная разводка. Однако в БИС МОП-типа, в многочисленных логических БИС, вентильных матрицах, в БИС запоминающих устройств внедрение металлической многослойной разводки еще только начинается.
На рис. 4.55 приведен пример двухслойной разводки. В качестве изолирующего слоя для межслойной изоляции служит SiOa, полученный методом газофазной эпитаксии при низкой температуре (до 550 °C) или же методом распыления. Следует выбирать методы, предотвращающие образование выступов А1. Как показано на рисунке, место контакта 1 верхнего и 2 нижнего слоя А1 сдвинуто относительно контактного окна 1 слоя А! к диффузионному слою. Как рассматривалось в разделе 4.6, при замене А1 слоем W, формируемым методом газофазной эпитаксии, эти два контакта могут быть расположены непосредственно один над другим, что позволяет повысить плотность разводки.
Литография
В основе технологии изготовления ИС лежат такие этапы, как изготовление шаблонов, процессы формирования рисунков и процессы обработки. Процесс формирования рисунка называется литографией. Установка для переноса рисунка шаблона на подложку называется установкой экспонирования. Возможности установки экспонирования определяются разрешающей способностью рисунка, точностью совмещения рисунка и производительностью (числом подложек, обработанных за единицу времени). Разумеется, для установки, предназначенной для массового производства, большое значение имеет стоимость. Литография является наиболее важным 'процессом в технологии изготовления ИС, поскольку разрешающая способность и точность совмещения в процессе литографии определяют плотность размещения элементов в ИС.
На рис. 4.56 представлены виды установок экспонирования. В левой части схемы показаны системы экспонирования, которые нашли практическое применение, а в правой части — еще проходящие стадию исследований и разработок. При непосредственном формировании рисунка электронным или ионным пучком изображение как бы -записывается путем сканирования пучка. В других случаях, когда используются шаблоны, экспонирование и перенос изображения рисунка идут одновременно. Непосредственное формирование рисунка электронным пучком позволяет обойтись без шаблона и обеспечивает высокую точность, однако производительность, достигаемая при этом, невысока. Перенос изображения требует применения шаблонов, зато при этом обеспечивается высокая производительность процесса. Правда, на самих шаблонах рисунок может наноситься с помощью электронного пучка. Среди методов экспонирования с переносом изображения оптический метод переживает самую
Рис. 4.56. Виды установок экспонирования.
высокую стадию развития, тогда как метод, использующий рентгеновское излучение, еще является делом будущего. Рассмотрим подробнее методы литографии.
Фотошаблон
Во всех установках фотоэкспонирования используются фотошаблоны. При работе с полупроводниковыми пластинами диаметром 100 мм рисунок наносится на квадратные стеклянные или кварцевые пластины со стороной 125 мм, служащие фотошаблонами. При проецировании без изменения размеров на всю поверхность пластины накладывается фотошаблон и на пластину переносится рисунок множества кристаллов. При проецировании с уменьшением размеров используется фотошаблон (называемый промежуточным) с изображением, в 2—10 раз: (обычно в 10 и в 5 раз) большим реальных размеров рисунка кристалла. В первом из этих двух случаев проецирования сначала также изготавливается промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением, который затем уменьшается, и с помощью камеры мультипликации изготавливается эталонный фотошаблон, по которому в устройстве с контактным экспонированием изготавливается множество рабочих фотошаблонов.
Промежуточный фотошаблон лет 10 назад изготавливался с помощью генератора рисунка, в котором рисунок формировался экспонированием заготовки фотошаблона вспышкой света через щель с механически изменяемыми размерами. Сама щель перемещалась по двум координатам. Затем следовало- проявление. Однако развитие ИС с высокой степенью интеграции привело к положению, когда для создания одного промежуточного фотошаблона требовалось несколько десятков и сотен тысяч вспышек. Это занимало более 10 часов. Причем даже один сбой в системе управления засветкой приводил к неисправимому дефекту.
Выходом из сложившейся ситуации стало появление длительно исследовавшегося метода электронно-лучевого экспонирования и создания установки формирования рисунка шаблона. По сравнению с оптическим генератором рисунков этот метод обладает гораздо большей производительностью и точностью и позволяет в настоящее время формировать на шаблонах рисунки с очень высокой плотностью линий. Материалом шаблонов является стекло с низким коэффициентом расширения,, кварц и др. К заготовкам для шаблонов предъявляются требования по плоскостности в пределах нескольких микрометров. В БИС с высокой плотностью элементов используются кварцевые промежуточные фотошаблоны, покрытые слоем хрома с тонким слоем окисла хрома на лицевой поверхности в качест-
ве антиотражающего покрытия. Резисты, чувствительные к электронному облучению (электроночувствительные материалы), будут рассмотрены позже.
Процесс фотоэкспонирования
На рис. 4.57 показан пример формирования рисунка на слое окисла, нанесенного на поверхность подложки. Этапы процесса 1—7 проводятся в особо чистом помещении, освещаемом желтой лампой, с целью устранения возможности загрязнений. Желтый свет исключает паразитную засветку резиста. На рис. 4.58 показаны характеристики чувствительности резистов. Для резиста позитивного типа в результате проявления происходит почти полное удаление слоя резиста при экспонировании дозой Z)fP, в то время как минимальная доза энергии, поглощаемая при экспонировании и обеспечивающая полную полимеризацию негативного резиста, составляет DiN. Контраст у определяется формулой у= [loglpj •
Резисты отличаются от обычных фоточувствительных материалов, применяемых в фотографии. Воздействие на резисты коротковолнового света видимого диапазона или ультрафиолетового облучения, включая область глубокого ультрафиолета, а именно облучение светом с длиной волны 0,2—0,4 мкм, вызывает в резистах фотохимические реакции. В результате чего на засвеченных участках при обработке в растворе проявителя слой фоторезиста растворяется (в случае позитивного фоторезиста) или остается нерастворенным (при использовании негативного фоторезиста). В качестве фоторезистов может быть использовано очень большое число различных материалов. В настоящее время разработаны резисты с высокой чувствительностью и разрешающей способностью (или разрешением) и хорошей стойкостью к травителям. Однако высокие требования предъявляемые к резистам при практическом использовании, накладывают определенные ограничения при выборе резиста.
В настоящее время в качестве позитивного фоторезиста широко используются соединения хиноназидов, в которых при облучении светом с длиной волны менее 0,45 мкм происходит замещение на карбоновую кислоту, в результате чего слой резиста растворяется в водном растворе щелочи. Типичными представителями негативных фоторезистов являются смеси синтетических циклических каучуков и соединений диазидов, в которых при облучении ультрафиолетом происходит реакция образования поперечных связей с образованием труднорастворимых соединений. В качестве позитивных фоторезистов кроме соединений азидов используются также полиметилметакрилат
РсзитиУ- иь/й резист Рниснь/и слей
излучение
УФ
ШаРлсн
Резист
Газтрдзная елитан- сиЯ, лишрузия, напыление А1 и ур
№^ Ж—
Рниснь/й слей
Резист Ркислый слей
Рис. 4.57. Процесс фотолитографии.
(ПММА) и полиметилизопропренилкетон (ПМИПК), а в качестве негативных — смеси 0-фенилакриловой кислоты с добавками сенсибилизаторов для повышения чувствительности.
Вообще говоря, чувствительность негативных фоторезистов выше, чем позитивных, но контраст и разрешение, наоборот, ниже. Причина в том, что нерастворимые участки фоторезиста
Ул 6 тра фиалетеУер и злу чеки е
IН /7РР7РЖЯд\|
лёгатйЙнёТиУазити&лмй~'
- тиа резистатип резиста.
Рис. 4.58. Характеристики чувствительности фоторезиста. Изображение, получаемое после проявления, для различных типов резиста.
набухают в растворе проявителя и деформируются (рис. 4.58). В качестве позитивных резистов с повышенной чувствительностью могут использоваться неорганические резисты, например слой Se—Ge, поверх которого нанесено серебро. Этот резист может быть проявлен в плазме (сухое проявление) и в щелочном растворе, так как в результате освещения серебро проникает в нижний слой и на освещенном участке слой Se—Ge становится нерастворимым.
Установки фотоэкспонирования
Установки фотоэкспонирования имеют тот же возраст, что и интегральные схемы. В давно и широко применяемом методе контактной фотолитографии слой резиста наносится на поверхность подложки, затем к нему прижимается фотошаблон с нанесенным рисунком, совмещаемый с подложкой с помощью знаков совмещения, после чего производится экспонирование в ультрафиолете. Метод обеспечивает высокое разрешение. Однако при использовании этого метода из-за загрязнений или
нон». Правда, в последнем методенон». Правда, в последнем методеразрешение, котороеразрешение, котороепрямопрямоЗор налаЗор налаЛоЗлаолзкаЛоЗлаолзкаДугообразный учао/пон он слонарованаяДугообразный учао/пон он слонарованаяЗсбещенае черезУугоабуязную щельЗсбещенае черезУугоабуязную щельВыпуклее зеркалоВыпуклее зеркалоЛонейноЗЗ " онанирование "ЛонейноЗЗ " онанирование "вогнутое зеркалавогнутое зеркалаРис. 4.59. Установка экспонирования проекционного типа.Рис. 4.59. Установка экспонирования проекционного типа.
нон». Правда, в последнем методе
нон». Правда, в последнем методе
разрешение, которое
разрешение, которое
прямо
прямо
Зор нала
Зор нала
ЛоЗлаолзка
ЛоЗлаолзка
Дугообразный учао/пон он слонарованая
Дугообразный учао/пон он слонарованая
Зсбещенае через
Уугоабуязную щель
Зсбещенае через
Уугоабуязную щель
Выпуклее зеркало
Выпуклее зеркало
ЛонейноЗЗ " онанирование "
ЛонейноЗЗ " онанирование "
вогнутое зеркала
вогнутое зеркала
Рис. 4.59. Установка экспонирования проекционного типа.
Рис. 4.59. Установка экспонирования проекционного типа.
•повреждений слоя фоторезиста возникают неисправимые дефекты. С целью устранения этого недостатка метод контактной фотолитографии заменяется на метод фотолитографии с ма- -лым зазором между подложкой и шаблоном (10—20 мкм), уже используемый в настоящее время и носящий название «Ка-
Ла ней ное снаниро- орание
Шаблон
пропорционально квадратному корню из суммы длины волны и величины зазора, ограничено величиной около 2 мкм. Конечно, и возможные повреждения фотошаблона также нельзя не принимать в расчет.
Десять лет назад фирма «Перкин — Элмер» разработала установку проекционного экспонирования со сканированием, с оптической проекционной системой отражательного типа и разделенными системами освещения и формирования изображения, работающую в масштабе 1: 1. В этой установке фотошаблон и подложка размещены раздельно. На рис. 4.59 показан принцип действия установки. За счет размещения в самой середине сферического зеркала рисунок, фотошаблона, вырезанный щелью шириной 1—2 мм в форме дуги окружности, проецируется в масштабе 1:1 на поверхность подложки. Последовательно перемещая шаблон относительно подложки в одном направлении, осуществляют экспонирование всей поверхности подложки. При освещении ртутной лампой высокого давления
с ультрафиолетовым излучением получают на практике разрешение порядка 2 мкм.
Вообще говоря, в установках экспонирования для определения, с какой степенью достоверности изображение рисунка шаблона переносится на резист, используют следующий метод. Пропуская свет через шаблон с рисунком гармонической дифракционной решетки (с пространственной частотой v), измеряют максимальную и минимальную интенсивность света на выходе и, вычислив их отношение, определяют степень модуляции. Далее формируют изображение на резисте, измеряют, насколько изменилась пространственная частота v и определяют вновь степень модуляции, получая таким образом частотноконтрастную характеристику (MTF — modulation transfer function). Используя частотно-контрастные характеристики как ориентир, можно изменять когерентность света, определяемую отношением апертур системы освещения и проекционной системы, и устанавливать такую степень когерентности, которая соответствует наибольшему разрешению.
Причинами ухудшения степени достоверности переноса изображения являются дифракционные искажения на краях элементов рисунка шаблона, а также формирование интерференционной картины за счет смешивания падающих на резист лучей с лучами, отраженными от лицевой поверхности и отличающимися от падающих лучей по фазе. Вообще говоря, чем короче длина волны применяемого облучения, тем выше разрешение. Поэтому при экспонировании с небольшим зазором и при проекционном экспонировании отражательного типа пытаются использовать источники глубокого ультрафиолетового (УФ) облучения с длиной волны 0,2—0,26 мкм. Методом литографии с использованием глубокого ультрафиолета можно, применяя проекционное экспонирование, получить разрешение около 1,0 мкм. Однако в настоящее время это направление пока не стало приоритетным.
Еще одним новым методом, относящимся к проекционному экспонированию, является метод, использующий рефракционную оптическую систему. В этом методе изображение промежуточного шаблона проецируется с уменьшением размеров в 5— 10 раз. Подложка, закрепленная на столике, последовательно смещается на определенное расстояние и таким образом осуществляется так называемое последовательное пошаговое экспонирование или мультипликация. Принцип, используемый в этом методе, показан на рис. 4.60. При шаговом экспонировании, ввиду того, что на перемещения столика расходуется продолжительное время, получается невысокая производительность. Однако использование этого метода обеспечивает высокое разрешение и высокую точность совмещения, ввиду того.
Рис. 4.60. Установка экспонирования проекционного типа с уменьшением размеров изображения.Рис. 4.60. Установка экспонирования проекционного типа с уменьшением размеров изображения.(4.48)(4.48)(4.49)(4.49)
Рис. 4.60. Установка экспонирования проекционного типа с уменьшением размеров изображения.
Рис. 4.60. Установка экспонирования проекционного типа с уменьшением размеров изображения.
(4.48)
(4.48)
(4.49)
(4.49)
что размеры рисунка на промежуточном фотошаблоне увеличены в 5—10 раз. Учитывая тенденцию дальнейшего уменьшения размеров элементов, эти преимущества оказываются особенно полезными. Кроме того, можно без особой перестройки увеличивать размеры полупроводниковых пластин. Поскольку наличие всего одного дефекта на промежуточном шаблоне
приводит к негодности всего кристалла, необходим детальный контроль рисунка шаблона.
Метод пошагового экспонирования широко применяется при изготовлении БИС с минимальными размерами элементов до 2 мкм. Наиболее совершенным в настоящее время методом пошагового экспонирования с использованием источника s'-лучей (длина волны 436 нм) при уменьшении 1 : 5, максимальной площади экспонирования 15X15 мм2 при диаметре 21,2 мм можно
реализовать разрешение не лучше 1,0 мкм. Возможность формирования элементов БИС
с минимальными размерами
до 1 мкм методом пошагового экспонирования в настоящее время очень проблематична.
Возможности проекционной оптической системы с практиче
ской точки зрения определяются разрешением R, глубиной рез
кости F, площадью экспонирования, длиной волны света и максимально допустимой плотностью энергии излучения. Параметры R и F определяются длиной волны X и числовой апертурой NA оптической системы согласно формулам:
R = m^lNA,
F = m^RNAY,
где mi, m2 — константы в пределах от 0,5 до 1,0. Из формул видно, что для улучшения разрешения (уменьшения R) желательно увеличить NA. Однако при большой NA глубина резкости F уменьшается. Уменьшение длины волны X также приводит к сокращению R, однако F в этом случае тоже уменьшается. На практике с учетом рельефа лицевой поверхности под-
ложки требуется глубина резкости не менее 1 мкм. В такой ситуации апертуру NA выбирают наиболее подходящей для заданной выбором источника света длины волны. Требуются? мощные источники света. Поэтому среди ртутного спектра в ближней УФ-области выбираются g-лучи (436 нм) или 1-лучи (365 нм). Для такого излучения нелегко изготовить оптическую систему с низким поглощением, отсутствием аберраций и большой площадью экспонирования. Ожидается, что на установках, обеспечивающих разрешение 0,8—0,6 мкм будут применяться проекционные системы в первую очередь с {-излучением, апертурой порядка 0,4, максимальным диаметром экспонируемого участка 20 мм и глубиной резкости около' 1 мкм.
Еще одним важным параметром установок экспонирования1 является точность совмещения Д/?. Если точность совмещения низка, то даже при высоком разрешении ввиду невозможности создания оптимальной топологии схемы не удается добиться высокой плотности интеграции. Желательно, чтобы точность совмещения была меньше 1/5 минимальной ширины элемента ИС. Для повышения точности совмещения при проекционном экспонировании с уменьшением размеров на кристаллах предусматриваются знаки совмещения. Их, как и знаки совмещения на промежуточном фотошаблоне, лучше формировать с использованием проекционной оптической системы.
Вопрос практического ограничения разрешения оптических установок экспонирования представляет большой интерес. Можно сказать, что, используя излучение в дальней УФ-области и сочетая оптическую систему отражательного типа с оптической системой рефракционного типа, возможно достичь разрешения 0,5 мкм. Кроме того, применяя источники излучения с длиной волны менее 300 нм (например, лазеры на эксимерах), новые оптические материалы, превосходящие стекло, как например, кварц, сапфир, плавиковый шпат (CaFg) и другие, вероятно, можно получить разрешение и менее 0,5 мкм.
Процессы с новыми резистами
Хотя возможности установок экспонирования и улучшаются, однако на практике существуют еще ограничения, связанные, например, с плоскостностью лицевой поверхности подложки, отражением света от поверхностей слоев резистов, что при перенесении рисунка с фотошаблона на слой резиста обычно вызывает искажения. В этом разделе речь идет о необходимости расширения возможностей установок экспонирования путем использования новых методов нанесения слоев резистов.
Во-первых, этот метод многослойного резиста. На лицевой ловерхности подложки в процессе производства нередко обра-
Рис. 4.61. Метод многослойного резиста: а — экспонирование, формирование рисунка в слое резиста; б — травление проме-Рис. 4.61. Метод многослойного резиста: а — экспонирование, формирование рисунка в слое резиста; б — травление проме-жуточного слоя; в — травление сглаживающего слоя; г — травление слоя алюминия, удаление сглаживающего слоя; 1 — резист; 2 — промежуточный слой; 3 — сглаживающий слой; 4 — слой алюминия; 5 — окисный слой; 6 —ступенька.жуточного слоя; в — травление сглаживающего слоя; г — травление слоя алюминия, удаление сглаживающего слоя; 1 — резист; 2 — промежуточный слой; 3 — сглаживающий слой; 4 — слой алюминия; 5 — окисный слой; 6 —ступенька.проведения экспонировапроведения экспонирова
Рис. 4.61. Метод многослойного резиста: а — экспонирование, формирование рисунка в слое резиста; б — травление проме-
Рис. 4.61. Метод многослойного резиста: а — экспонирование, формирование рисунка в слое резиста; б — травление проме-
жуточного слоя; в — травление сглаживающего слоя; г — травление слоя алюминия, удаление сглаживающего слоя; 1 — резист; 2 — промежуточный слой; 3 — сглаживающий слой; 4 — слой алюминия; 5 — окисный слой; 6 —ступенька.
жуточного слоя; в — травление сглаживающего слоя; г — травление слоя алюминия, удаление сглаживающего слоя; 1 — резист; 2 — промежуточный слой; 3 — сглаживающий слой; 4 — слой алюминия; 5 — окисный слой; 6 —ступенька.
проведения экспонирова
проведения экспонирова
зуются ступеньки. На рис. 4.61 показана конструкция, в которой содержится ступенька, образованная после напыления А1. На поверхность структуры наносится фоторезист и при экспонировании из-за отклонения точки фокусировки над ступень
кой и под ней и рассеяния отраженного света из-за локальной чувствительности резиста на неэкспонированных участках, неоднородности слоя резиста возникают дефекты формируемого изображения. Это является причиной возникновения отклонений размеров элементов рисунка и в конце концов не позволяет точно перенести изображение с фотошаблона. В частности, в случае такого высокого коэффици
ента отражения света, как у слоя А1, эффекты отражения и рассеяния света оказывают отрицательное влияние.
Для улучшения этой ситуации, как показано на рисунке, прежде всего на поверхность наносится ровный и толстый сглаживающий слой (на рисунке это слой позитивного фоторезиста). В этот сглаживающий слой для поглощения отраженного и рассеиваемого света добавляется краситель; после нанесения слоя проводится его термообработка,
в результате чего слой упрочняется и окрашивается. Поверх сглаживающего слоя наносится тонкий промежуточный слой, например SiO2, SisN^ Mo, Al или другого материала, затем самый верхний слой резиста минимально возможной толщины, однако таким образом, чтобы не было точечных проколов. После
ния такого многослойного резиста, как показано на рисунке, промежуточный слой стравливается (при этом верхний слой резиста служит в качестве маски) и в результате образуется рисунок. Далее, в процессе реактивного ионного трав-
ления производится формирование рисунка в сглаживающем слое (при этом промежуточный слой служит маской), после чего рисунок переносится на слой. Описанный метод чрезвычайно эффективен. Правда, предлагаемый процесс довольно сложен и, кроме того, при экспонировании структура многослойного фоторезиста не пропускает излучение на достаточную глубину — до знаков совмещения, что является недостатком метода. По этой причине при совмещении в этом случае используют более длинноволновое излучение (/- линию, 546 нм, d-линию, 578 нм) (коррекция отклонения плоскости фокусировки изображения).
Следующий новый метод — это литография с повышенным контрастом (CEL — contrast enhancement lithography). Как показано на рис. 4.62, в этом методе используется верхний слой резиста, содержащий краситель (нитрозосоединение), выцветающий в результате облучения, что позволяет повышать контраст при экспонировании нижнего обычного слоя резиста. В настоящее время внимание обращено к проблеме улучшения разрешающей способности этого метода в случае низкого разрешения установки эк
Л роек и ионное освещение
I 1 I I I I
^V резистПозитивный
Д резист
*it овесивечи- Хоание \^Vpe- J зиста
Проявление позитивного
-зрезиста
Рис. 4.62. Процесс литографии с повышенным контрастом.
спонирования. Естественным недостатком метода литографии с повышенным контрастом является увеличение продолжительности экспонирования.
4.9.5. Технология электронно-лучевого экспонирования
Излучение ускоренных электронов имеет короткую длину волны (ЦА) =yi500,4/E(V)), большое фокусное расстояние, легко управляется электрически. Поэтому идея использования электронного облучения при экспонировании для формирования мельчайших элементов ИС возникла очень быстро, и исследования в этом направлении имеют уже почти 20-летнюю историю. Общая схема установки электронно-лучевого экспонирования показана на рис. 4.63 и содержит электронно-оптическую систему, столик, интерфейс и вычислительное устройство.
Первые промышленные установки для изготовления фотошаблонов, каждая из субсистем в которых содержала самые развитые технические средства, появились на рынке в 1977 г.
Как уже указывалось в разделе 4.9.1, это был период, когда электронно-лучевые установки впервые заменили генератор изображения фотомеханического типа. Вследствие совершенствования установок фотоэкспонирования, электронно-лучевые установки с непосредственным формированием рисунка пока используются только в производстве некоторых БИС и высокочас-
Истачиик ймаакагала прямая и я— /Сатай эмитт аруго-щий ала к тру я 6/Истачиик ймаакагала прямая и я— /Сатай эмитт аруго-щий ала к тру я 6/1^^6 11^^6 1Й в§.Й в§.’Я’Я_ Так ^^^f^^^_ Так ^^^f^^^—| йтклакяк71дая ахама\—г—| йтклакяк71дая ахама\—г<46<46I Таг а утра и ая йтаракнбне алактдаяадI Таг а утра и ая йтаракнбне алактдаяадI рУМУт/Х II рУМУт/Х IУпрайланаа татарам — параййамаяая атали-Упрайланаа татарам — параййамаяая атали-77—г—з—4—г—з—466• 7 8878-->77• 7 8878-->77
Истачиик ймаакагала прямая и я
— /Сатай эмитт аруго-щий ала к тру я 6/
Истачиик ймаакагала прямая и я
— /Сатай эмитт аруго-щий ала к тру я 6/
1^
^6 1
1^
^6 1
Й в§.
Й в§.
’Я
’Я
_ Так ^^^f^^^
_ Так ^^^f^^^
—| йтклакяк71дая ахама\—г
—| йтклакяк71дая ахама\—г
<4
6
<4
6
I Таг а утра и ая йтаракнбне алактдаяад
I Таг а утра и ая йтаракнбне алактдаяад
I рУМУт/Х I
I рУМУт/Х I
Упрайланаа татарам — параййамаяая атали-
Упрайланаа татарам — параййамаяая атали-
7
7
—г
—з
—4
—г
—з
—4
6
6
• 7 8
8
78
-->77
• 7 8
8
78
-->77
Рис. 4.63. Конструкция электронно-лучевой установки формирования рисунка»: 1—электронная пушка; 2— фокусирующая линза; 3 — отклоняющие пластины гашения; 4 — фокусирующая линза; 5 — отклоняющие пластины сканирования; 6 — объектив; 7 — электрод регистрации вторичных электронов; 8 — резист; 9 — подложка; 10 — столик; 11—вакуумирование.
тотных полевых транзисторов на основе GaAs, а также в исследованиях СБИС с субмикронными элементами.
Однако требования к точности технологии постоянно повышаются, поэтому кроме возможности использования установок электронно-лучевого экспонирования для изготовления фотошаблонов намечаются и другие сферы их применения. Продолжаются исследования и разработки более производительных и высокоточных установок электронно-лучевого экспонирования, которые нацелены на решение задачи формирования рисунка шаблона с размерами элементов менее 0,5 мкм для новой технологии литографии (например, для рентгенолитографии). Ниже кратко рассмотрена технология электронолитографии.
Основные физические ограничения в методе электронолитографии определяются эмиттирующим электроны катодом и применяемыми резистами. Качество и возможности источника электронов гарантируются яркостью.
р = 5,6-J^-VIT. 10М/см2-ср, (4.50)
где /sat — катодный ток насыщения, V— ускоряющее напряжение. Популярным термоэмиссионным материалом является вольфрам (W), однако, при использовании W яркость 0 мала (1 • 105) и, кроме того, он имеет короткий срок службы (50 ч). При полевой эмиссии W яркость чрезвычайно высока (~108) и легко получить очень тонкий луч (<0,1 мкм), но в этом случае требуется сверхвысокий вакуум. Новым катодным материалом, уже зарекомендовавшим себя на практике, является монокристаллический LaBe, который обеспечивает яркость 0 = = 5-106 и срок службы при рабочей температуре 1800 К более 3000 ч. Однако, когда при формировании изображения производится сканирование электронным лучом с высокой скоростью, то число электронов, приходящихся на единицу поверхности подложки, оказывается крайне малым. Это ограничение дозы экспонирования определяет требования к чувствительности резиста. Чувствительность позитивного резиста для типичного случая — РММА (полиметилметакрилат) составляет 5 мкКл/см2, тогда как на практике требуется доза свыше 10 мкКл/см2.
Поиск и исследование позитивных и негативных электроно- резистов ведется среди очень большого количества соединений, однако практически резистов с высокой чувствительностью до 1 мкКл/см2 мало. Среди позитивных резистов хорошо известны FBM (фторсодержащее метакриловое высокомолекулярное соединение) с чувствительностью 4-Ю-7 Кл/см2 («Ибараки цукэн»), PBS (бутен—1 — сульфон) — 7-10-7 Кл/см2 (фирма «Белл»); среди негативных резистов PGMA (глицидил полиметакриловой кислоты)—4-10—7 Кл/см2 (фирма «Хитати»), Р (GMA—СО—ЕА) (сополимер глицидила метакриловой кислоты и этила акриловой кислоты)—4-10~7 Кл/см2 (фирма «Белл»), В настоящее время повышение производительности установок электронно-лучевого экспонирования ограничивается в первую очередь чувствительностью фоторезиста.
По форме сечения электронного луча бывают 3 вида установок. Установки 1-го вида с электронной пушкой с круглым сечением луча (распределение Гаусса) обеспечивают минимальное поперечное сечение электронного пучка. Установки 2-го вида предполагают формирование с помощью, например, квадратной диафрагмы на пути распространения электронного луча, пучка с четырехугольным или квадратным поперечным сечением. В конструкции установок 3-го вида (рис. 4.64) луч последовательно проходит через две диафрагмы и размещенные между ними отклоняющие пластины. Путем частичного перекрытия применяемых прямоугольных диафрагм можно получить еще «более сложную изменяемую форму сечения пучка.
В первом случае в установках с использованием лучей круглого сечения достигается минимальная ширина линий формируемого рисунка (благодаря эмиссии из острия катода). В принципе применение пучка с изменяемым сечением позволяет повысить эффективность процесса формирования изобра^
жения, если не считать случаев с повторяющимся рисунком фотошаблона.
Однако установки 3-го вида требуют более высокой плотности тока и используют более сложную электронно-оптическую систему. В каждом из указанных выше случаев важное значение имеет минимальная величина приращения ширины линии. При проектировании топологии схем бывают случаи, когда требуется приращение 0,1 мкм или 0,05 мкм. При уменьшении величины приращения количество данных, характеризующих топологию, увеличивается.
Существует несколько методов сканирования пучка по поверхности образца: 1) растровый метод 2) метод векторного сканирования. Возможно также сканирование путем перемещения столика. Движения столика в установках электронно-лучевого экспонирования осуществляются: а) возвратно-поступательно, б) непрерывно с задержкой луча на определенном участке малой площади (поле) для экспони-
Рис. 4.64. Формирование рисунка электронно-лучевым методом с изменяемым сечением' электронного пучка: 1 — первая' диафрагма; 2 — вторая диафрагма; 3 — электронная пушка; 4 —электрод гашения; 5 — первая диафрагма; 6 — отклоняющее устройство; 7 — объектив; 8 — вторая диафрагма;. 9 — уменьшающая линза; 10 — проекционная линза; 11 — отклоняющее устройство; 12—Рис. 4.64. Формирование рисунка электронно-лучевым методом с изменяемым сечением' электронного пучка: 1 — первая' диафрагма; 2 — вторая диафрагма; 3 — электронная пушка; 4 —электрод гашения; 5 — первая диафрагма; 6 — отклоняющее устройство; 7 — объектив; 8 — вторая диафрагма;. 9 — уменьшающая линза; 10 — проекционная линза; 11 — отклоняющее устройство; 12—рования, после чего столик передви- подложка.
Рис. 4.64. Формирование рисунка электронно-лучевым методом с изменяемым сечением' электронного пучка: 1 — первая' диафрагма; 2 — вторая диафрагма; 3 — электронная пушка; 4 —электрод гашения; 5 — первая диафрагма; 6 — отклоняющее устройство; 7 — объектив; 8 — вторая диафрагма;. 9 — уменьшающая линза; 10 — проекционная линза; 11 — отклоняющее устройство; 12—
Рис. 4.64. Формирование рисунка электронно-лучевым методом с изменяемым сечением' электронного пучка: 1 — первая' диафрагма; 2 — вторая диафрагма; 3 — электронная пушка; 4 —электрод гашения; 5 — первая диафрагма; 6 — отклоняющее устройство; 7 — объектив; 8 — вторая диафрагма;. 9 — уменьшающая линза; 10 — проекционная линза; 11 — отклоняющее устройство; 12—
гается, подводя под луч следующий
участок, и таким образом происходит пошаговое экспонирование. Возможны различные сочетания методов сканирования луча 1) и 2) и перемещения столика а) и б) в одной установке-
электронно-лучевого экспонирования.
В настоящее время для изготовления шаблона широко ис
пользуются промышленные установки со сканированием путем1 отклонения луча с гауссовым распределением с шагом сканирования 256—1024 мкм, совмещенным с непрерывно передвигаемым столиком (фирмы «Перкин—Элмер», «Тосиба»). Этим ус-
тановкам присуща малая область сканирования, легко проектируемая электронно-оптическая система, малая глубина резкости проекционной системы. Имеется возможность обеспечения высокого электронного тока в пучке при малых воздействиях управляющих полей. Правда, на то, чтобы пройти лучом всю поверхность, напрасно расходуется время. При заменах типов резистов (негативного и позитивного) время экспонирования не меняется.
Известно также множество видов установок, совмещающих изменяемую форму сечения луча и векторное сканирование с возможностью отклонения отклоняющей системой по квадрату со стороной от 2 до 10 мм, с разделением полей на области, в пределах которых осуществляется растровое или векторное сканирование (NTT ЕВ-55/ «Хитати» EL-600, «Нихон дэнси» JBX-6AII, IBM EL-3 и др. Вообще говоря, экспонирование в наклонных лучах реализовать нелегко. При этом луч формируют в виде четырехугольника с сильно отличающимися по величине сторонами, что приводит к повышению числа точек экспонирования и отрицательно влияет на время экспонирования.
Общее время экспонирования определяется минимальным экспонируемым элементом (чем он меньше, тем больше время), временем сканирования луча или временем экспонирования одного поля, временем движения столика, временем шагового перемещения столика, а в случае векторного сканирования — временем установления луча на следующем по очереди поле экспонирования и, кроме того, временем на совмещение. В установке фирмы «Перкин — Элмер» модели AEBLE 150, которая, как считается в настоящее время, обладает самыми большими возможностями, время экспонирования подложки диаметром 100 мм с 30 %-ной площадью экспонирования составляет 353 с. При этом на рисунке плотностью 106 см-2 1/6 часть элементов имеет размер 0,5 мкм, 1/3 часть — размер 1 мкм и еще 1/2 часть — размер 2 мкм. Чувствительность используемого резиста 20 мкКл/см2 при электронном токе в пучке 75 А/см2. 353 с соответствуют, примерно, производительности обработки подложек 10 шт./ч.
При изготовлении промежуточного фотошаблона размеры рисунка увеличиваются в 5—10 раз, поэтому процесс реализуется легко. Однако, когда на подложке диаметром, например, 200 мм непосредственно формируется рисунок с размерами элементов менее 0,5 мкм, который нельзя получить на установке ■фотоэкспонирования, то требования ко всем системам установки электронно-лучевого экспонирования возрастают. Установка рентгенолучевого экспонирования, в которой почти невозможно провести экспонирование с уменьшением размеров элементов, будет рассмотрена позже. Заметим лишь, что из-за больших
затрат времени и жестких требований по точности она не является удовлетворительной.
Трудной проблемой при электронно-лучевом экспонировании является эффект близости. Падающий электронный луч претерпевает некоторое рассеяние в слое резиста и входит в кремний, создавая в нем поток вторичных электронов. Указанные вторич
вновь входят с нижней сторонывновь входят с нижней стороныРис. 4.65. Эффект близости между элементами рисунка (а) и внутри элементов рисунка (б). Пунктиром показан проектируемый рисунок, сплошной линией — полученный рисунок.Рис. 4.65. Эффект близости между элементами рисунка (а) и внутри элементов рисунка (б). Пунктиром показан проектируемый рисунок, сплошной линией — полученный рисунок.ные электроны рассеиваются и в слой резиста, попадая и на участки, прилегающие к экспонируемым. Суммарное число всех электронов создает дозу экспонирования резиста. Таким образом (см. рис. 4.65, а) за счет эффекта близости происходит расширение элементов рисунка на участках сближения элементов, а там, где сближения нет, элементы рисунка, наоборот, утоньшаются. На отдельных элементах ри-
вновь входят с нижней стороны
вновь входят с нижней стороны
Рис. 4.65. Эффект близости между элементами рисунка (а) и внутри элементов рисунка (б). Пунктиром показан проектируемый рисунок, сплошной линией — полученный рисунок.
Рис. 4.65. Эффект близости между элементами рисунка (а) и внутри элементов рисунка (б). Пунктиром показан проектируемый рисунок, сплошной линией — полученный рисунок.
сунка утоньшение проявляется
тем сильнее, чем тоньше элементы рисунка (эффект близости внутри элемента рисунка).
Для уменьшения эффекта близости пытаются управлять размерами элементов изображения путем изменения дозы экспонирования. Рассчитываемая на ЭВМ доза должна обеспечить совпадение реальных размеров с проектируемыми. Практиче
ского применения этот метод пока не получил, так как его использование связано с необходимостью значительного увеличения времени вычислений.
В последнее время испытываются более радикальные методы устранения эффекта близости. Увеличение ускоряющего луч напряжения с 20 кВ до примерно 50 кВ позволяет уменьшить рассеяние вторичных электронов и их проникновение из Si в слой резиста, что является довольно эффективным средством. Кроме того, как и при фотоэкспонировании предлагается использовать метод многослойного резиста, когда поверх толстого слоя резиста наносится тонкий промежуточный слой, препятствующий рассеянию электронов, после чего на поверхности формируется тонкий слой настоящего резиста. Данный способ оценивается как достаточно эффективный и обеспечивающий фоточувствительность слоя резиста только к падающему электронному пучку. В этом случае наоборот эффект сильнее при низком ускоряющем напряжении электронного пучка.
Разрабатывается также метод устранения эффекта близости
Рис. 4.66. Рисунок, сформированный электронно-лучевым методом со слабой электронно-лучевой засветкой всего участка (эффект близости почти отсутствует). Изображение: а — одиночного элемента; б—«гребня»; в — одиночного окна. 0,22±0,025 мкм. Условия формирования изображения: ускоряющее напряжение — 50 кВ, доза экспонирования — 140 мкКл/см2, резист — ПММА толщиной 1 мкм, доза электронно-лучевой засветки всего участка — 42 мкКл/см2.Рис. 4.66. Рисунок, сформированный электронно-лучевым методом со слабой электронно-лучевой засветкой всего участка (эффект близости почти отсутствует). Изображение: а — одиночного элемента; б—«гребня»; в — одиночного окна. 0,22±0,025 мкм. Условия формирования изображения: ускоряющее напряжение — 50 кВ, доза экспонирования — 140 мкКл/см2, резист — ПММА толщиной 1 мкм, доза электронно-лучевой засветки всего участка — 42 мкКл/см2.
Рис. 4.66. Рисунок, сформированный электронно-лучевым методом со слабой электронно-лучевой засветкой всего участка (эффект близости почти отсутствует). Изображение: а — одиночного элемента; б—«гребня»; в — одиночного окна. 0,22±0,025 мкм. Условия формирования изображения: ускоряющее напряжение — 50 кВ, доза экспонирования — 140 мкКл/см2, резист — ПММА толщиной 1 мкм, доза электронно-лучевой засветки всего участка — 42 мкКл/см2.
Рис. 4.66. Рисунок, сформированный электронно-лучевым методом со слабой электронно-лучевой засветкой всего участка (эффект близости почти отсутствует). Изображение: а — одиночного элемента; б—«гребня»; в — одиночного окна. 0,22±0,025 мкм. Условия формирования изображения: ускоряющее напряжение — 50 кВ, доза экспонирования — 140 мкКл/см2, резист — ПММА толщиной 1 мкм, доза электронно-лучевой засветки всего участка — 42 мкКл/см2.
слабой паразитной засветкой неэкспонируемых участков после формирования части рисунка. Однако этот метод связан с большими затратами времени. Эффективен также метод экспонирования рисунка электронным лучом при высоком ускоряющем напряжении после слабой электронно-лучевой засветки всего участка. Практический пример использования этого метода показан на рис. 4.66. Из рисунка видно, что минимальный размер элемента— около 0,2 мкм — можно получить с довольно большой точностью (±0,03 мкм).
Когда вместо электронного луча применяется ионный луч, то на кремниевой подложке при использовании золота в металлизации рассеяние вторичных электронов и распространение их в слой резиста почти отсутствует. Чувствительность резиста ПММА при Н+-ионном облучении с энергией 50 кэВ по сравнению с электронным пучком с энергией 20 кэВ увеличивается более чем в 10 раз. Это позволяет формировать рисунок с размером элементов 0,1 мкм, не ощущая влияния эффекта близости. Особенно большие возможности связаны с применением ионно-лучевой имплантации примесей В+, As+ при больших дозах облучения, без использования маски. Ионнолучевые методы обладают большими возможностями в плане использования в будущей технологии.
Технология переноса изображения с использованием фотокатода
В настоящее время проводятся исследования технологии переноса изображения, использующей электронные лучи аналогично световым лучам. Как показано на рис. 4.67, поверх маски из
ОО§1§1^Р&ма&дя маркаГ\ ^стр-Гх ; \ ; \ f'X ^зтазмаДI*\5/?^-\* ;1; !;\Ситтая 5-7#ммt^тпрОМьЬt ttif1* ЛССССЯ^ССт^ IРезист I1— --13^ //рр^рй.^Р&ма&дя маркаГ\ ^стр-Гх ; \ ; \ f'X ^зтазмаДI*\5/?^-\* ;1; !;\Ситтая 5-7#ммt^тпрОМьЬt ttif1* ЛССССЯ^ССт^ IРезист I1— --13^ //рр^рй.Рис. 4.67. Проекционный метод экспонирования без изменения размеров изображения с использованием фотокатода.Рис. 4.67. Проекционный метод экспонирования без изменения размеров изображения с использованием фотокатода.
О
О
§1
§1
^Р&ма&дя марка
Г\ ^стр-Гх ; \ ; \ f'X ^зтазмаД
I*\5/?^-\* ;1; !;\Ситтая 5-7#мм
t^тпрОМьЬt ttif1* ЛССССЯ^ССт^ I
Резист I
1— --13^ //рр^рй.
^Р&ма&дя марка
Г\ ^стр-Гх ; \ ; \ f'X ^зтазмаД
I*\5/?^-\* ;1; !;\Ситтая 5-7#мм
t^тпрОМьЬt ttif1* ЛССССЯ^ССт^ I
Резист I
1— --13^ //рр^рй.
Рис. 4.67. Проекционный метод экспонирования без изменения размеров изображения с использованием фотокатода.
Рис. 4.67. Проекционный метод экспонирования без изменения размеров изображения с использованием фотокатода.
Рис. 4.68. Топология тестовой схемы с минимальным размером элементов 0,5 мкм, сформированная методом фотокатода. Условия экспонирования: ускоряющее напряжение 40 кВ, время экспонирования 30 с, резист ПММА. Представлено X. Мориити (лаборатория СБИС фирмы «Тосиба»).
хрома, нанесенной на поверхность кварцевой подложки, формируется тонкий слой фотоэлектронного материала CsI. Когда структура освещается сверху УФ-лучами (184,9 нм, ртутная лампа низкого давления), то проходящий через окна в хромовой маске свет вызывает фотоэлектронную эмиссию из CsI. При ускоряющем напряжении 20 кВ и напряженности фокусирующего магнитного поля около 0,3 Тл фотоэлектронные лучи освеща-
ют резист в соответствии с рисунком. Экспонирование в течение нескольких секунд оказывается достаточным. Остаются проблемы однородности и стабильности магнитного поля, срока службы CsI, плоскостности подложки, необходимости высокого вакуума и необходимости высокоточной маски. Однако, как видно из рис. 4.68, этот метод имеет неплохие возможности.
Технология рентгенолучевого экспонирования
Ограничения в методе фотоэкспонирования с использованием ультрафиолетового и дальнего ультрафиолетового излучения связаны с длиной волны света. Поэтому переход к рентгеновскому излучению является естественной альтернативой. При использовании рентгеновского экспонирования эффект близости не наблюдается. Впервые возможности метода рентгеновского экспонирования испытаны экспериментально X. И. Смитом из Массачусетского технологического института в 1972 г. После этого проводилось множество исследований. Установки рентгеновского экспонирования уже появились на рынке, однако примеров практического применения в производстве пока нет.
Метод рентгенолучевого экспонирования имеет множество особенностей, которые отличают его от метода фотоэкспонирования ультрафиолетовым излучением. Возможности применения рентгеновского экспонирования при производстве БИС пока невелики. Неизвестно, являются ли элементы с размерами 0,5— 0,6 мкм предельными в технологии формирования элементов малых размеров с помощью рентгеновского излучения. Неизвестно также, позволит ли применение в качестве источника излучения лазеров на эксимерах совместно с кварцевым стеклом в оптической системе формировать элементы рисунка с размерами ниже указанной границы 0,5 мкм. В настоящем разделе рассматриваются современное состояние и основные проблемы развития метода рентгеновского экспонирования.
Возможности метода рентгеновского экспонирования определяются множеством разнообразных факторов. Это и источник рентгеновского излучения, и рентгеношаблон, резисты, способы определения предельного разрешения. Сначала производится выбор длины волны рентгеновского излучения. Решение этого вопроса тесно связано с выбором материала рентгеношаблона, так как необходимо обеспечить высокую степень прозрачности подложки рентгеношаблона (без маскирующего слоя) и одновременно максимальное поглощение маскирующим слоем рентгеновского излучения. Кроме того, требуется подобрать резист с достаточно высокой чувствительностью в выбранной области длин волн рентгеновского излучения.
На рис. 4.69 представлены характеристики поглощения нескольких материалов. В качестве рентгеношаблона может быть использована подложка из легко обрабатываемого материала, например соединений кремния или высокомолекулярных соединений с нанесенным на поверхность маскирующем слоем из золота. Поэтому, как видно из рисунка, для экспонирования при
меняется мягкое рентгеновское излучение с длиной волны от до
лей нанометра до 4,0 нм (при меньшей длине волны уменьшается поглощение).
Как показано на рис. 4.70, в типичных установках рентгеновского экспонирования производится бомбардировка электронным пучком мишени из специально выбранного материала,
Мишель а* ^а5яль/м тлтлдж- яечием
ЭлектроныЭлектроны5e-p«w5e-p«w66^-NanpPHii- тель^-NanpPHii- тель\ Ша5ЛРЛ■^ — -| /Уа^лаж*- |<- ла\ Ша5ЛРЛ■^ — -| /Уа^лаж*- |<- ла^У/атарлил Электра-.ла0^У/атарлил Электра-.ла0Рис. 4.70. Схема рентгеновского экспонирования.Рис. 4.70. Схема рентгеновского экспонирования.| \8аиуум| \8аиуумРис. 4.69. Характеристики поглощения рентгеновских лучей различными маскирующими материалами.
Электроны
Электроны
5e-p«w
5e-p«w
6
6
^-NanpPHii- тель
^-NanpPHii- тель
\ Ша5ЛРЛ
■^ — -| /Уа^лаж*- |<- ла
\ Ша5ЛРЛ
■^ — -| /Уа^лаж*- |<- ла
^У/атарлил Электра-.
ла0
^У/атарлил Электра-.
ла0
Рис. 4.70. Схема рентгеновского экспонирования.
Рис. 4.70. Схема рентгеновского экспонирования.
| \8аиуум
| \8аиуум
что вызывает рентгеновское излучение. При этом рентгеновское излучение содержит линии Pd—L (0,43 нм), Si—К (0,71 нм), А1—К (0,83 нм), Си—L (1,33 нм) и другие. Из рисунка видно, что ограниченная площадь источника рентгеновского излучения является причиной возникновения геометрических искажений.
Обозначим величину рентгеновского источника d, расстояние между рентгеновским источником и рентгеношаблоном — D, величину зазора между рентгеношаблоном и подложкой — s, радиус подложки — г, тогда на участке, удаленном от центра подложки возникает геометрическое искажение величиной а:
a = r*s[D. (4.51)
Кроме того, ограничение размера источника d является причиной нерезкости изображения и образования полутени:
6=d-s/D. (4.52)
В реальных установках размер источника рентгеновского излучения составляет 0,1—0,5 мкм, что нельзя не учитывать при формировании рисунков с малыми размерами элементов. Влияние геометрических искажений а можно устранить путем коррекции размеров рисунка рентгеношаблона.
Колебания величины зазора между рентгеношаблоном и подложкой s приводят к соответствующему разбросу максимального разрешения. Для уменьшения колебаний величины зазора используется метод пошагового экспонирования. При этом D уменьшается, интенсивность рентгеновского излучения повышается и уменьшаются размеры рентгеношаблона. В будущем, когда будут формировать рисунки со сверхмалыми размерами элементов (до 0,5 мкм) точное изготовление рентгеношаблона станет еще более трудной задачей. Поэтому метод пошагового экспонирования, по всей вероятности, станет играть главную роль.
Известны и отрабатываются несколько методов повышения интенсивности рентгеновского излучения. Во-первых, это метод получения рентгеновского излучения с использованием металлической (А1 или Fe) мишени, нагреваемой высокомощным импульсным лазером на стеклообразном активном материале, что приводит к образованию высокотемпературной плазмы (диаметр пучка 200 мкм). Следующий метод получения интенсивного рентгеновского излучения с длиной волны около 1,0 нм путем обработки поверхности изолятора разрядом в среде инертного газа при протекании больших токов и образовании высокоплотной плазмы. Исследуется также метод, который заключается в создании электрического разряда в струе инертного газа, истекающего из сопла, и за счет Z — пинч-эффекта создания плазменного состояния. Указанные методы позволяют получить рентгеновское излучение с мощностью (правда, в импульсе), более чем в 10 раз превышающей мощность излучения рентгеновской трубки. Соответствующие рентгеновские источники имеют, кроме того, малую площадь, что позволяет уменьшить эффект нерезкости изображения.
Кроме того, популярным источником мощного рентгеновского излучения является синхротрон. Возможность его использования уже исследовалась экспериментально. Синхротрон позволяет легко получать излучение с длиной волны 0,4—4,0 нм и мощностью, более чем в 100 раз превышающей мощность рентгеновской трубки. Притом синхротрон является источником параллельных рентгеновскоих лучей, что позволяет избежать эффекта нерезкости изображения. Однако работа в параллель-
ных лучах имеет тот недостаток, что на краях элементов шаблона происходит дифракция лучей (дифракция Френеля), а это приводит к искажению изображения. Ширина линии или ширина просвета между линиями рисунка w и длина волны X связаны соотношением:
(4.53)(4.53)Р = ty У 2/Xs.
(4.53)
(4.53)
На практике допускается ширина линии и просвета между линиями w, при которой Р^З. Из этого условия необходимо определить оптимальную Л и максимально возможную s. Во всяком случае, синхротронный источник рентгеновского излучения с ми-
22Рис. 4.71. Примеры конструкций рентгеношаблонов: 1 и 2 — рисунок из Au; 3 — защитный слой; 4 — полиимид; 5 — кремниевое кольцо; 6 — кольцо из пирекса. -Рис. 4.71. Примеры конструкций рентгеношаблонов: 1 и 2 — рисунок из Au; 3 — защитный слой; 4 — полиимид; 5 — кремниевое кольцо; 6 — кольцо из пирекса. -
2
2
Рис. 4.71. Примеры конструкций рентгеношаблонов: 1 и 2 — рисунок из Au; 3 — защитный слой; 4 — полиимид; 5 — кремниевое кольцо; 6 — кольцо из пирекса. -
Рис. 4.71. Примеры конструкций рентгеношаблонов: 1 и 2 — рисунок из Au; 3 — защитный слой; 4 — полиимид; 5 — кремниевое кольцо; 6 — кольцо из пирекса. -
нимальными размерами луча вместе с системой пошагового экспонирования в рентгеновских лучах можно использовать при изготовлении СБИС с минимальными размерами элементов до 0,5 мкм.
Изготовить рентгеношаблон, пригодный для экспонирования, нелегко, и в этом направлении ведется множество экспериментальных работ. Два примера изготовления рентгеношаблона показаны на рис. 4.71. В качестве материала маскирующего слоя использовано золото, материалом подложки является кремний, а опора маскирующего слоя может быть изготовлена из нитрида кремния, смесей окислов кремния и нитрида бора. Кремний, который служит конструкционным материалом подложки, вытравливается на центральном участке с тыльной стороны структуры вплоть до опоры маскирующего слоя.
В качестве рентгенорезистов используются почти те же материалы, что и в электронорезистах. Ввиду того что по сравнению с ультрафиолетовым излучением поглощение в случае применения рентгеновского излучения гораздо меньше, можно формировать толстые слои резистов. Существует проблема отрицательного воздействия фотоэлектронов, эмиттируемых с лицевой поверхности подложки в слой рентгенорезиста и рассеиваемых в нем. Величина этого эффекта зависит от материалов, нанесенных на лицевую поверхность кремния в процессе обработки. Однако в любом случае нельзя не учитывать, что он приводит к ухудшению разрешения.
Общим недостатком установок рентгенолучевого экспонирования является система совмещения. Поскольку рентгенолучевое экспонирование предполагается использовать для формирования рисунка со сверхмалыми размерами элементов, которые нельзя получить фотоэкспонированием, к системе совмещения также предъявляются чрезвычайно высокие требования (точность совмещения <0,1 мкм). С этой целью проводятся исследования методов, использующих дифракционные решетки, зонные пластинки Френеля, которые позволяют получать изображение с элементами менее 0,05 мкм. При совмещении шаблона и подложки важную роль играют деформации подложки, возникшие в процессе обработки. С этой точки зрения более целесообразно использовать метод пошагового экспонирования, так как в этом случае площадь экспонирования меньше.
Травление рисунка
За литографией обычно следует процесс локального травления. В предыдущих процессах для очистки лицевой поверхности использовалось химическое травление в растворах, которое широко применяется и в настоящее время. Однако, ввиду того что от состояния и точности рисунка, сформированного в фоторезисте в результате проявления, в значительной мере зависит выход годных и характеристики ИС, при наличии в топологии элементов с размером менее 5 мкм водные растворы для травления уже не применяются. Основным методом становится так называемое сухое травление, которое продолжает в настоящее время исследоваться и развиваться с целью применения в субмикронной технологии.
На рис. 4.72 показан пример процесса локального травления слоя поликристаллического кремния, нанесенного на поверхность окисного слоя, через маску фоторезиста с соотношением ширины линии и ширины просвета на рисунке 1:1. На рисунке показан процесс травления, позволяющий идеально точно сформировать заданную при проектировании топологию. Однако на практике при травлении происходят отклонения от идеального случая, показанные на рис. 4.73, а, б, в. Случай а называется подтравливанием; как видно, слой поликристаллического Si почти изотропно вытравливается как в глубину, так и в горизонтальном направлении. Случай б соответствует перетраву (или горизонтальному стравливанию). В этом случае, по-видимому, имеет место анизотропное травление. Кроме того, произошло также подтравливание слоя резиста и величина просвета меж-
ду элементами превысила заданную при проектировании топологии величину. По сравнению с ситуацией, изображенной на рис. 4.72, линия суживается, а просвет — расширяется. На рис. 4.73, в изображен случай вертикального перетрава. Это пример ситуации, когда процесс травления затронул лежащий ниже окисный слой, ввиду того что разница в скорости травле-
Рис. 4.72. Травление рисунка: 1 — фотошаблон; 2 — позитивный резист после проявления; 3 — второй слой (поликремний); 4 —первый слой (SiO2); 5 — травление 2-го слоя через резистивную маску; 6 — удаление резиста.Рис. 4.72. Травление рисунка: 1 — фотошаблон; 2 — позитивный резист после проявления; 3 — второй слой (поликремний); 4 —первый слой (SiO2); 5 — травление 2-го слоя через резистивную маску; 6 — удаление резиста.Рис. 4.73. Аномалии травления: а — подтрав: 1 — резист; 2 — второй слой (поликремний); 3 — первый слой (SiO2); б — перетрав в горизонтальном направлении; в — перетрав в вертикальном направлении.Рис. 4.73. Аномалии травления: а — подтрав: 1 — резист; 2 — второй слой (поликремний); 3 — первый слой (SiO2); б — перетрав в горизонтальном направлении; в — перетрав в вертикальном направлении.
Рис. 4.72. Травление рисунка: 1 — фотошаблон; 2 — позитивный резист после проявления; 3 — второй слой (поликремний); 4 —первый слой (SiO2); 5 — травление 2-го слоя через резистивную маску; 6 — удаление резиста.
Рис. 4.72. Травление рисунка: 1 — фотошаблон; 2 — позитивный резист после проявления; 3 — второй слой (поликремний); 4 —первый слой (SiO2); 5 — травление 2-го слоя через резистивную маску; 6 — удаление резиста.
Рис. 4.73. Аномалии травления: а — подтрав: 1 — резист; 2 — второй слой (поликремний); 3 — первый слой (SiO2); б — перетрав в горизонтальном направлении; в — перетрав в вертикальном направлении.
Рис. 4.73. Аномалии травления: а — подтрав: 1 — резист; 2 — второй слой (поликремний); 3 — первый слой (SiO2); б — перетрав в горизонтальном направлении; в — перетрав в вертикальном направлении.
ния 2-го слоя поликристаллического Si и 1-го слоя окисла оказалась недостаточно большой.
Из приведенных примеров ясно, что необходимо тщательно подбирать материалы и условия травления с тем, чтобы обеспечить избирательное травление определенного слоя при минимальном подтраве нанесенного сверху слоя фоторезиста и расположенного снизу слоя полупроводниковой структуры. При различии скоростей травления двух разных материалов говорят об избирательности травления. В случае, если избирательность травления достаточно высока, можно полностью протравить только один определенный слой, а для прекращения процесса желательно иметь возможность автоматически определять момент завершения травления. Такое определение осуществляется по изменению показателя преломления с помощью специальных излучателей или лазеров.
Плазменное травление в электрическом разряде
Существуют три метода сухого травления: физическое распыление, ионно-лучевое фрезерование; газофазное химическое травление; реактивное ионное травление. В каждом из этих методов в электрическом разряде образуются ионы, активные атомы или молекулы. В первом методе в ВЧ-разряде образуются ионы Аг+, которые ускоряются напряжением несколько сотен вольт и бомбардируют лицевую поверхность образца, вызывая распыление поверхностного слоя. При ионно-лучевом фрезеровании в условиях разряда на постоянном токе при приложении магнитного поля формируется высокоплотная плазма. С помощью сеточного электрода ионы Аг+ вытягиваются из участка образования плазмы, ускоряются и образуют пучок, бомбардирующий образец. Указанные методы чрезвычайно эффективны, поскольку они позволяют, например, стравить несколько сотен монослоев и более с поверхности кремниевой подложки и после отжига получить совершенно гладкую поверхность. Однако применение этих методов в технологии производства БИС затруднено, так как они обеспечивают очень низкую избирательность при травлении различных материалов и, кроме того, при использовании этих методов образуются дефекты, которые нелегко исправить. При использовании ионов с энергией более 20 эВ распыляются самые различные материалы. При распылении в наклонных лучах ионов коэффициент распыления увеличивается. Метод газофазного химического травления и метод реактивно-ионного травления невозможно строго разграничить, так как их отличие заключается в том, вносит ли энергия соударения ионов заметный вклад в травление (метод 3) или этого не происходит (метод 2). Травление образцов производится изотропно 2-м методом и анизотропно (преимущественно вглубь) 3-м методом.
На рис. 4.74 представлены упрощенные конструкции установок сухого травления для каждого из методов. На рис. а — снаружи кварцевой цилиндрической камеры установлены электроды или катушка. При подаче на них высокочастотного (13,56 МГц) напряжения возникает электрический разряд в среде активного газа. В высокочастотном электромагнитном поле коэффициент ионизации повышается и формируется высокоплотная плазма. В этих условиях лицевая поверхность образца, находящегося под плавающим электрическим потенциалом, покрывается оболочкой из ионов. Если электрический потенциал образца отрицательный (—Vf), то плазма, примыкающая к ионной оболочке, приобретает положительный потенциал Ур. Следовательно, лицевую поверхность образца бомбардируют ионы, ускоренные максимальным напряжением Ур—Vt. Однако, по-
Реанциаи- ный газ
13-73ОЛа
I ВЧ
Выпуск
rv
^ Выпуск
Выпуск
Реакиион-
Реакционный газ
Рис. 4.74. Установки сухого травления: а — плазменного травления с реактором цилиндрического типа; б — химического сухого травления; в — высокочастотного плазменного травления; г— реактивно-ионного травления с реактором планарного типа (с заземленным анодом); д — реактивно-ионного травления магнетронного типа (с заземленным катодом); е — травления «ионным ливнем» с применением электронного циклотронного резонанса; 1 — кварцевая камера; 2 — пластины; 3 — микроволновая проводящая трубка; 4 — активированные атомы; 5 — камера травления; 6 — магнитная катушка; 7 — плазма; 8 — катод; 9 — анод; 10 — постоянный магнит; 11—ионный луч; 12 — сетка.
е
скольку при давлении газа около 66,6 Па, Vp составляет 20В, a Vf — несколько вольт, то эффект ионной бомбардировки довольно слаб. Травление производится главным образом активизированными молекулами и атомами и развивается изотропно. Например, при газовом разряде в О2 посредством восстановления атомами кислорода можно стравить слой резиста. В элек-
трическом разряде в СР4 образуемые атомы F реагируют с Si с получением газообразного продукта Sip4, что позволяет осуществлять травление Si.
На рис. б показана схема метода, называемого химическим сухим травлением, в котором совершенно не используются ионы. С помощью ВЧ-поля (2,45 ГГц) формируется электрический разряд в CF4+O2, С восстанавливается и при этом образуются атомы F (вероятно, в основном состоянии), которые имеют достаточно большое время жизни (секунды) для того, чтобы ввести их в камеру для травления и осуществить травление образца. На рис. 4.75 показано, что добавление Ог изменяет скорость травления поликристаллического Si, Si3N4, резиста, Mo, W. Из рисунка видно, что поликристаллический Si, W, Мо имеют более высокую скорость травления по сравнению с SiO2 и резистом. Тот факт, что увеличение концентрации Ог приводит к уменьшению скорости травления, связан, вероятно, с окислением. Поскольку метод сухого травления обеспечивает изотропное травление материала, при его применении возникает подтрав, следовательно, этот метод не подходит для формирования элементов со сверхмалыми размерами. Вместе с тем этот метод не образует дефектов, поэтому в сочетании с методом реактивного ионного травления, который будет рассмотрен ниже, этот метод может найти широкое применение.
На рис. 4.74 в, г, д показаны быстро прогрессирующие методы усиления химического реакционного травления путем ионной бомбардировки, иными словами, методы стимулированного травления, которые позволяют проводить анизотропное травление лицевой поверхности образца преимущественно в вертикальном направлении и потому могут быть использованы при формировании элементов сверхмалых размеров. В этих ионно-стимулируемых реакциях на поверхность Si падает молекулярный луч XeF2 и ионный луч Аг+ (450 эВ), а также молекулярный луч С1г и ионный луч Аг+ с той же энергией, что приводит к поразительному увеличению скорости травления по сравнению со случаем использования только XeF2 и С1г. Уточним также, что в первом случае при отсутствии Аг+ травление лицевой поверхности все же производится постепенно за счет взаимодействия с F, образуемым при разложении ХеРг.
Однако С1г совершенно не реагирует с Si. Поэтому если в первом случае действие ионов Аг+ можно назвать ионно-стимулированной реакцией, то во втором случае, вероятно, более соответствующим названием является ионно-инициируемая реакция. Механизм действия ионов в ускорении реакций неясен. Возможно, ионы Аг+ предоставляют энергию (колебаний решетки), необходимую для соединения активизированных атомов и атомов Si на лицевой поверхности и образования газовой фазы.
Рис. 4.75. Зависимость скорости сухого химического травления различных материалов от удельного давления Og и CF*.Рис. 4.75. Зависимость скорости сухого химического травления различных материалов от удельного давления Og и CF*.
Рис. 4.75. Зависимость скорости сухого химического травления различных материалов от удельного давления Og и CF*.
Рис. 4.75. Зависимость скорости сухого химического травления различных материалов от удельного давления Og и CF*.
Возможно, они разлагают адсорбированные поверхностью моле
кулы или, распыляя примеси с лицевой поверхности, облегчают
соединение молекул и Si; возможно также, что выполняют роль ионной бомбардировки в разрыхлении лицевой поверхности и образовании дефектов.
На практике при реактивном ионном травлении не обязательно использование ионов Аг+, так как их роль могут выпол
нять ионы, образованные в плазме из молекул. Установка реактивного ионного распыления снабжена узлом ускорения ионов для облегчения образования плазмы. На рис. 4.74, в показано, как за счет использования магнитного поля и микроволнового излучения в условиях электронного циклотронного резонанса повышается эффективность электрического разряда. Энергия ионов невелика (образец в виде пластины под плавающим электрическим потенциалом). На рис. 4.47,г показана установка плоскопараллельного
типа: за счет приложения к электродам ВЧ-напряжения возникает электрический разряд и образуется плазма. В этом случае образец ус-
ганавливается на заземленном
электроде. Когда используется ВЧ-поле с частотой 13,56 МГц, то за движением ионов проследить трудно. Однако при этом не происходит ионной бомбардировки образца при ускоряющем напряжении, связанном с ионной оболочкой, как в установке цилиндрического типа (рис. а). В низкочастотном поле (несколько десятков кГц) ионы свободно ускоряются генерируемым электрическим полем и образец подвергается анизотропному травлению. Имеются также конструкции, в которых образец монтируется на катодном электроде, к которому и подводится ВЧ-нап- ряжение. В таком случае образец оказывается под отрицательным потенциалом относительно земли (меньше напряжения на катоде VCf). Поэтому пиковое ускоряющее напряжение достигает 2Гр—VCf (несколько сотен В) и образец подвергается ионной бомбардировке, что приводит к анизотропному травлению преимущественно в вертикальном направлении. На рис. е изображена схема установки травления ионным потоком, в которой усилено действие ионной бомбардировки.
Метод реактивно-ионного травления находит широкое применение, так как он позволяет осуществлять анизотропное травле-
ние. Однако повышение размеров подложек и увеличение производительности представляют в этом случае серьезную проблему. Для повышения производительности подложки размещаются в реакционной камере на держателе в виде 6-гранной призмы. Существуют различные методы повышения эффективности обра- один из них. На тыльной стороне образца устанавливается постоянный магнит, в окрестности образца формируется электрическое поле; электроны совершают движение по циклоиде и в результате эффективность ионизации значительно увеличивается. На рис. 4.76 приведен пример травления SiOj в CHF3.Механизм травления в плазме методом реактивного ионного травления сложен и зависит от материала и структуры слоев. Виды газов, которые используются для травления типичных материание. Однако повышение размеров подложек и увеличение производительности представляют в этом случае серьезную проблему. Для повышения производительности подложки размещаются в реакционной камере на держателе в виде 6-гранной призмы. Существуют различные методы повышения эффективности обра- один из них. На тыльной стороне образца устанавливается постоянный магнит, в окрестности образца формируется электрическое поле; электроны совершают движение по циклоиде и в результате эффективность ионизации значительно увеличивается. На рис. 4.76 приведен пример травления SiOj в CHF3.Механизм травления в плазме методом реактивного ионного травления сложен и зависит от материала и структуры слоев. Виды газов, которые используются для травления типичных материазования плазмы. На рис. о показанзования плазмы. На рис. о показан| 7.5I 0.9 I 1^| 7.5I 0.9 I 1^00-за-за" LHFj: Б,65 Па." LHFj: Б,65 Па.SiSi\ Аь/^рамнуб' \ отнушб*-\ Аь/^рамнуб' \ отнушб*-0,02 0,04 0,00 0,00 0,7 0,72Afagf/Lzm^e пуле, тл0,02 0,04 0,00 0,00 0,7 0,72Afagf/Lzm^e пуле, тлSiu^Siu^гI’ IгI’ I720072007^z77^z7/Л 'I/Л 'I000000 '000000 '400400200200/7/7Рис. 4.76. Характеристики установки магнетронного реактивно-ионного травления.Рис. 4.76. Характеристики установки магнетронного реактивно-ионного травления.
ние. Однако повышение размеров подложек и увеличение производительности представляют в этом случае серьезную проблему. Для повышения производительности подложки размещаются в реакционной камере на держателе в виде 6-гранной призмы. Существуют различные методы повышения эффективности обра- один из них. На тыльной стороне образца устанавливается постоянный магнит, в окрестности образца формируется электрическое поле; электроны совершают движение по циклоиде и в результате эффективность ионизации значительно увеличивается. На рис. 4.76 приведен пример травления SiOj в CHF3.
Механизм травления в плазме методом реактивного ионного травления сложен и зависит от материала и структуры слоев. Виды газов, которые используются для травления типичных материа
ние. Однако повышение размеров подложек и увеличение производительности представляют в этом случае серьезную проблему. Для повышения производительности подложки размещаются в реакционной камере на держателе в виде 6-гранной призмы. Существуют различные методы повышения эффективности обра- один из них. На тыльной стороне образца устанавливается постоянный магнит, в окрестности образца формируется электрическое поле; электроны совершают движение по циклоиде и в результате эффективность ионизации значительно увеличивается. На рис. 4.76 приведен пример травления SiOj в CHF3.
Механизм травления в плазме методом реактивного ионного травления сложен и зависит от материала и структуры слоев. Виды газов, которые используются для травления типичных материа
зования плазмы. На рис. о показан
зования плазмы. На рис. о показан
| 7.5
I 0.9 I 1^
| 7.5
I 0.9 I 1^
0
0
-за
-за
" LHFj: Б,65 Па.
" LHFj: Б,65 Па.
Si
Si
\ Аь/^рамнуб' \ отнушб*-
\ Аь/^рамнуб' \ отнушб*-
0,02 0,04 0,00 0,00 0,7 0,72
Afagf/Lzm^e пуле, тл
0,02 0,04 0,00 0,00 0,7 0,72
Afagf/Lzm^e пуле, тл
Siu^
Siu^
г
I’ I
г
I’ I
7200
7200
7^z7
7^z7
/Л 'I
/Л 'I
000
000 '
000
000 '
400
400
200
200
/7
/7
Рис. 4.76. Характеристики установки магнетронного реактивно-ионного травления.
Рис. 4.76. Характеристики установки магнетронного реактивно-ионного травления.
лов, применяемых в технологии изготовления БИС, представлены в табл. 4.12. В электрическом разряде молекулы газа разлагаются, образуются молекулы, ионы и радикалы, а в случае добавления примесей образуются дополнительные виды молекул, атомов и ионов. Эти частицы исследуются методом масс- спектрометрии. При соударении частиц с лицевой поверхностью образца может происходить адсорбция, разложение, реакция, десорбция, а при бомбардировке ускоренными ионами — распыление. Эффективность этих процессов различна в зависимости от угла падения частиц. Распыленные вещества могут также вновь сорбироваться на другом участке. Образованные в результате реакций вещества создают большие молекулы, которые также могут сорбироваться на другом участке. Следовательно, в каждом отдельном случае необходимо изучать механизм и разрабатывать технологию формирования определенного рисунка.
Например, для системы SiO2/Si в случае избирательного травления SiOg используются CF4+H2 и CHF3. Образуемый при разряде F удаляется при взаимодействии с Нг с образованием HF. ‘Реакция F и Si замедляется, CFX+ разлагает БЮг
Материал, подвергаемый травлению
Газ, применяемый при травлении
Si
CF3X(X: F, Cl, В г CF3, Н)+С12, NF3
п+-поликремний
SiO2
Si3N4
Al, Al—Si
Al—Cu
Mo
MoSi2
Cr
CrO2 W
Резне г
СС14+О2, BCt34-Cl2, CF4-|-O2, SFs4”O2
CF3Cl, c2f6, c3f^, chf3, cf4+o2 cf4+h2, chf3, c2f6, c3f8
Подобно SiO2, а также CF4—O2, CF4—O2—N2
CC14, CC14+C12, SiCl4, CF4, BC13+C12, BC13
BC13+C12
CC14—O2, SF3
CF4+C12
CC14+O2
CC1<
CF<, SF4—O2, SF6
O2, O2—CH4, Ar, N2, O2—CF4
Таблица 4.12
Виды реакционных газов, используемых в плазменном травленииВиды реакционных газов, используемых в плазменном травлениис образованием газообразных СО и SiF4, что соответствует травлению SiO2. В то же время, обнаженная лицевая поверхность Si покрывается пассивирующим слоем полимера, наподобие тефлона С—F*. Для системы п+-типа поликристаллический Si/SiO2 используется CF3C1 и травление производится посредством С1, образуемого в электрическом разряде. Однако эта реакция развивается изотропно, поэтому для преимущественного травления в вертикальном направлении на боковые стенки напыляется защитный слой полимера, который уже образовался на лицевой поверхности Si.
Виды реакционных газов, используемых в плазменном травлении
Виды реакционных газов, используемых в плазменном травлении
Реакции травления поликристаллического Si п+-типа, высокоомного поликристаллического Si и монокристаллического Si протекают по-разному при использовании различных реакционных газов. Вызывает интерес, что в поликристаллическом Si п+-типа в реакции принимают участие электроны. В случае анизотропного травления монокристаллического Si используется смесь газов CF3X(X: F, Cl, Br, CF3, H)+C12. При возбуждении электрического разряда в среде CF4+CI2 образуются CF3+, CF3°, F+, F°, C1+, Cl0, которые сложным образом взаимодействуют с Si с образованием газообразных продуктов SiF4 и SiCU и таким образом производится травление Si.
При травлении А1 пассивирующий слой окисла А12О3, который всегда имеется на поверхности, удаляется восстановлением за счет обработки в ВС13, CCh или ионной бомбардировкой. Поскольку при электрическом разряде в среде CCU, ВСЦ травление А1 производится посредством С12 и развивается изотроп-
но, то в этом случае, как и в случае поликристаллического Si п+-типа, для получения преимущественного травления в вертикальном направлении необходимо нанесение пассивирующего слоя на боковые стенки.
Фотостимулированное травление
Описанный выше метод реактивно-ионного травления эффективен при формировании рисунка с размерами элементов около 1 мкм. В случае дальнейшего уменьшения размеров элементов, например, в МОП БИС, ввиду одновременного уменьшения толщины подзатворного окисла и уменьшения глубины залегания перехода методы, использующие заряженные частицы, не применяются, так как они приводят к увеличению содержания дефектов в полупроводнике и отрицательно влияют на надежность. В такой ситуации требуются методы травления, не использующие заряженных частиц, которые активно исследуются в настоящее время.
В одном из таких методов — в методе сухого химического травления, как показано на рис. 4.74 6, травление производится с помощью F. Пучок атомов F вводится через отдельное впускное отверстие и обрабатывает поверхность образца. Поскольку для образования плазмы используется ВЧ-разряд, то интенсивность луча F, получаемого в результате, невелика, и скорость травления небольшая.
Особым методом является метод фотостимулированного травления. В травильную камеру вводится газ Ch, после чего производится облучение Hg — Хе лампой или лазером на эксимерах Хе — С1 (длина волны 308 нм). Как показано на рис. 4.77, поликристаллический Si п+-типа стравливается почти изотропно при облучении светом, распространяющимся параллельно лицевой поверхности образца. В таких условиях облучения высокоомный поликристаллический кремний, монокристаллический кремний и поликристаллический кремний р+-типа травлению не подвергаются. Под действием УФ-облучения молекулы С1г разлагаются на атомы С1 (поглощение света в области 300—360 нм). п+-типа поликристаллический Si реагирует с атомами С1 с образованием газообразного SiCl4 и происходит травление поверхности. А для высокоомного и р+-типа поликристаллического Si такого взаимодействия при УФ-облучении не наблюдается.
Считается, что электроны, образованные при генерации электронно-дырочных пар, играют такую же роль, что и электроны в поликристаллическом Si п+-типа, а именно форсируют образование SiCU. Однако полной ясности по этому вопросу пока нет. Для осуществления анизотропного травления, как и при
использовании реактивно-ионного метода, вероятно, лучше использовать защитные покрытия на боковых стенках. Вышеописанный метод фотоиндуцированных реакций не использует заряженных частиц при травлении и потому является перспек-
УФ^излучениеУФ^излучение
УФ^излучение
УФ^излучение
Рис. 4.77. Травление, стимулируемое УФ-излучением: а — п+-поликремний, б — высокоомный кремний, высокоомный поликремний, р+-поликремний: 1 — алюминиевый шаблон; 2 — п+-поликремний; 3 — кремний.
тивным. Однако для выяснения возможности его использования в технологии, за исключением применения для травления Si, еще требуется проведение многочисленных исследований.
Моделирование технологических процессов
Как было показано в предыдущих разделах, почти для всех технологических процессов невозможно заранее автоматически предусмотреть желаемые параметры и нельзя сказать, есть ли в данной ситуации обратная связь. По этой причине необходима большая работа по определению входных данных и проведению измерений после получения экспериментального образца. Иными словами, проектирование ИС невозможно без предварительного сбора большого числа данных. Однако по мере повышения сложности, точности и степени интеграции ИС это становится серьезной помехой. Поэтому понятна необходимость определения основных процессов и моделирования их с помощью ЭВМ. С другой стороны, с использованием той же ЭВМ возможно моделирование электрических характеристик элементов на основе электромагнитных моделей. Если к тому же совместить моделирование процессов и характеристик приборов с моделированием схем, то можно определить возможности ИС, еще не имея их опытного производства. В результате значительно уп-
рощается оптимизация производства и становится возможным, вводя в вычисления разброс в каждом процессе, проанализировать ожидаемый выход годных.
Указанные соображения привели к развитию методов моделирования для множества различных процессов (однако возможности получения программ пока ограничены). Осущест-
Рис. 4.78. Блок-схема двумерного процесса моделирования.
вляется переход от одномерных моделей к двухмерным, исследуются также трехмерные модели. На рис. 4.78 представлена блок-схема двумерного моделирования процесса (TOPICS). Программа моделирования ориентирована на определение данных в допустимой области изменения параметров. Наиболее важными входными данными являются трехмерная форма элементов и распределение примеси. В этом разделе описывается пример двумерного моделирования процесса термического окисления после ионной имплантации, что позволяет в этом случае решить вопрос о расширении профиля распределения примеси В.
Двумерное моделирование ионной имплантации, окисления и диффузии
При ионной имплантации через слой окисла толщиной dox проекция длины пробега R'p2 и ее стандартное отклонение &R'p2 связаны с Rpi и ARpi в окисном слое, а также с \Rp2
в кремнии следующим образом:
^рг=^ох+(А^рг/А^рО №ч—^ох)»(4.54)
А/?'ра = ДТ?р2.(4.55)
Распределение имплантированной примеси N(x,y) по глубине структуры (х) может быть приближенно описано распределением Гаусса (формула 4.43), а в горизонтальном направлении (У) — распределением вспомогательной функции ошибок (рис. 4.50):
м (х их—exn / ^E^ll f 1 erfc / У — а \ | м 55у
( ,М УаГд^р Р| 2Д/?p^ )| УН" f ^Угд^ Д ('
Формула термического окисления подобна формуле (4.3) ^ох—d'2ox +A (dOX—d'ox) =Bt.(4.57)
При влажном окислении t=0, d1Ox = 0, а при сухом окислении d^x = 5,97- IO"3-exp^—1^^, см.(4.58)
Практической проблемой, которая встречается при локальном окислении с использованием маскирующего слоя SisN^ является отрицательное влияние краевых искажений в форме птичьего клюва, образуемых при окислении. Здесь предполагается, что наклон птичьего клюва 9 = 45°.
Следует отметить, что если диффузия управляется только нейтральными и однозарядными вакансиями, то коэффициент диффузии примеси выражается формулой:
D = Dln + (l+pf)(l+P),(4.59)
где в случае донорной примеси ^=п1п\ и в случае акцепторной примеси f=p/nv; р = 3 для диффузии В и р = 100 для диффузии As. Кроме того, при диффузии высокой концентрации ионизированной примеси имеет место эффект полевого ускорения диффузии:
Н^+МУ^Я3^?.(4.60)
Коэффициент диффузии В увеличивается при окислении.
Если скорость окисления d(dox)/d^, то для расстояния от границы раздела Si—ЗЮг, равного х, имеем
-. п । г? I d (dox) \°-3/ х \(2,08эВ \.. С1,
где F при ориентации подложки (100)^ равен 6.0-10-2 см2/ч, а при ориентации (111) —2,2-10-2 см2/ч. В случае диффузии
в горизонтальном направлении ехр(—у/25 мкм) заменяется на ехр(—t//2 мкм), что основано на экспериментальных результатах. При перераспределении примеси на границе раздела Si—SiO2 при окислении получаем,- используя коэффициент сегрегации т (раздел 4.5, рис. 4.28):
^•N^tx.y.t^N^^^, (4.62)
где №х и /Vs* — концентрация примеси в окисном слое и в Si, соответственно. В программе не учитывается поток примеси из окисного слоя SiO2 в кремний, так как коэффициент диффузии в SiO2 настолько мал, что им можно пренебречь.
Численный метод расчета
Необходимо решить уравнение
dN _ д dt — дуdN _ д dt — дуIn dN\-u d (п—\In dN\-u d (п—\(4.63)(4.63)
dN _ д dt — ду
dN _ д dt — ду
In dN\-u d (п—\
In dN\-u d (п—\
(4.63)
(4.63)
Решение производится с использованием метода конечных разностей. Как показано на рис. 4.79, в направлениях х и у отмечаются 50 и 60 одинаковых отрезков соответственно, образующих сетку, узлы которой обозначены буквой N. Из рис. б видно, что D^x, у, /) обозначает среднюю точку каждой из ячеек. Для (t,/)-ячейки можно записать уравнение
И i,i " i,i~ (Дх)2 /v |,/-1Т(Ду)2 /v i-ij
f Dij-ца + Dt.j^ ( D{_1M + Di+lhJ ) Mn+1 ,l (Дх)2 т (Ду)2i>^ ■
Nn+iI Dt>i^ мп^(4 64)
т (Ду)2 1N i+W г (Д^2 lN ij+l-(Ч.ОЧ)
Для всех точек это уравнение записывается в матричной форме:
Г^Х+111^x1Л/*-“ Лт-Г^Х+111^x1Л/*-“ Лт-(4.65)(4.65)[MJ
Г^Х+111^x1
Л/*-“ Лт-
Г^Х+111^x1
Л/*-“ Лт-
(4.65)
(4.65)
0~ 0
о' о ’
и решается методом последовательных приближений Стоуна.
Граничные условия для концентрации примеси показаны на рис. 4.80. Поскольку в качестве нулевой точки пересечения координатных осей выбирается центральная точка, прилегающая
к маскирующему слою Si3N4, то на концах сетки слева и справа dNfdy=b, а в направлении х— объемная концентрация примеси. Граничные условия на лицевой поверхности сложны из-за перемещения границы раздела при окислении. За отрезок времени d/ слой кремния толщиной sd(dox) превращается в слой
0W
СетнаД/уСетнаД/уРис. 4.79. Метод конечных разностей: а — сетка, б — коэффициент диффузии в точке.Рис. 4.79. Метод конечных разностей: а — сетка, б — коэффициент диффузии в точке.
СетнаД/у
СетнаД/у
Рис. 4.79. Метод конечных разностей: а — сетка, б — коэффициент диффузии в точке.
Рис. 4.79. Метод конечных разностей: а — сетка, б — коэффициент диффузии в точке.
Рис. 4.81. Перемещение границы раздела Si—SiO2 при локальном окислении. Граница раздела: 1—во время локального окисления; 2 — после локального окисления.Рис. 4.81. Перемещение границы раздела Si—SiO2 при локальном окислении. Граница раздела: 1—во время локального окисления; 2 — после локального окисления.
Рис. 4.81. Перемещение границы раздела Si—SiO2 при локальном окислении. Граница раздела: 1—во время локального окисления; 2 — после локального окисления.
Рис. 4.81. Перемещение границы раздела Si—SiO2 при локальном окислении. Граница раздела: 1—во время локального окисления; 2 — после локального окисления.
5Юг толщиной d(dox). Поэтому концентрация примеси в кремнии имеет вид: Nsv(x, у, t—df)sd(dOx) и в окисном слое: №х^х, у, t)dOx=Nsl(x, у, t) mdox (где s = 0,44— отношение тол-
■5102— ।
Nt^^.j Подробность 5i ^jN^
Рис. 4.80. Граничные условия двумерного моделирования:
А —формула (4.66).
щины слоя кремния, расходуемого при окислении, к толщине окисного слоя; см. рис. 4.17). Коэффициент перераспределения на границе раздела Si — 5Юг
,_s№,, УМ. _ D <уу^1уУУ^ (4.66) га ^ гах '
Для As величина m = 50, а для В
при влажном окислении т = 104 ехр (— 0,66 эВ/^Т), (4.67) при сухом окислении /п=13,4ехр(—0,ЗЗэВ/£Т).
Для процесса локального окисления под углом 45° к границе раздела также проводятся расчеты потока примеси в направлении у. После окисления граница раздела не обязательно проходит через узлы сетки (сплошная линия на рис. 4.81). На этом рисунке белыми кружками показаны новые узлы сетки.
Пример численного метода расчета
Покажем результаты применения вышеуказанной программы на одном конкретном примере численного метода расчета. На подложке кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением ЮОм-см с ориентацией (100) в процессе сухого окис-
У, мимУ, мим-ол -о,го о.г о,4-ол -о,го о.г о,4Рис. 4.82. Результаты численного расчета: а — распределение примеси после ионной имплантации; б — распределение примеси после локального окисления; в — общий вид распределения.Рис. 4.82. Результаты численного расчета: а — распределение примеси после ионной имплантации; б — распределение примеси после локального окисления; в — общий вид распределения.
У, мим
У, мим
-ол -о,го о.г о,4
-ол -о,го о.г о,4
Рис. 4.82. Результаты численного расчета: а — распределение примеси после ионной имплантации; б — распределение примеси после локального окисления; в — общий вид распределения.
Рис. 4.82. Результаты численного расчета: а — распределение примеси после ионной имплантации; б — распределение примеси после локального окисления; в — общий вид распределения.
ления наращивается слой окисла толщиной 30,0 нм. Поверх этого слоя при температуре 800 °C наносится слой Si3N4 толщиной 30 нм и затем проводится формирование рисунка (рис. 4.82,а). Далее следует процесс ионной имплантации ионов В с энергией 70 кэВ до концентрации ЫО13 атомов/см2 и в течение 4,5 ч при температуре 1000 °C процесс влажного окисления (рис. 4.82,6).
Распределения примеси В сразу после ионной имплантации, а также после локального окисления по результатам вычислений показаны на рис. 4.82, а, б и в. Отчетливо видно расширение легированной области в горизонтальном направлении. Указанная выше программа подтвердила свою эффективность на практике при изготовлении различных приборов, которые легко подвергаются контролю, путем моделирования характеристик приборов с последующим сравнением результатов вычислений с экспериментальными данными.
При моделировании таких процессов необходимо согласовывать программу, которая моделирует форму электродов в зависимости от лицевой поверхности, с программой моделирования новых приборов более сложной структуры, например со слабо легированным стоком (раздел 5.4). Кроме того, по всей видимости, будет развиваться и шире использоваться трехмерное моделирование.
5
Основные структурыполупроводниковых ИС
Кремниевые монолитные интегральные схемы изготавливаются по технологическим процессам, описанным в предыдущей главе. Сначала определяются цели производства и выбирается элементная база, позволяющая реализовать заданные функциональные возможности и технические параметры, затем проектируется схема. При проектировании с учетом ограничений по стоимости выбираются конкретные технологические процессы, обеспечивающие возможность изготовления схемы, определяются проектные нормы, соответствующие размерам элементов схемы, а также размерам и размещению разводки, проектируется топология схемы и устанавливается соответственно топологии набор фотошаблонов с определенными рисунками. На каждом из этапов проводятся проверка и корректировка с помощью ЭВМ.
В данной главе рассмотрены основные конструкции элементов, лежащих в основе ИС. Характеристики различного вида транзисторов описаны в главе 3 этой книги, проектирование и возможности основных видов ИС и устройств на их основе — в книге М. Ватанабэ (третий том 11-томной серии «Лекции по микроэлектронике» издательства «Иванами сётэн», перевод которой подготовлен в издательстве «Мир», «Проектирование СБИС»). Здесь эти вопросы не рассматриваются.
Элементную базу монолитных интегральных схем можно укрупненно разделить на две группы — биполярные элементы и элементы МОП-типа. Биполярные схемы управляются током, протекающим в объемном материале, и влияние процессов, протекающих на лицевой поверхности, на параметры схемы сравнительно невысоко. Эта особенность, а также большой выходной ток позволяют использовать биполярные элементы в ИС, требующих повышенного быстродействия, большого усиления и мощности. Поскольку, вообще говоря, технология изготовления би-
полярных элементов сложнее, чем МОП-структур, биполярные схемы более дорогостоящие.
В элементах МОП-типа, которые управляются напряжением, рабочий ток протекает у поверхности, поэтому лицевая поверхность оказывает серьезное влияние на работу схемы. Эти элементы имеют меньшее быстродействие по сравнению с элементами, изготовленными по биполярной технологии. Однако технологические процессы изготовления МОП-структур проще, интеграция элементов МОП-типа производится легче, поэтому они раньше вошли в БИС. В частности, в последнее время возросло значение комплементарных МОП-структур (КМОП) в СБИС. КМОП ИС отличаются низким потреблением энергии, так как потребляют ее только во время переключения. Характеристики биполярных ИС и МОП ИС дополняют друг друга, поэтому уже приступили к реализации технологии формирования ИС обоих типов на одном кристалле.
Ранее аналоговые схемы изготавливались по биполярной технологии, однако в последние годы в практику входят также аналоговые схемы МОП-типа. Кроме указанных двух видов технологий — биполярной и МОП существует также технология формирования МОП-структур с затвором Шоттки, когда в МОП-структуре к областям истока или стока подводится электрод, образующий контакт типа Шоттки. Известны также полевые транзисторы с переходом, транзисторы со статической индукцией и другие, которые могут быть использованы в качестве основных элементов ИС. Но в настоящее время эти конструкции не являются основными.
В интегральных схемах существенное значение имеет проблема взаимной электрической изоляции нескольких транзисторов и окружающих их элементов. В МОП-структурах, в которых рабочий ток протекает в приповерхностном слое, трудности при решении этой проблемы не более серьезны, чем в биполярных схемах. По мере уменьшения размеров элементов и повышения плотности их интеграции значение проблемы взаимной изоляции еще более возрастает. Кроме того, при экспонировании УФ-облучением с короткой длиной волны ввиду малой глубины резкости желательно работать со структурами с хорошей плоскостностью лицевой поверхности. Следовательно, в этой ситуации еще более необходимы соответствующие разделительные структуры для взаимной изоляции. Но в каждом случае при решении этой проблемы следует по возможности уменьшать число фотошаблонов, используемых для формирования структур с взаимной изоляцией элементов, упрощать процесс изготовления и уменьшать площадь разделительных элементов структуры. Ниже рассмотрены конструкции, спроектированные с учетом такого подхода к проблеме.
Структуры биполярных ИС
На рис. 5.1 приведена стандартная конструкция биполярного транзистора со скрытым коллекторным слоем и с изоляцией обратносмещенным рп-переходом, которая раньше всех нашла применение на практике. В случае толстого эпитаксиального
база Е Каллен-база Е Каллен-Рис. 5.1. Изоляция рп-переходом (структура со скрытым коллекторным слоем): 1 — алюминиевый электрод; 2 — окисный слой; 3 — п-эпитаксиаль- ный слой; 4 — п+-скрытый слой.Рис. 5.1. Изоляция рп-переходом (структура со скрытым коллекторным слоем): 1 — алюминиевый электрод; 2 — окисный слой; 3 — п-эпитаксиаль- ный слой; 4 — п+-скрытый слой.Рис. 5.2. Изоляция рп-переходом о двусторонней диффузией: 1 — п-эпи- таксиальный слой; 2 — п+-скрытый слой.Рис. 5.2. Изоляция рп-переходом о двусторонней диффузией: 1 — п-эпи- таксиальный слой; 2 — п+-скрытый слой.
база Е Каллен-
база Е Каллен-
Рис. 5.1. Изоляция рп-переходом (структура со скрытым коллекторным слоем): 1 — алюминиевый электрод; 2 — окисный слой; 3 — п-эпитаксиаль- ный слой; 4 — п+-скрытый слой.
Рис. 5.1. Изоляция рп-переходом (структура со скрытым коллекторным слоем): 1 — алюминиевый электрод; 2 — окисный слой; 3 — п-эпитаксиаль- ный слой; 4 — п+-скрытый слой.
Рис. 5.2. Изоляция рп-переходом о двусторонней диффузией: 1 — п-эпи- таксиальный слой; 2 — п+-скрытый слой.
Рис. 5.2. Изоляция рп-переходом о двусторонней диффузией: 1 — п-эпи- таксиальный слой; 2 — п+-скрытый слой.
Рис. 5.3. Изоляция коллекторной диффузией: 1 — р+-диффузионный слой; 2 — р-эпитаксиальный слой; 3 — п+- скрытый слой.Рис. 5.3. Изоляция коллекторной диффузией: 1 — р+-диффузионный слой; 2 — р-эпитаксиальный слой; 3 — п+- скрытый слой.
Рис. 5.3. Изоляция коллекторной диффузией: 1 — р+-диффузионный слой; 2 — р-эпитаксиальный слой; 3 — п+- скрытый слой.
Рис. 5.3. Изоляция коллекторной диффузией: 1 — р+-диффузионный слой; 2 — р-эпитаксиальный слой; 3 — п+- скрытый слой.
слоя возрастает время на диффузию примеси р+-типа для соз-дания глубоких разделительных областей и площадь раздели-тельных областей. Поэтому при формировании структуры при-
Рис. 5.4. Изоляция скрытым эпитаксиальным слоем: 1—электрод из поликремния; 2 — п~-эпитаксиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.
бегают к созданию скрытого слоя р+-типа, а также к методу двухсторонней диффузии сверху и снизу (рис. 5.2). Кроме того, в качестве разделительного слоя может применяться сам коллекторный слой при использовании эпитаксиального слоя р-ти- па (см. рис. 5.3) — метод коллекторной разделительной диффузии. Этот метод несложен, однако при его применении важно строго контролировать толщину эпитаксиального слоя р-типа, служащего базой. На рис. 5.4 представлен метод изоляции эпитаксиальным слоем, сглаживающим лицевую поверхность: в подложке p-типа формируются глубокие канавки, далее в об»
ласти канавок проводится диффузия примеси п+-типа, после чего канавки заполняются путем эпитаксиального наращивания слоя п--типа. Данная технология реализуется непросто, но очень эффективна при формировании ИС с высокой электрической прочностью. Используя методы разделительной диффузии, ука-
Рис. 5.5. Изоляция локальным окислением — изопланар 1: 1—п+-скрытый слой; 2 — п-эпитаксиальный слой.Рис. 5.5. Изоляция локальным окислением — изопланар 1: 1—п+-скрытый слой; 2 — п-эпитаксиальный слой.
Рис. 5.5. Изоляция локальным окислением — изопланар 1: 1—п+-скрытый слой; 2 — п-эпитаксиальный слой.
Рис. 5.5. Изоляция локальным окислением — изопланар 1: 1—п+-скрытый слой; 2 — п-эпитаксиальный слой.
Травление Г1'у^'^*^
нремния г-Ь ь - п ооложла—, /Улисление
^алальнае расишре- лие^алальнае расишре- лиеРас. 5.6. Изоляция локальным окислением.Рас. 5.6. Изоляция локальным окислением.ллн?5 °ллн?5 °
^алальнае расишре- лие
^алальнае расишре- лие
Рас. 5.6. Изоляция локальным окислением.
Рас. 5.6. Изоляция локальным окислением.
ллн?5 °
ллн?5 °
занные выше, трудно повысить плотность интеграции. Емкости переходов и паразитные емкости в этом случае довольно значительны; поэтому при повышении плотности интеграции элементов, быстродействия схемы и уменьшении потребления энергии возникают ограничения. Для преодоления этих ограничений разработана технология, использующая диэлектрическую изоляцию. Примером реализации этой технологии является метод локального окисления, показанный на рис. 5.5 и 5.6 (см. разд. 4.5.5). В этом методе используется тот факт, что SijN. почти не окисляется. Как видно из рис. 5.6, на участке формирования разделительной области вскрывается слой SijN^ далее проводится окисление и на указанном участке наращивается толстый окисный слой.
Описанный метод позволяет сглаживать ■ лицевую поверхность, обеспечивает возможность самосовмещения элементов структуры и поэтому является основным методом взаимной изоляции элементов в современной не только биполярной, но и МОП-технологии. Он называется методом локального окисления, копланарным методом, а в биполярной технологии называ-
Рис. 5.7. Структура с эмиттерной стенкой (а); структура с базовой стенкой (б),
р- по5лолн?нар- по5лолн?на8 Е С8 Е СРис. 5.8. Изоляция V-образными канавками: 1 — поликремний; 2 — п-эпитак- сиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.Рис. 5.8. Изоляция V-образными канавками: 1 — поликремний; 2 — п-эпитак- сиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.ется изопланар. На рис. 5.6 угол 6 равен примерно 45° при ориентации подложки (10 0). Правда, при использовании этого метода, как показано в правом нижнем углу рис. 5.6, возникают краевые искажения окисного слоя в форме птичьего клюва, что
р- по5лолн?на
р- по5лолн?на
8 Е С
8 Е С
Рис. 5.8. Изоляция V-образными канавками: 1 — поликремний; 2 — п-эпитак- сиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.
Рис. 5.8. Изоляция V-образными канавками: 1 — поликремний; 2 — п-эпитак- сиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.
54Лллтиашл-
^яйпрдерв- Н0Сти(/О0)
приводит к неэффективным затратам площади и является проблемой при создании СБИС (будут рассмотрены позже). Кроме того, необходимо учитывать, что длительное окисление приводит к появлению дефектов и перераспределению примесей.
При изопланарной технологии площадь элементов примерно в два раза меньше, чем при изоляции рп-переходом. К тому же в таких конструкциях для уменьшения паразитных емкостей используются структуры, в которых разделительный слой прямо примыкает к эмиттеру (рис. 5.7, а) или к базе (рис. 5.7,6). Такие структуры называются структурами с эмиттерной и базовой стенками соответственно.
Известны также конструкции, в которых в подложке формируются глубокие канавки, поверхность канавок покрывается тонким изолирующим слоем и затем они заполняются высокоомным поликристаллическим Si. Эта технология тоже относится к методу взаимной изоляции диэлектрическими разделительны-
ми областями. На рис. 5.8 показана конструкция с изоляцией V-образными канавками, образуемыми в процессе анизотропного травления. Это накладывает определенные ограничения на ориентацию подложки, связанную с наклоном стенок канавки. Использование V-образных канавок повышает плотность интеграции и электрическую прочность схемы. При использовании:
Рис. 5.9. Изоляция U-образными канавками (а) и обычная изоляция окис- лом (б): 1—поликремний; 2— п-эпитаксиальный слой; 3 — п+-скрытый слой; 4 — п+-скрытый слой; 5 — n-эпитаксиальный слой.
реактивного ионного травления (см. разд. 4.10) можно получить- U-образные канавки. Как показано на рис. 5.9, изоляция U-образными канавками уменьшает площадь разделительного эле-
Рис. 5.10. Основная структура ТТЛ с диодом Шоттки: 1 — диод Шоттки (А1 или Pt Sis); 2 — омический контакт (А1 или PtSis); 3 — п+-скрытый слой.
мента примерно в 7 раз по сравнению с методом изоляции локальным окислением.
Рассмотрим примеры применения этих методов изоляции; в биполярных ИС и прежде всего в биполярных логических схемах ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики) с изоляцией рп-переходом. В ТТЛ-схемах с диодом Шоттки встроен диод Шоттки (рис. 5.10). В контакте Шоттки, вообще говоря, применяется А1, но использование Р151г предпочтительнее из технологических соображений. Самым последним примером изоляции двусторонней диффузией является усовершенствованный процесс самосовмещения с применением нитрида, изображенный* на рис. 5.11. Он основан на использовании биполярной технологии. На рисунке показано поперечное сечение структуры БИС для широкого применения в цифро-аналоговых смешанных схемах. Горизонтальные прп- и вертикальные рпр-транзисторьг
взаимно изолированы. Вместо диффузионных слоев в качестве разводки использованы слои из поликристаллического Si и двухслойная металлическая разводка. При проектных нормах 2 мкм
п-карманп-карманРис. 5.11. Биполярная БИС (изоляция рп-переходом с двусторонней диффузией; техника совмещения с применением SisN^: 1—поликремний; 2 — 2-ой «слой разводки к электродам базы, эмиттера, коллектора; 3 — полиимидный изолирующий слой; 4—1-й слой разводки к электродам; 5 — коллектор; 6 — база; 7 — эмиттер.Рис. 5.11. Биполярная БИС (изоляция рп-переходом с двусторонней диффузией; техника совмещения с применением SisN^: 1—поликремний; 2 — 2-ой «слой разводки к электродам базы, эмиттера, коллектора; 3 — полиимидный изолирующий слой; 4—1-й слой разводки к электродам; 5 — коллектор; 6 — база; 7 — эмиттер.
п-карман
п-карман
Рис. 5.11. Биполярная БИС (изоляция рп-переходом с двусторонней диффузией; техника совмещения с применением SisN^: 1—поликремний; 2 — 2-ой «слой разводки к электродам базы, эмиттера, коллектора; 3 — полиимидный изолирующий слой; 4—1-й слой разводки к электродам; 5 — коллектор; 6 — база; 7 — эмиттер.
Рис. 5.11. Биполярная БИС (изоляция рп-переходом с двусторонней диффузией; техника совмещения с применением SisN^: 1—поликремний; 2 — 2-ой «слой разводки к электродам базы, эмиттера, коллектора; 3 — полиимидный изолирующий слой; 4—1-й слой разводки к электродам; 5 — коллектор; 6 — база; 7 — эмиттер.
этим методом реализуются И2Л-логика на переключателях тока, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и синтезаторы с контуром автоподстройки.
0,5 0,3 мкм
(Рис. 5.12. Структура транзистора SST(Si bipolar super self-alighed process 'technology): 1— n+-поликремний; 2 —р+-поликремний.
На рис. 5.12 показана конструкция транзистора для сверхскоростных ЭСЛ-схем, использующая метод локального окисления в базовой области. Межсоединения выполнены из поликристаллического Si п+- и р+-типа. При изготовлении применяется всего 1 фотошаблон, эмиттер и база формируются методом са- мосовмещения (ширина эмиттерной области 0,5 мкм, зазор между эмиттером и базой составляет 0,3 мкм), реализовано -сверхбыстродействие схемы — время задержки при распространении сигнала составляет 42 пс/вентиль (при потреблении энергии 0,5 мВт). По этой технологии изготовлены образцы ЭСЛ- (вентильной матрицы с 2500 вентилями и задержкой 80 пс/вен-
инжекторинжекторВ CjВ Cj
инжектор
инжектор
В Cj
В Cj
тиль (при потреблении энергии 2,6 мВт/вентиль). Кроме того, изготовлены образцы статического ЗУПВ на 16К бит с шириной* эмиттера 1 мкм и микропроцессора на 32 бит, с почти такой же конструкцией. На рис. 5.9 показан пример метода изоляцию U-образными разделяющими канавками, также доказавшего*
.Мульти*
Инжектор о а за коллекторI в С, Сг
п-подложка
Рис. 5.13. Основная структура И2Л: 1 —n-эпитаксиальный слой.
свою эффективность. По этому методу изготовлены ЭСЛ ЗУПВ с шириной эмиттера 1,2 мкм и временем выборки 10 нс.
Широко применяются И2Л-технология (интегральная инжекционная логика) и MTL (инжекционная транзисторная логика)-технология. Эти технологии не требуют взаимной изоляцию элементов, используют несложные технологические процессы ж
Рис. 5.14. И2Л-структура с базовой стенкой с боковым контактом: 1 —легированный поликремний.
р-лоВложка
обеспечивают возможность высокой интеграции элементов. Пример основной конструкции, создаваемой по технологии И2Л,. приведен на рис. 5.13. И2Л-схемы редко применяются отдельно, а при их совмещении с другими видами схем возникает необходимость взаимной изоляции. Кроме того, этой технологии свойственны такие недостатки, как невысокое быстродействие и ограниченная плотность расположения элементов. Известно* множество разработок, направленных на улучшение И2Л-тех- нологии.
На рис. 5.14 показана конструкция с самосовмещением с базовой изолирующей стенкой, в которую встроен слой поликри- сталлического Si р+-типа, окруженный изолирующим слоем. В этой структуре уменьшена плавающая емкость (емкость база — коллектор в этой структуре сокращается примерно в 4 раза по сравнению с обычной структурой с теми же размерами: эмиттера), повышено быстродействие; поэтому данная технология, хотя и включает большое число различных процессов,, зато может быть использована для повышения степени интегра-
ции и быстродействия ИС. По этой технологии с проектными ! нормами 2 мкм были изготовлены образцы схем, совмещающих ЭСЛ- и И2Л-структуры со следующими параметрами И2Л-части схемы: инжекционный ток 8 мА/вентиль, минимальное время задержки 320 пс/вентиль.
В заключение на рис. 5.4 приведен практический пример применения метода взаимной изоляции со скрытым эпитаксиальным слоем. Толщина скрытого эпитаксиального слоя 20 мкм, электрическая прочность схемы 100 В. Как видно из рисунка, с целью устранения концентрации электрического поля на участках искривлений рп-перехода вблизи лицевой поверхности в структуре формируется полевая пластина из поликристалли- •ческого Si. Подключение к ней отрицательного смещения позволяет повысить электрическую прочность переходов BVcbo и BVceo до 270 В. Этот метод чрезвычайно широко используется в ИС с высокой электрической прочностью.
Смешанные монолитные ИС на биполярных и МОП-структурах
Биполярные ИС обеспечивают высокоточное преобразование аналоговых величин и обладают большими управляющими токами. КМОП-схемы имеют высокую степень интеграции, низкую потребляемую энергию, управляются напряжением и эффективно использутся в запоминающих устройствах. В настоящее вре-
Рис. 5.15. КМОП-структура с биполярными п-карманами: 1—п-карман; 2 — р-эпитаксиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.
мя активно развивается технология, позволяющая интегрально объединять биполярные и КМОП-схемы в одном кристалле и таким образом создавать схемы с функциональными способностями и техническими параметрами, обеспечить которые, используя структуры одного вида, очень трудно. На рис. 5.15 и 5.16 приведены примеры интеграции И2Л-структур и КМОП- структур с кремниевым затвором, изготовленных с проектными
5 D S И BE С5 D S И BE Снормами 3 мкм. Указанные схемы могут быть использованы в устройствах обработки изображений, устройствах обработки звуковых сигналов и в БИС устройств связи.
5 D S И BE С
5 D S И BE С
п-канальныи р-канальнь/и. лрп-транзистор
МОП-транзистор МОП-транзистор
Рис, 5.16. КМОП-структура с биполярными р-карманами: 1 —р-карман; 2 — n-эпитаксиальный слой; 3 — п+-скрытый слой.
Структуры МОП ИС
Логические схемы МОП-типа с Al-затвором используются в настоящее время широко. Однако с 1970 г. основным направлением стали схемы МОП-типа с кремниевым затвором. Причем
электрической прочностьюэлектрической прочностьюФССSt 0^ФССSt 0^ИтонИтонAl ИстокAl Истокп+(р+)и+(р+)р 1пулоОлозм,нап+(р+)и+(р+)р 1пулоОлозм,наза исключением схем с высокой
электрической прочностью
электрической прочностью
ФСС
St 0^
ФСС
St 0^
Итон
Итон
Al Исток
Al Исток
п+(р+)и+(р+)
р 1пулоОлозм,на
п+(р+)и+(р+)
р 1пулоОлозм,на
Рис. 5.17. Основная структура МОП- транзистора с n-каналом (р-каналом): 1 — затвор из поликремния.
главным образом используются n-канальные МОП ИС. Кроме того, в последние годы активно разрабатываются КМОП ИС.
Основные конструкции п- и р-канальных МОП ИС с само- совмещением, с кремниевым затвором, изготовленные методом локального окисления (рис. 5.6), показаны на рис. 5.17. Для управления величиной порогового напряжения Кт использован метод ионной имплантации. Как видно из рис. 5.18, известны три основных метода взаимной изоляции элементов, применяемые в п- и р-канальных МОП полевых транзисторов. В случае использования МОП-схем с элементами, сформированными в n-карманах и р-карманах, например в периферийных цепях запоминающих устройств соответствующие ячейки ■ памяти разделяются на п- и р-канальные соответственно. На основе общих соображений невозможно сказать, какие из них лучше. В последнее время рассматривается также конструкция с двумя карманами, изображенная на рис. 5.18, в. В конструкциях с одним карманом концентрация легирующей примеси в кармане на порядок выше, чем в подложке. В конструкции с двумя карманами, оптимизируя концентрацию примеси в n-типа или
p-типа канале, можно повысить быстродействие схемы. Это, однако, приводит к увеличению числа этапов технологического процесса.
В КМОП-схемах наблюдается эффект, называемый «защелкиванием», который приносит достаточно много неприятностей.
р-нанальный п-канальныйМОП-транзистор МОП-транзистор\ п-карман/р-поОложна 'р-нанальный п-канальныйМОП-транзистор МОП-транзистор\ п-карман/р-поОложна 'сьр - канальный п-каналъный МОП- транзистор МОП-транзисторi ^ ^ \^ ^Г^)р-карман\'п- пойложка /сьр - канальный п-каналъный МОП- транзистор МОП-транзисторi ^ ^ \^ ^Г^)р-карман\'п- пойложка /п-карманп-карманр-карманр-карманр- лойложкар- лойложка66
р-нанальный п-канальный
МОП-транзистор МОП-транзистор
\ п-карман
/р-поОложна '
р-нанальный п-канальный
МОП-транзистор МОП-транзистор
\ п-карман
/р-поОложна '
сь
р - канальный п-каналъный МОП- транзистор МОП-транзистор
i ^ ^ \^ ^Г^
)р-карман\
'п- пойложка /
сь
р - канальный п-каналъный МОП- транзистор МОП-транзистор
i ^ ^ \^ ^Г^
)р-карман\
'п- пойложка /
п-карман
п-карман
р-карман
р-карман
р- лойложка
р- лойложка
6
6
Рис. 5.18. Основная КМОП-структура. Изоляция: а — п-карманом; б —р-кар- маном; в — п- и р-карманами.
Из рис. 5.19 видно, что между клеммой полюса источника Vdd и заземленной клеммой Vss образуется паразитный рпрп-ти- ристор. Если ток 1с превысит некоторую величину, этот тиристор переходит во включенное состояние, пропуская большой
Рис. 5.19. Структура КМОП с «защелкиванием»: 1 —ограничитель; 2 — р-кар- ман.Рис. 5.19. Структура КМОП с «защелкиванием»: 1 —ограничитель; 2 — р-кар- ман.
Рис. 5.19. Структура КМОП с «защелкиванием»: 1 —ограничитель; 2 — р-кар- ман.
Рис. 5.19. Структура КМОП с «защелкиванием»: 1 —ограничитель; 2 — р-кар- ман.
ток. Вывести схему из этого состояния уже невозможно. Для устранения эффекта «защелкивания» с успехом используется метод снижения сопротивления подложки 7?$ив и сопротивления кармана /?well и вследствие этого уменьшения /с- Для реализации этих условий применяется структура эпитаксиальный слой п“-типа/высоколегированная подложка п+-типа. Эффект «защелкивания» имеет место всегда, так как его нельзя исключить полностью в традиционных КМОП-структурах. Особенно большое
значение этот эффект имеет при значительном уменьшении размеров элементов КМОП ИС. В последнее время структуры эпитаксиальный слой/подложка стали применяться чаще.
Технология взаимной изоляции элементов методом локального окисления при использовании конструкций со сверхмалыми размерами элементов (1 мкм) и сверхвысокой плотностью их размещения неэффективна ввиду потерь площади на краевых искажениях типа «птичий клюв». По этой причине проводятся
а.а.55
а.
а.
5
5
Рис. 5.20. Метод изоляции STOMI: а—локальное реактивно-ионное травление газофазного эпитаксиального SiO21 S13N4, SiO2, анизотропное травление кремниевой подложки в щелочи; б — термическое окисление SiO2, осаждение Si8N4 по всей поверхности, осаждение газофазного эпитаксиального SiO2-2; в — реактивно-ионное травление газофазного эпитаксиального SiO2-2, при котором боковые стенки служат маской; г — травление газофазного эпитаксиального SiO2-l, 2; д — локальное окисление; е — удаление SisN^l, 2, удаление SiO2-l; 1 и 2 — соответственно первый и второй слой газофазного эпитаксиального SiO2.
исследования новой технологии взаимной изоляции элементов, в некотором отношении превосходящей технологию локального окисления. При этом имеется в виду технология со сглаживанием лицевой поверхности. На рис. 5.20 представлен метод STOMI (stacked oxide SWAMI (side wall masked isolation) — технологический метод анизотропного плазменного травления кремния и прилегающего окисла, а на рис. 5.21 — BOX (buried oxide) — метод скрытого окисла. Эти методы используют довольно сложные технологические процессы, но зато они соответствуют требованиям, предъявляемым к будущей технологии.
К методам улучшения взаимной изоляции при полном исключении эффекта защелкивания в КМОП-структуре относятся методы, использующие изолирующую подложку. В одном из таких методов на сапфировую подложку наносится эпитакси-
альный слой Si — это КНС-технология (см. раздел 4.4.3). В конструкциях, подобных изображенной на рис. 5.22, нет необходимости использовать карманы для взаимной изоляции элементов. Данная структура имеет тот недостаток, что из-за дефектов на границе раздела кремний — сапфир возникают (хотя и неболь-
SiO?SiO?Рис. 5.21. Метод изоляции BOX: а — реактивно-ионное травление кремниевой подложки, формирование рисунка; б — осаждение SiO2 плазменной газофазной эпитаксией; в — травление газофазного эпитаксиального SiO2; г — удаление А1 (обратная или взрывная литография); д — осаждение газофазного эпитаксиального SiO2, нанесение фоторезиста; е — травление, выравнивающее поверхность: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2.Рис. 5.21. Метод изоляции BOX: а — реактивно-ионное травление кремниевой подложки, формирование рисунка; б — осаждение SiO2 плазменной газофазной эпитаксией; в — травление газофазного эпитаксиального SiO2; г — удаление А1 (обратная или взрывная литография); д — осаждение газофазного эпитаксиального SiO2, нанесение фоторезиста; е — травление, выравнивающее поверхность: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2.вв
SiO?
SiO?
Рис. 5.21. Метод изоляции BOX: а — реактивно-ионное травление кремниевой подложки, формирование рисунка; б — осаждение SiO2 плазменной газофазной эпитаксией; в — травление газофазного эпитаксиального SiO2; г — удаление А1 (обратная или взрывная литография); д — осаждение газофазного эпитаксиального SiO2, нанесение фоторезиста; е — травление, выравнивающее поверхность: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2.
Рис. 5.21. Метод изоляции BOX: а — реактивно-ионное травление кремниевой подложки, формирование рисунка; б — осаждение SiO2 плазменной газофазной эпитаксией; в — травление газофазного эпитаксиального SiO2; г — удаление А1 (обратная или взрывная литография); д — осаждение газофазного эпитаксиального SiO2, нанесение фоторезиста; е — травление, выравнивающее поверхность: 1 — газофазный эпитаксиальный SiO2.
в
в
шие) токи утечки. Использование изолирующей подложки позволяет почти полностью устранить паразитные емкости и при том же энергопотреблении, что и в структуре объемного типа,
Рис. 5.22. Структура КМОП КНС: 1 — островки эпитаксиального кремния.
в два раза повысить быстродействие. По отношению к объемному материалу подвижность электронов в этом случае составляет лишь 70%. Однако при уменьшении размеров электрическое поле в области стока возрастает и скорость дрейфа носителей выходит на насыщение, поэтому эффект снижения подвижности уже не играет определяющей роли. Особенность КНС-техноло- гии заключается в использовании изолирующей подложки. В настоящее время МОП-структуры пока не являются главным направлением применения КНС-технологии, однако на ее основе были созданы вентильные матрицы с 8-103 вентилей и временем задержки 0,9 нс/вентиль.
Подобные результаты получены и на объемных структурах. На рис. 5.23 показан SIMOX-метод (separation implanted oxy-
gen — разделение элементов имплантированным кислородом), а на рис. 5.24 — FIPOS-метод (fill isolation by porous oxidized silicon — полная изоляция пористой двуокисью кремния). В этих конструкциях непосредственно под областью формирования элемента создается скрытый слой окисла кремния. В SIMOX-методе проводится глубокая имплантация ионов О4* с энергией 150 кэВ (/?Р = 0,38 мкм), не нарушающая кристалличности в приповерхностном слое подложки, в результате чего на глубине 0,21 мкм создается скрытый окисный слой. При от-
Рис. 5.23. КМОП/S 1МОХ-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — скрытый окисел кремния; 3 — локальное окисление.Рис. 5.23. КМОП/S 1МОХ-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — скрытый окисел кремния; 3 — локальное окисление.р"- подложкар"- подложкаРис. 5.24. KMOn/FIPOS-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — пористый окисел кремния.Рис. 5.24. KMOn/FIPOS-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — пористый окисел кремния.
Рис. 5.23. КМОП/S 1МОХ-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — скрытый окисел кремния; 3 — локальное окисление.
Рис. 5.23. КМОП/S 1МОХ-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — скрытый окисел кремния; 3 — локальное окисление.
р"- подложка
р"- подложка
Рис. 5.24. KMOn/FIPOS-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — пористый окисел кремния.
Рис. 5.24. KMOn/FIPOS-метод: 1 — поликремниевый затвор; 2 — пористый окисел кремния.
жиге с температурой 1100 °C в результате твердофазной эпитаксии производится улучшение кристаллических свойств приповерхностного слоя. Затем проводится процесс эпитаксиального наращивания слоя на лицевой поверхности.
В FIPOS-методе в слое 51зМ4 формируется определенный рисунок и через вскрытые в нем окна проводится имплантация ионов В+. Далее через слой Si3N4 имплантируются протоны, в результате чего в прилегающих снизу областях создается проводимость n-типа. Путем обработки в HF области р+-типа снизу подвергаются анодному окислению, так что в кремнии в горизонтальном и вертикальном направлениях развивается процесс образования пористого окисла и остаются изолированные монокристаллические островки p-типа. Технологический процесс сложен и имеет определенные ограничения, однако с использованием FIPOS-метода удалось изготовить опытные образцы статического ЗУПВ емкостью 1 и 16К бит.
Метод, в котором слой монокристаллического кремния наносится на поверхность ЗЮг, может заменить КНС-техно- логию. Этот метод называется КНИ — кремний-на-изоляторе. КНИ-технология активно исследуется, так как может служить основой для создания трехмерных ИС. Изучаются также методы формирования структур «поликристаллический Si-т-аморф- ный Si/окисный слой» с последующей рекристаллизацией кремниевого слоя, а также методы с последовательной рекристаллизацией лазерным или электронным лучом. В этом методе аморфный кремний на определенном участке контактирует с ли-
девой поверхностью монокристаллической кремниевой подлож- ки, что создает затравку при рекристаллизации. На рис. 5.25 показана структура КМОП, образованная методом рекристаллизации лазерным пучком. Таким образом изготовлены опытные образцы вентильных матриц, содержащих 1100 вентильных элементов, с характеристиками, не уступающими объемным КМОП.
Рис. 5.26. КМОП/КНИ. Слой SiO2 толщиной 100 нм, W/L транзистора— = 100/50 мкм: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния; 2 — общий затвор.Рис. 5.26. КМОП/КНИ. Слой SiO2 толщиной 100 нм, W/L транзистора— = 100/50 мкм: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния; 2 — общий затвор.На рис. 5.26 приведен пример КМОП-схемы с общим затвором, изготовленной методом лазерной рекристаллизации и со-
Рис. 5.26. КМОП/КНИ. Слой SiO2 толщиной 100 нм, W/L транзистора— = 100/50 мкм: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния; 2 — общий затвор.
Рис. 5.26. КМОП/КНИ. Слой SiO2 толщиной 100 нм, W/L транзистора— = 100/50 мкм: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния; 2 — общий затвор.
Рис. 5.25. Структура КМОП КНИ: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния (толщ. 0,5 мкм); 2— окисленный слой кремния.Рис. 5.25. Структура КМОП КНИ: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния (толщ. 0,5 мкм); 2— окисленный слой кремния.5 В SB
Рис. 5.25. Структура КМОП КНИ: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния (толщ. 0,5 мкм); 2— окисленный слой кремния.
Рис. 5.25. Структура КМОП КНИ: 1 — рекристаллизованный лазерной обработкой слой кремния (толщ. 0,5 мкм); 2— окисленный слой кремния.
1•г
держащей р-канальные и п-канальные элементы, сформированные один над другим. КНИ-методом можно получать многослойные структуры с числом слоев больше 3, относящиеся уже к трехмерным ИС.
Структуры МОП СБИС
Уменьшение размеров транзисторов при одновременном повышении их параметров называется принципом масштабирования (пропорционального уменьшения размеров элементов ИС). В табл. 5.1,а через % (коэффициент масштабирования размеров элементов) и через К (коэффициент масштабирования напряжения) выражены основные параметры элемента, а в табл. 5.1,6 — через X и К—выражены основные параметры схемы при масштабировании по размеру в (1/%) раз и по напряжению в (1/К) раз. Например, при сокращении длины канала от 1,5 мкм до 0,75 мкм (Х=2) напряжение стока Ко меняется от 5 В до 3 В (К=1,7), а произведение потребляемой энергии на суммарное время задержки распространения сигнала для схемы составляет 1/5,5. Таким образом, сокращение размеров элементов улучшает характеристики схемы. В этом состоит основа развития СБИС путем уменьшения размеров элементов.
Правила масштабирования МОП-транзисторов а. Масштабирование параметров приборов
Таблица 5.1
Параметр
Коэффициент масштабирования
Длина канала L
Ширина канала W
Толщина окисного слоя dox
Глубина диффузии *j
Концентрация примеси в подложке N
Напряжение VD, Ут, Vg
1/Х
1/Х
1/Х
1/Х
VJK
ПК
А: коэффициент масштабирования размеров.
К: коэффициент масштабирования напряжения. Другие обозначения представлены в разделе 3.3.
б. Масштабирование параметров схем
Параметр
Коэффициент масштабирования
Напряжение поля £
Ток /о
Емкость C=eSlt
Время задержки на схему VdCg//d=^
Потребление энергии на схему VdId
Произведение энергопотребления на время задержки на схему IoVoid
Время отклика (постоянная времени) RC Плотность тока IdIS
мк
W
1/Х
КД2 Шй ЦХК2
XW
С другой стороны, сокращение размеров элементов при разработке СБИС создает новые разнообразные проблемы. Например: 1) эффект короткого канала (см. разд. 3.3.4), 2) эффект
Рис. 5.27. МОП-транзистор с LDD- структурой: 1 — поликремниевый затвор; SiOi — газофазный эпитаксиальный слой окисла кремния.
горячих электронов (см. разд. 3.3), 3) эффект повреждения за счет ионного соударения носителей в окрестности стока, 4) эффект фотогенерации электронов в окрестности стока, 5) эффект нарушения изоляции между истоком и стоком, 6) эффект смыкания областей истока и стока, 7) задержка распространения сигнала из-за увеличения сопротивления стока, 8) в устройствах с сохранением заряда в течение определенного времени
/ЗУ, датчики изображения и др.) увеличивается влияние случайных сбоев в результате электронно-дырочной генерации при излучении от корпуса схемы. Все эти отрицательные эффекты начинают проявляться при длине канала до 2 мкм, а при длине менее 1 мкм требуются^ специальные меры для их устранения.
Рис. 5.28. MLD-(metal-coated lightly doped drain) структура. (Области истока и стока содержат глубокий слой п~-типа и мелкий слой п+-типа, образуя наклонные переходы), 1 — локально окисленный SiOi.
Эффекты 1—7 связаны с полем стока и концентрацией примеси в области канала.
77Для снижения поля стока используется конструкция, изображенная на рис. 5.27. Она имеет двойные стоковые области п~, п+ и носит название слабо легированного стока LDD (lightly- doped drain). Переход n-/n+, образуемый п~- и п+-областями, расширяется вниз до ширины области п+ и называется наклонным переходом (см. рис. 5.27 и 5.28). Пример конструкции с ло-
7
7
Рис. 5.29. Структура с областью стока с р+-карманом: 1—прослойка SiO2, полученного газофазной эпитаксией;
2 — подзатворный окисный слой.
кально сформированным карманом р+-типа для предотвращения эффекта смыкания приведен на рис. 5.29. Были изготовлены опытные образцы схем с такой конструкцией.
При уменьшении глубины залегания перехода и сокращении размеров элементов становится невозможным не учитывать сопротивление стока. Для уменьшения его отрицательного влияния разрабатывается технология нанесения тугоплавких металлов и силицидов металлов на поверхность затвора, а также поверх областей истока и стока. Примеры таких конструкций приведены на рис. 5.28.
Применение МОП СБИС
На основе описанных технологических процессов и конструкций разрабатываются и изготавливаются многочисленные МОП БИС. Рассмотрим примеры их применения. В области логических схем это многочисленные устройства от стандартных микропроцессоров до полузаказных вентильных матриц, стандартных логических устройств и заказных схем. Быстро растет число схем, изготовленных по КМОП-технологии. Основные кон-
Разводка
Однослойная разводка
Двухслойная разводка
Число битов микрокомпьютера
* Площадь кристалла, ММ2
Удельная площадь разводки, %
Удельная площадь элементов, %
Удельная площадь разводки, %
Удельная площадь элементов, %
Коэффициент сокращения площади кристалла, %
Таблица 5.2
8 16
32
25
36
49
—27
—30
-32
Эффект многослойной металлической разводки.Эффект многослойной металлической разводки.2560134533541741404920372560134533541741404920371/2 f f~—3/4|1/2 f f~—3/4|Рис. 5.30. Фотоэлектрический пере- Рис. 5.31. ПЗС с переносом кадра с ключающий МОП-транзистор.вводом света через тыльную сторонуструктуры: 1 — поликремний.Рис. 5.30. Фотоэлектрический пере- Рис. 5.31. ПЗС с переносом кадра с ключающий МОП-транзистор.вводом света через тыльную сторонуструктуры: 1 — поликремний.струкции таких схем аналогичны тем, что используются в запоминающих устройствах, которые будут рассмотрены далее, В логических устройствах встречается чрезвычайно много сигнальных шин, которые занимают значительную часть кристалла. По этой причине важную роль играет применение многослойных металлических (А1) разводок. В табл. 5.2 рассчитан
Эффект многослойной металлической разводки.
Эффект многослойной металлической разводки.
25
60
13
45
33
54
17
41
40
49
20
37
25
60
13
45
33
54
17
41
40
49
20
37
1/2 f f
~—3/4|
1/2 f f
~—3/4|
Рис. 5.30. Фотоэлектрический пере- Рис. 5.31. ПЗС с переносом кадра с ключающий МОП-транзистор.вводом света через тыльную сторону
структуры: 1 — поликремний.
Рис. 5.30. Фотоэлектрический пере- Рис. 5.31. ПЗС с переносом кадра с ключающий МОП-транзистор.вводом света через тыльную сторону
структуры: 1 — поликремний.
эффект двухслойных разводок для гипотетических микропроцессоров на 8, 16 и 32 бит. В вентильных матрицах уже опробованы на практике трехслойные разводки. Переход от двухслойных разводок к трехслойным позволяет в вентильной матрице, содержащей ЮК бит вентилей, сократить площадь примерно на 40%.
Очень быстро развиваются также аналоговые БИС МОП-ти- па, применяемые, как это уже указывалось, в передающих элементах. Передающие элементы МОП-типа (рис. 5.30) и передающие элементы на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью) (рис. 5.31) уже нашли практическое применение. Однако для малогабаритных видеокамер и электронных фотокамер необходимы элементы с высоким разрешением. Передающие
элементы обеспечивают высокую чувствительность, низкое число повреждений, слабое остаточное изображение и незначительное расплывание изображения. При их изготовлении требуется
^8,5мт^^8,5мт^
^8,5мт^
^8,5мт^
Рис. 5.32. Структура элемента изображения ПЗС-типа с фоточувствительными областями из аморфного кремния (передающее ТВ-устройство содержит 400 тысяч таких элементов): 1 —a-SiC : Н(р); 2 —ITO (прозрачный электрод на основе окислов индия и олова); 3—aSiC;H(i); 4 — полиимид; 5 — поликремний; 6 — a-Si;H(i); 7 — первый слой алюминия; 8 — второй слой алюминия.
применение более высокоточной технологии по сравнению с той, что используется в ЗУ.
На рис. 5.32 представлена конструкция передающего элемента ПЗС-типа, спроектированного по 1,2 мкм-нормам. По СБИС- технологии изготовлено передающее устройство с повышенной
п- МОПп-МОП5ипррярнь/й при - тран^
3 ист ар р*♦8 Е
(51 - поЗлажна р-типа
Рис. 5.33. Объединение КМОП с п-карманами и прп-биполярной ИС: 1 — п-кар- ман.
фоточувствительностью, содержащее 400 тысяч указанных элементов передачи изображения, с фотопроводниковым слоем на основе высокоомного аморфного Si. В дальнейшем предполагается разработка устройства, содержащего 106 элементов изображения.
Запоминающие устройства подразделяются на следующие группы: статические запоминающие устройства с произвольной выборкой (статические ЗУПВ), электрически программируемые постоянные запоминающие устройства со стиранием информации УФ-облучением (СППЗУ), электрически программируемые и электрически стираемые постоянные запоминающие устрой-
ства (ЭСППЗУ), постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), динамические запоминающие устройства с произвольной выборкой (динамические ЗУПВ). Все указанные виды ЗУ в настоя-
управая юший затворrhуправая юший затворrhПлавающий затворПлавающий затворУправляющий затворУправляющий затворПлавающий затворПлавающий затвор
управая юший затвор
rh
управая юший затвор
rh
Плавающий затвор
Плавающий затвор
Управляющий затвор
Управляющий затвор
Плавающий затвор
Плавающий затвор
Рис. 5.34. Структура n-канальных транзисторов, служащих запоминающими элементами ППЗУ.
щее время быстро развиваются. Рассмотрим конструкции и основные особенности запоминающих устройств.
Статические ЗУ на основе КМОП-структур отличаются чрезвычайно малым потреблением энергии в период между пере-
Рис. 5.35. Вид в плане и структура транзисторов, служащих элементами памяти ЭСППЗУ объемом 256 К бит: 1 —стирающий затвор; 2 — управляющий затвор; 3 — плавающий затвор; 4 — транзистор.Рис. 5.35. Вид в плане и структура транзисторов, служащих элементами памяти ЭСППЗУ объемом 256 К бит: 1 —стирающий затвор; 2 — управляющий затвор; 3 — плавающий затвор; 4 — транзистор.
Рис. 5.35. Вид в плане и структура транзисторов, служащих элементами памяти ЭСППЗУ объемом 256 К бит: 1 —стирающий затвор; 2 — управляющий затвор; 3 — плавающий затвор; 4 — транзистор.
Рис. 5.35. Вид в плане и структура транзисторов, служащих элементами памяти ЭСППЗУ объемом 256 К бит: 1 —стирающий затвор; 2 — управляющий затвор; 3 — плавающий затвор; 4 — транзистор.
ключениями. Для снижения стоимости статических ЗУ в конструкции элемента ЗУ в качестве нагрузочного сопротивления используют высокоомный поликристаллический Si и образуемая структура элемента становится «двухэтажной». Такие ЗУ уже применяются на практике. В настоящее время среди таких устройств наименьшее время выборки 17нс имеет ЗУ с КМОП- структурой с двумя карманами. Оно изготовлено по 1,5 мкм- нормам проектирования и оснащено усилителем считывания.
Указанное значение времени выборки 17нс приближается к величинам, свойственным биполярным ЭСЛ статических ЗУПВ. Привлекает внимание новый вид биполярного статического ЗУПВ с усилителем считывания (рис. 5.33).
Шина слов
Рис. 5.36. Трехмерная структура, используемая в КМОП ЭСППЗУ объемом 256 К бит. Содержит р-канальный МОП-транзистор на поликремнии и элемент памяти: 1 — запоминающий транзистор.Рис. 5.36. Трехмерная структура, используемая в КМОП ЭСППЗУ объемом 256 К бит. Содержит р-канальный МОП-транзистор на поликремнии и элемент памяти: 1 — запоминающий транзистор.Шина Шинаваннь/т словШина Шинаваннь/т словРис. 5.37. Конструкция стандартного элемента динамического ЗУ.Рис. 5.37. Конструкция стандартного элемента динамического ЗУ.
Рис. 5.36. Трехмерная структура, используемая в КМОП ЭСППЗУ объемом 256 К бит. Содержит р-канальный МОП-транзистор на поликремнии и элемент памяти: 1 — запоминающий транзистор.
Рис. 5.36. Трехмерная структура, используемая в КМОП ЭСППЗУ объемом 256 К бит. Содержит р-канальный МОП-транзистор на поликремнии и элемент памяти: 1 — запоминающий транзистор.
Шина Шинаваннь/т слов
Шина Шинаваннь/т слов
Рис. 5.37. Конструкция стандартного элемента динамического ЗУ.
Рис. 5.37. Конструкция стандартного элемента динамического ЗУ.
СППЗУ имеют конструкцию, подобную представленной на рис. 5.34, и являются памятью на транзисторах. При записи информации горячие электроны, генерируемые в окрестности сто-
Рис. 5.38. Конструкция элемента на основе конденсатора в форме канавки: 1 — шина слов; 2 — шина данных (алюминий); 3 —- высокоомная область; 4 — поликремниевая плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора); 5 — область накопления заряда.Рис. 5.38. Конструкция элемента на основе конденсатора в форме канавки: 1 — шина слов; 2 — шина данных (алюминий); 3 —- высокоомная область; 4 — поликремниевая плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора); 5 — область накопления заряда.Рис. 5.39. Конструкция элемента на основе многослойного конденсатора: 1 — шина слов (первый слой поликремния); 2 — шина данных (А1); 3 — плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора, третий слой поликремния); 4 — область накопления заряда (второй слой поликремния); 5 — высокоомная область; 6 — сток; 7 — исток; 8 — второй слой поликремния.Рис. 5.39. Конструкция элемента на основе многослойного конденсатора: 1 — шина слов (первый слой поликремния); 2 — шина данных (А1); 3 — плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора, третий слой поликремния); 4 — область накопления заряда (второй слой поликремния); 5 — высокоомная область; 6 — сток; 7 — исток; 8 — второй слой поликремния.
Рис. 5.38. Конструкция элемента на основе конденсатора в форме канавки: 1 — шина слов; 2 — шина данных (алюминий); 3 —- высокоомная область; 4 — поликремниевая плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора); 5 — область накопления заряда.
Рис. 5.38. Конструкция элемента на основе конденсатора в форме канавки: 1 — шина слов; 2 — шина данных (алюминий); 3 —- высокоомная область; 4 — поликремниевая плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора); 5 — область накопления заряда.
Рис. 5.39. Конструкция элемента на основе многослойного конденсатора: 1 — шина слов (первый слой поликремния); 2 — шина данных (А1); 3 — плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора, третий слой поликремния); 4 — область накопления заряда (второй слой поликремния); 5 — высокоомная область; 6 — сток; 7 — исток; 8 — второй слой поликремния.
Рис. 5.39. Конструкция элемента на основе многослойного конденсатора: 1 — шина слов (первый слой поликремния); 2 — шина данных (А1); 3 — плоская ячейка (противостоящие электроды запоминающего конденсатора, третий слой поликремния); 4 — область накопления заряда (второй слой поликремния); 5 — высокоомная область; 6 — сток; 7 — исток; 8 — второй слой поликремния.
ка, проникают через окисный слой, накапливаясь в плавающем затворе. Это приводит к переключению транзистора в открытое состояние (величина заряда, накапливаемого плавающим затвором при записи, контролируется управляющим затвором). При
Таблица 5.3
Разработка динамических ЗУПВ МОП-типа
Число битов (К=Ю24)
1К бит
4К бит
16К бит
64К бит
256К бит*
1024К бит*
Год продажи
1970
1973
1976
1980
1983
1987
Затворный электрод
поли-Si
поли-Si
2 слоя поли-Si
2 слоя поли-Si
силицид металла
металл
Тип проводимости в канале (носители)
р (дырки)
п (электроны)
п (электроны)
п (электроны)
п (электроны)
п, р
Число элементов в ячейке памяти
3
3
2
2
2
2
Площадь ячейки памяти, мкм2
3000
1200
500
150
75
25
Толщина затворного окисла, нм
120,0
100,0
80,0
45,0
25,0
15,0
Эффективная длина канала, мкм
10
7,5
5
2,5
1,5
1,0
Глубина перехода, мкм
2,5
2
1,2
0,5
0,35
0,25
Ширина линии/зазор для поли-Si разводки, мкм
10/10
7,5/7,5
5/6
3/4
1,5/1,5
1,2/1,2
Ширина линии/зазор для Al-разводки, мкм
10/10
7,5/7,5
5/6
3/4
2/1,5
1,2/1,2
Контактный электрод, мкм
10X10
7,5 X 7,5
4X4
2,5 X 2,5
1,5X1,5
1 ,2X1,2
Площадь кристалла, мм2
11
16
20
25
45
60
Число элементов на кристалл
4 000
10 000
37 000
150 000
С00 000
2 200 000
Источник питания, В
—16, +з
12,5, —5
12,5, —5
5
5
3
* Согласно результатам прогнозирования в 1981 г.
Сравнение динамических ЗУ с объемом памяти 1 Мбит
Тосиба
Тосиба
Структура
(n-канальная МОП/КМОП)
Размер кристалла, мм2 Размер элемента, мкм2 Проектные нормы, мкм Структура запоминающего элемента
n-канальная МОП
4,78X13,23 (63,2)
5,0X6,4 (32,0)
1,2
Полностью скрытый конденсатор
КМОП
5,0X12,5 (62,5)
3,8X9,0 (34,2)
1,2
Прежняя конструкция
Св (емкость шины данных)
С$ (емкость элемента)
420
70=(6)
500
42-,121
шины данных
А1
Полицид
Материал“
шины слов
поли+Al
поли+Al
Толщина конденсатора, нм (потенциал плоской ячейки)
Время выборки, нс
10 (1/2 Усс) 70
12 (1/2 Усс) 56
Потребляемая энергия во время действия, мВт
270
250
время цикла, нс
260
190
Потребляемая энергия во время ожидания, мВт* Другие особенности
15
ВОХ-метод; схема страничного/полубай- тового обмена с эталонным кристаллом
1,5
Режим ускоренного постраничного запроса; режим статического считывания столбцов
стирании структура облучается УФ-светом через окно, предусмотренное в корпусе ЗУ, что вызывает эмиссию электронов из плавающего затвора. Этот принцип действия является общим для СППЗУ. В настоящее время уже разработаны СППЗУ с объемом памяти 1 Мбит.
В ЭСППЗУ происходит туннелирование носителей через тонкий окисный слой, причем в качестве элемента ЗУ были опробованы самые различные конструкции. На рис. 5.35 показана новая конструкция ЭСППЗУ на основе однотранзисторной ячейки. Рис. 5.35, а — топология ячейки, б, в — поперечные сечения структуры.
На рис. 5.36 представлена конструкция СППЗУ, имеющая ту особенность, что для программирования используется р- канальный МОП-транзистор со слоем поликристаллического Si поверх окисного слоя, в результате чего конструкция получается трехмерной. Данная структура не нуждается в формировании изо-
Таблица 5.4
Хитати
Хитати
Нихон дэнки
НИХОН ДЭНКИ
n-канальная МОП
4,67X9,86 (46,0)
КМОП
4,68X10,1 (47,3)
n-канальная МОП
8,07X9,4 (75,9)
n-канальная МОП
4,6 X 9,4 (43,2)
3,0X7,0 (21,0)
3,35X7,2 (24,12)
5,5X8,0 (44,0)
3,4 X 6,0 (20,4)
1,3
Элемент в форме
1,3
Элемент в форме
1,0
Прежняя конст
1,0
Элемент в форме
канавки 290
60-<4-8)
А1 W 15
90
800 260 10
Предусмотрен ре
канавки
(6)
А1
полицид
15
74
230
260
1,5
Режим статиче
рукция 700,
500"
А1 поли+А!
120
290
300
15
Байтовая органи
канавки 500 60 '"(8>
TiSis
TiSis
16
Усс 85
345
14
Пластмассовый
жим пониженного напряжения питания; структура с многими шинами данных
ского считывания столбцов
зация
корпус; полубай
товый контроль
лирующего кармана, имеет высокую электрическую прочность, занимает малую площадь на кристалле и обладает еще целым рядом преимуществ.
Динамические ЗУПВ представляют ведущее направление в технологии МОП БИС, поскольку используют самые новейшие конструкции элементов, технологические процессы и методы проектирования. В табл. 5.3 приведены различные данные по конструкции и размерам ее элементов для целого ряда динамических ЗУПВ с объемом памяти от 1К бит (1970 г.) до 1 Мбит (1987 г.) (по прогнозу 1981 г.). В динамических ЗУПВ с объемом памяти от 16К бит до 256К бит и с объемом памяти до 1Мбит используются элементы с конструкцией «1 транзи- стор+1 конденсатор» (рис. 5.37).
В табл. 5.4 приведены сравнительные данные для 12 видов динамического ЗУПВ с объемом памяти 1 Мбит, разработанных в 1984—1985 гг. Среди указанных 12 видов можно выделить три
Мицубиси
Фудзицу
Структура
(n-канальная МОП/КМОП)
п-канальная МОП
n-канальная МОП
Размер кристалла, мм2
5,0X13,0 (65,0)
4,44X12,32 (54,7)
Размер элемента, мкм2
3,8X9,4 (35,7)
0,15X8,4 (26,5)
Проектные нормы, мкм
1,2
1,4
Структура запоминающего эле-
Прежняя конструк-
Многослойный
мента
ция
конденсатор
Св (емкость шины данных)
500
-I «11)
С$ (емкость элемента)
45
55
шины данных
Материал
А1
А1
шины слов
TiSia
полицид
Толщина конденсатора, нм (потенциал плоской ячейки)
)0
10
Г1/2 Усс)
(1/2 Кос)
Время выборки, нс
Потребляемая энергия во вре
90
90
мя действия, мВт
350
350
время цикла, нс
260
260
Потребляемая энергия во время ожидания, мВт* Другие особенности
15
15
Полубайтовый конт
Пластмассовый кор
роль
пус DIP SOJ; полубайтовый контроль
• Везде источники напряжения 5В.
особых вида, конструкции элементов которых показаны на рис. 5.38—5.40.
В каждой из этих конструкций используется сформированный в толще Si-подложки или в ее верхней части конденсатор для накопления заряда.
На рис. 5.38 показана конструкция, в которой указанный конденсатор имеет форму канавки и сформирован технологией взаимной изоляции с использованием U-образных каналов (рис. 5.9). На рис. 5.40 изображена конструкция с полностью скрытым (встроенным) конденсатором, выполненная ВОХ-ме- тодом (см. рис. 5.21). Из табл. 5.4. видно, что динамические ЗУПВ с объемом памяти 1 Мбит изготавливаются по 1,2 мкм- проектным нормам с двухслойной Al-разводкой и разводкой на основе силицидов с использованием тонких окисных слоев тол-
Продолжение
Цукэн
MOSTEK
IBM
АТТ
КМОП
КМОП
n-канальная МОП КМОП
6,4 X 8,2 (52,5)
5,97X11,4
(68,1)5,5X10,5 (57,8)4,8X14,5 (69,6)
(20)
4,0X9,0 (36,0)4,1X8,8 (36,1)3,5X10,5 (36,8)
0,8
1,2
1,51,3
Элемент в форме Прежняя
конст- Прежняя конст- Прежняя конст»
канавки
рукция
рукциярукция
(9)
40"
37-
А1
Поли + А1
Al Al
Мо
А1
полиTaSfe
10
1515
(1/2 Усс)
140
50
6880
260
160
285
160260
0,5
Полубайтовая
Структура
с мно- Переключение ре- Режим ускоренно-
схема исправления гими шинами дан- жима обмена по го постраничного ошибокных1, 2 и 4 битзапроса
щиной 15,0—10,0 нм по новейшей технологии. Из данных табл. 5.3 и 5.4, а также из рис. 5.37—5.40 видно, что развитие конструкций элементов и схемы, оптимизация топологии, усовершенствование точной технологии позволили повысить объем памяти динамического ЗУПВ от 1К бит до 1 Мбит при сокращении площади одного элемента. Это достигнуто за счет использования встроенного в кремниевую подложку конденсатора и многослойной разводки. О создании трехмерной ИС говорить пока еще рано, однако можно сказать, что уже развиваются концепции трехмерных конструкций ИС.
КМОП ИС находят использование в периферийных устройствах, причем в конструкциях этих схем уже начали применять силициды металлов в межсоединениях с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей.
шения «технические параметрышения «технические параметрыа»а»Рис. 5.40. Конструкция элемента на основе полностью скрытого конденсатора: 1 — шина слов (поликремний — И); 2 — плоский конденсатор; 3 — периферийный конденсатор; 4 — п+-типа диффузия; 5, 6 — плоская ячейка (поликремний-1); 7— поликремний II; 8 — шина слов; 9 — шина данных; 10 — полевой газофазный эпитакси, альный SiO2Рис. 5.40. Конструкция элемента на основе полностью скрытого конденсатора: 1 — шина слов (поликремний — И); 2 — плоский конденсатор; 3 — периферийный конденсатор; 4 — п+-типа диффузия; 5, 6 — плоская ячейка (поликремний-1); 7— поликремний II; 8 — шина слов; 9 — шина данных; 10 — полевой газофазный эпитакси, альный SiO2тиметров множества элементовтиметров множества элементов
шения «технические параметры
шения «технические параметры
а»
а»
Рис. 5.40. Конструкция элемента на основе полностью скрытого конденсатора: 1 — шина слов (поликремний — И); 2 — плоский конденсатор; 3 — периферийный конденсатор; 4 — п+-типа диффузия; 5, 6 — плоская ячейка (поликремний-1); 7— поликремний II; 8 — шина слов; 9 — шина данных; 10 — полевой газофазный эпитакси, альный SiO2
Рис. 5.40. Конструкция элемента на основе полностью скрытого конденсатора: 1 — шина слов (поликремний — И); 2 — плоский конденсатор; 3 — периферийный конденсатор; 4 — п+-типа диффузия; 5, 6 — плоская ячейка (поликремний-1); 7— поликремний II; 8 — шина слов; 9 — шина данных; 10 — полевой газофазный эпитакси, альный SiO2
тиметров множества элементов
тиметров множества элементов
Эта тенденция проявляется в еще большей степени при разработке динамических ЗУПВ с объемом памяти 4 Мбит и 16 Мбит.
Анализируя приведенные характерные примеры, можно сказать, что основной принцип развития ИС — принцип повышения отно
и функциональные возможности схемы/стоимость» лежит в основе дальнейшего развития технологии.
Пока нельзя точно указать, до каких пределов будет повышаться степень интеграции МОП СБИС, однако ограничения, существующие в этом процессе, уже начали принимать во внимание. В разд. 5.4 показано, насколько заметно уменьшились размеры транзисторов. Однако если они ста-
нут слишком малы при масштабировании, то напряжение (т. е. амплитуда сигналов) тоже уменьшится и станет соответствовать тепловой энергии при комнатной температуре. В результате станет невозможно обеспечить достаточное отношение сигнал/шум, т. е. вступит в действие тепловое ограничение. Если проанализировать другие возможные ограничения, которые могут встретиться на практике, то можно выделить еще один вопрос. При создании на кристалле размером несколько сан- размерами 0,2—0,4 мкм сте
пень интеграции настолько возрастет, что их число достигнет 1010. Однако нельзя точно сказать, является ли это ограничением. На практике уже реализованы опытные образцы схемы кольцевого генератора на КМОП-структурах с п-канальными МОП-транзисторами с длиной канала £=0,3 мкм и р-каналь- ными МОП-транзисторами с длиной канала £ = 0,4 мкм. В этих схемах при напряжении на затворе 5В достигнуто время задержки распространения сигнала 49 пс. Имеются сообщения об исследованиях стабильно действующего транзистора с длиной канала £ = 0,15 мкм.
Интегральное формирование элементов с такими малыми размерами обеспечит создание ЗУ с объемом памяти 100 Мбит, логических схем с числом элементов 20 млн, с повышенной надежностью работы и позволит уменьшить стоимость схем. Однако для решения этой задачи потребуется разработка многочисленных новых технологических методов и процессов, причем на это уйдут годы. Все же использование технологических методов, которые разрабатываются в последнее время и которые описаны в предыдущей и данной главе, вероятно, позволит в ближайшем будущем создать ультра-БИС с минимальными размерами элементов не более 0,5 мкм.
6
ИС на полупроводниках группы АШВ vи на элементах Джозефсона
Наиболее широко применяемым материалом для изготовления БИС является кремний. Другой полупроводниковый материал — GaAs позволяет на тех же приборах с одинаковыми размерами получить большее быстродействие по сравнению с Si. На основе GaAs созданы элементы, построенные на эффекте Джозефсона, которые, как ожидается, будут выигрывать по быстродействию у кремниевых приборов. В настоящей главе рассмотрены основные особенности БИС на основе полупроводников группы A1UBV, а также на эффекте Джозефсона.
Полупроводники группы AIUBV и кремний как материалы для ИС
Сравнительный анализ свойств полупроводников группы AHIBV и кремния как материалов транзисторов, интегрально выполненных в ИС, позволяет выявить три их основные различительные особенности:
различие электрополевой зависимости дрейфовой скорости электронов проводимости;
из полупроводников группы AIHBV, как правило, легко изготовить полуизолирующую подложку, тогда как кремниевую полуизолирующую подложку получить трудно;
полупроводники группы AIHBV образуют твердые растворы — не только двух-, но и трех-, четырехкомпонентные, причем физические свойства этих материалов варьируются в широком диапазоне.
Зависимости дрейфовой скорости электронов проводимости от напряженности электрического поля для двух- и трехкомпонентных полупроводников AIUBV и кремния приведены на
рис. 6.1. В слабом электрическом поле скорость дрейфа электронов проводимости пропорциональна напряженности поля. Скорость дрейфа электронов в GaAs при одной и той же напряженности поля выше, чем в кремнии и InP. Однако в сильном электрическом поле скорость дрейфа электронов в GaAs быстро достигает максимальной величины, а при дальнейшем повышении напряженности поля — резко снижается, прибли-
Уипрязусрлмрст» рлеятри’/еляргр пеля, «fl/СМ
Рис. 6.1. Полевая зависимость скорости дрейфа электронов проводимости в кремнии и полупроводниках группы AIHBV (GaAs, InP, Ino.53Gao.47As). Следует обратить внимание на подвижность при низкой напряженности поля, насыщение скорости дрейфа при высокой напряженности поля и максимальную величину скорости дрейфа.
жаясь по величине к значению скорости дрейфа электронов в кремнии (при напряженности поля около 16 кВ/см).
В слабом поле дрейфовая скорость электронов в InP меньше, чем в GaAs, однако все же выше, чем в кремнии, и занимает на графике как раз промежуточное положение. При увеличении напряженности поля на том участке, где дрейфовая скорость электронов в GaAs, перевалив через максимум, уже начинает снижаться, скорость дрейфа электронов в InP еще продолжает расти. Достигнув значения около 2-Ю7 см/с, скорость дрейфа электронов в InP также начинает снижаться, однако при значении поля около 16 кВ/см она по-прежнему выше, чем в кремнии. С другой стороны, в кремнии дрейфовая скорость электронов продолжает монотонно повышаться при увеличении напряженности поля и не достигает максимума. Причина того, что зависимость скорости дрейфа электронов проводимости от напряженности электрического поля в GaAs и InP имеет экстремальный характер, а в случае Si характеризуется монотонным ростом, кроется в различии зонной структуры этих материалов. Эта проблема и связанный с ней вопрос про-
ектирования структуры энергетических зон будут подробно рассмотрены в разделе 6.2. Следует отметить, что нелинейный характер зависимости скорости дрейфа от напряженности поля! для полупроводников AHIBV затрудняет сравнительный анализ характеристик приборов на основе этих материалов из-за усложнения вычислений. Имеется в виду сравнение с Si-прибора- ми одинаковых конструкций. Опубликованы результаты расчета рабочих характеристик полевых транзисторов с затвором Шоттки, сформированных в n-типа эпитаксиальном слое толщиной 0,2 мкм с плотностью донорной примеси 1-Ю7 см-3, нанесенном на полуизолирующую подложку на основе GaAs к InP.
Интересно, что если судить по этим результатам, то при выборе материала с целью обеспечения высокого быстродействия прибора можно сделать различное заключение в зависимости от того, какой из параметров взять в качестве ориентира — граничную частоту усиления тока /т или граничную частоту усиления мощности /та*. Так при высоте барьера затвора для Si и GaAs — 0,8 В, а для InP — 0,5 В, если судить по fmax, полевой транзистор с затвором Шоттки на основе GaAs имеет быстродействие примерно в 2,6 раза выше, чем на основе Si, тогда как транзистор на InP имеет быстродействие примерно в 1,7 раза выше, чем кремниевый прибор. Однако, если ориентироваться на другой параметр — fT, то можно ожидать, что полевой транзистор с барьером Шоттки на основе InP окажется наиболее быстродействующим (быстродействие примерно в 3,2 раза выше, чем при использовании кремния). Граничная частота fr транзисторов с барьером Шоттки на основе GaAs всего лишь в 2,1 раза выше, чем у кремниевых элементов.
Какой из указанных параметров — /т или fmax следует выбрать для правильной оценки быстродействия приборов, зависит от того, в какой области будут применяться эти приборы. При использовании в аналоговых схемах генераторов и усилителей с согласованными входом и выходом более подходящим параметром оценки быстродействия является граничная частота уси- Л6НИЯ МОЩНОСТИ fmax* В цифровых схемах, например в инверторах, вход и выход сильно рассогласованы, поэтому в случае использования в этой области оценку быстродействия правильнее производить по граничной частоте усиления тока.
Из этих рассуждений следует, что в случае применения полевых транзисторов с барьером Шоттки в цифровых схемах быстродействие возрастает от кремниевых элементов к приборам на GaAs и еще более — к приборам на InP.
Однако здесь возникает еще одна проблема. На рис. 6.1 представлены графики электрополевой зависимости скорости дрейфа электронов проводимости при постоянных условиях.
Но условия для электронов проводимости в проводящем канале при переключении полевого транзистора с барьером Шоттки с коротким затвором (длина затвора около 0,5 мкм) постоянными не являются. Как показано на рис. 6.1, в сильном электрическом поле дрейфовая скорость падает. При этом электроны проводимости с высокой энергией, ускоренные электрическим полем, перемещаются во второй минимум зоны проводимости, соответствующий большей эффективной массе. В случае короткого канала полевого транзистора этот эффект быстро возникает в канале и распространяется на стоковую область, поэтому дрейфовая скорость электронов проводимости в канале GaAs транзистора становится еще большей, чем максимальная величина, указанная на рис. 6.1. В результате время задержки при переключении прибора для случаев применения GaAs и InP почти уравнивается.
Следующей проблемой является высота барьера Шоттки. В первом приближении можно считать, что высота барьера Шоттки определяется поверхностными состояниями полупроводника. При очищенной поверхности кремния поверхностные энергетические уровни лежат внутри запрещенной зоны кремния, поэтому даже при хорошей очистке уровень Ферми отличается от соответствующего энергетического уровня в объеме подложки кремния. Когда на поверхность кремния наносится слой металла, уровень Ферми на поверхности кремниевой подложки несколько изменяется за счет работы выхода из металла. Высота барьера Шоттки со стороны металла 0В не равна в точности (0м—%), где % — сродство к электрону полупроводника, а определяется эмпирической формулой:
0В = О,270М—0,55. (6.1)
В случае когда подложка из кремния перед нанесением слоя металла находилась на воздухе и ее поверхность окислилась, поверхностные состояния на границе кремния с окисным слоем играют очень большую роль и в основном определяют положение уровня Ферми на поверхности кремниевой подложки. Указанные поверхностные состояния могут быть, в частности, связаны с разорванными химическими связями.
С другой стороны, известно, что в случае применения полупроводников группы AHIBV положение уровня Ферми на очищенной поверхности соответствует уровню Ферми в объеме полупроводника AHIBV. Однако несмотря на это, высота барьера Шоттки и в случае GaAs определяется не (0М—%), а эмпирическим соотношением
0В = О,О70М + О,49. (6.2) Из этого следует, что при формировании барьера Шоттки между полупроводником AmBv и металлом, по-видимому, образует-
ся тонкая пленка окисла, что сильно влияет на поверхностные состояния полупроводника AIHBV. Таким образом получается, что, хотя в случае очищенной поверхности полупроводника AIHBV в запрещенной зоне полупроводника отсутствуют поверхностные уровни, при формировании барьера Шоттки такие уровни в запрещенной зоне полупроводника AHIBV появляются. Причина появления дополнительных, поверхностных, уровней энергии в запрещенной зоне полупроводника A,HBV заключается в образовании вакансий за счет смещения атомов элементов III и V групп периодической системы, размещенных в узлах решетки вблизи поверхности полупроводника. Указанное смещение атомов происходит в результате прилипания атомов металла и кислорода к поверхности полупроводника. Согласно данной модели дефекты, которые могут быть образованы на поверхности полупроводника AIUBV, не зависят от металла, нанесенного на лицевую поверхность. Сравнение формул (6.1) и (6.2) для высоты барьера Шоттки показывает, что значение постоянного коэффициента при 0М в формуле (6.2) еще меньше, чем в формуле (6.1).
В случае GaAs энергетический уровень As-вакансий находится почти в середине запрещенной зоны, а плотность As-вакансий составляет примерно 1013 см-2. Поэтому уровень Ферми на поверхности GaAs располагается также почти в середине запрещенной зоны, и высота барьера Шоттки равна половине ширины запрещенной зоны GaAs — 0,74-0,8 эВ. С другой стороны, в случае InP энергетические уровни, соответствующие In-вакансиям, расположены вблизи дна зоны проводимости, поэтому уровень Ферми на поверхности InP находится также в окрестности дна зоны проводимости, и высота барьера Шоттки примерно на 0,5 эВ ниже. Следовательно, InP является неподходящим материалом для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки. Однако плотность центров захвата на поверхности InP ниже, чем у GaAs, и составляет примерно 1011—1012 см-2. Поскольку имеется возможность управления потенциалом поверхности InP через промежуточный изолирующий слой, то можно сделать вывод, что InP может быть эффективно использован для изготовления полевых транзисторов с изолирующим затвором.
Структура энергетических зон полупроводников группы AH,BV
Как уже отмечалось выше, одной из основных особенностей полупроводников группы AIllBv является то, что состав многокомпонентных полупроводников можно широко варьировать в диа-
пазоне образования твердых растворов. При этом зонная структура, естественно, изменяется вместе с изменением состава. Рассмотрим характерные точки зон Бриллюэна для соединения АшхСш1-хВу, где А111 и С111, а также Bv — элементы III и V групп периодической системы. Если обозначить значения энергии для соединений AIHBV и ClnBv— ЕАв и £Св соответственно, то для указанного выше трехкомпонентного соединения
InPAIRGapInP
Рис. 6.2. Изменение зонной структуры и постоянной решетки четырехкомпонентного полупроводника AIHBV, вызванное изменением состава. Единица измерения энергии — эВ.
получаем ЕАв+^(^св—Еав). В случае замены одного из элементов III группы на элемент V группы — AhiBvyDvi-y получаем соответственно ^ab+K^ad—^ав).
Фактически, как показано на рис. 6.2, изменение зонной структуры связано с изменением состава нелинейно. На рисунке мы видим дуги, однако линейная связь более удобна для приблизительного расчета состава, соответствующего определенной зонной структуре.
Понятно, что изменения зонной структуры связаны с изменениями постоянной решетки кристалла. Для InAs, GaAs постоянная решетки 0,606 нм и 0,564 нм соответственно. В случае InxGai-xAs происходит замещение части In на Ga в InAs, постоянная решетки уменьшается и зонная структура изменяется тоже. Существует также другой метод изменения постоянной решетки путем приложения к кристаллу гидростатического дав-
ления. Когда к полупроводнику AmBv прикладывается гидростатическое давление Р, то в точках зоны проводимости Г, X, L происходят следующие изменения:
^1 = (8,5—14). 10-“ эВ • Па"1, (6.3)
-^L = (5—5,5). 10"11 эВ • Па-1, (6.4)
_^_ = (_1,0— 1,5) • 10"1* эВ • Па"1. (6.5)
Зонная структура меняется линейно по отношению к изменению состава, что в значительной мере связано с изменениями постоянной решетки. В произвольном случае положение валентной зоны является общим для полупроводников группы AHIBV.
Следовательно, положение зоны проводимости в полупроводниках AHIBV, как это рассмотрено выше, линейно связано с составом полупроводникового соединения. При изменении состава также изменяется ширина запрещенной зоны. Однако, поскольку изменение Ег велико по сравнению с изменением Ех
^e-ffх ^0,080,06О.О4 о,ог о^e-ffх ^0,080,06О.О4 о,ог оШирина запрещенней зань/ вт.ПОК)Ширина запрещенней зань/ вт.ПОК)Рис. 6.3. Пропорциональная зависимость между шириной запрещенной зоны в т.Г при О К и эффективной массой электронов проводимости /иеи в двухкомпонентных полупроводниках AHIBV с минимумом ширины запрещенной зоны в т.Г. Но т — масса покоя электронов в вакууме. Следовательно, подвижность электронов проводимости почти обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны в т.Г.Рис. 6.3. Пропорциональная зависимость между шириной запрещенной зоны в т.Г при О К и эффективной массой электронов проводимости /иеи в двухкомпонентных полупроводниках AHIBV с минимумом ширины запрещенной зоны в т.Г. Но т — масса покоя электронов в вакууме. Следовательно, подвижность электронов проводимости почти обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны в т.Г.
^e-ffх ^
0,08
0,06
О.О4 о,ог о
^e-ffх ^
0,08
0,06
О.О4 о,ог о
Ширина запрещенней зань/ вт.ПОК)
Ширина запрещенней зань/ вт.ПОК)
Рис. 6.3. Пропорциональная зависимость между шириной запрещенной зоны в т.Г при О К и эффективной массой электронов проводимости /иеи в двухкомпонентных полупроводниках AHIBV с минимумом ширины запрещенной зоны в т.Г. Но т — масса покоя электронов в вакууме. Следовательно, подвижность электронов проводимости почти обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны в т.Г.
Рис. 6.3. Пропорциональная зависимость между шириной запрещенной зоны в т.Г при О К и эффективной массой электронов проводимости /иеи в двухкомпонентных полупроводниках AHIBV с минимумом ширины запрещенной зоны в т.Г. Но т — масса покоя электронов в вакууме. Следовательно, подвижность электронов проводимости почти обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны в т.Г.
и El, то ширина запрещенной зоны увеличивается и эффектив- тивная масса электронов проводимости в т.Г- возрастает (рис. 6.3). Из экспериментальных результатов известно, что эффективная масса электронов проводимости в т.Г (meft) линейно связана с шириной запрещенной зоны. Аналогичный вывод дает и теоретический анализ.
Подвижность носителей пропорциональна средней величине времени релаксации при рассеянии и обратно пропорциональна эффективной массе. В случае многокомпонентного полупроводника время релаксации при рассеянии определяется так назы-
маемым рассеянием на сплавах, связанным с нерегулярным расположением атомов. При этом зависимость от состава довольно сложна и не является вполне определенной. Однако если, как это рассмотрено выше, изменения ширины запрещенной зо- •ны пропорциональны изменениям эффективной массы, причем указанные изменения малы, то в случае полупроводников AIHBV с прямыми переходами подвижность электронов проводимости в т. Г примерно обратно пропорциональна ширине за
10—Ел. ЗВ10—Ел. ЗВ₽ис. 6.4. Зонная структура GaAs. Абсолютный минимум энергии зоны проводимости находится в т.Г. Во втором минимуме энергия на 0,36 эВ выше.₽ис. 6.4. Зонная структура GaAs. Абсолютный минимум энергии зоны проводимости находится в т.Г. Во втором минимуме энергия на 0,36 эВ выше.Рис. 6.5. Изменение зонной структуры при изменении состава Ini_xGaxAs. Графики демонстрируют изменения ширины запрещенной зоны в т.Г(Ег и отношения разности энергий в первом и втором минимумах зоны проводимости к Ег.Рис. 6.5. Изменение зонной структуры при изменении состава Ini_xGaxAs. Графики демонстрируют изменения ширины запрещенной зоны в т.Г(Ег и отношения разности энергий в первом и втором минимумах зоны проводимости к Ег.
10—Ел. ЗВ
10—Ел. ЗВ
₽ис. 6.4. Зонная структура GaAs. Абсолютный минимум энергии зоны проводимости находится в т.Г. Во втором минимуме энергия на 0,36 эВ выше.
₽ис. 6.4. Зонная структура GaAs. Абсолютный минимум энергии зоны проводимости находится в т.Г. Во втором минимуме энергия на 0,36 эВ выше.
Рис. 6.5. Изменение зонной структуры при изменении состава Ini_xGaxAs. Графики демонстрируют изменения ширины запрещенной зоны в т.Г(Ег и отношения разности энергий в первом и втором минимумах зоны проводимости к Ег.
Рис. 6.5. Изменение зонной структуры при изменении состава Ini_xGaxAs. Графики демонстрируют изменения ширины запрещенной зоны в т.Г(Ег и отношения разности энергий в первом и втором минимумах зоны проводимости к Ег.
прещенной зоны. Используя указанные выше свойства зонной структуры полупроводниковых материалов группы АШВУ, можно правильно выбрать состав материала группы АШВУ соответственно определенной области применения для использования в полевых транзисторах с затвором Шоттки. В условиях отсечки полевого транзистора в его канале существует высокая напряженность электрического поля. Поэтому электроны проводимости, ускоряясь в электрическом поле, приобретают значительную кинетическую энергию. Зонная структура GaAs представлена на рис. 6.4. Минимальное значение энергии зоны проводимости соответствует т. Г. Поскольку в т. Г эффективная масса электронов проводимости мала — 0,068m (где т — масса покоя свободных электронов в вакууме), то в этой точке дрейфовая подвижность электронов проводимости, наоборот, велика. Однако, как видно из рис. 6.4, в зоне проводимости GaAs имеется еще один минимум — т. X с несколько большей (примерно на 0,36 эВ) энергией, чем в т. Г. Предполагают, что может существовать и еще один минимум в T.L. Следовательно,
когда электроны проводимости в т. Г, ускоряясь в электрическом поле, приобретают достаточно большую кинетическую энергию, они перемещаются во второй минимум зоны проводимости. Однако в точке второго минимума электроны проводимости имеют уже большую эффективную массу—1,2m, поэтому дрейфовая скорость электронов проводимости уменьшается.
Именно по этой причине на электрополевой зависимости дрейфовой скорости электронов проводимости в Ga As (рис. 6.1) наблюдается участок с отрицательной дифференциальной подвижностью. Этот эффект называется эффектом Ганна и используется для генерации высокочастотных сигналов. Однако в полевых транзисторах с затвором Шоттки, с точки зрения повышения быстродействия приборов, он является нежелательным. Для устранения этого эффекта в материалах, используемых в полевых транзисторах с затвором Шоттки, необходимо создать такие условия, чтобы предотвратить возможность перехода электронов проводимости с максимальной кинетической энергией в область второго минимума зоны проводимости, для чего необходимо выполнить условие:
#>1. (6.6)
£Г
Здесь ^E — энергетический зазор между т. Г и вторым минимумом зоны проводимости, а Ег—ширина запрещенной зоны в т. Г зоны проводимости.
Для случая, например, Ini-xGaxAs изменение отношения ЬЕ/Ер в зависимости от содержания In и Ga показано на рис. 6.5. Очевидно, что для выполнения условия АЕ/Ег>1 необходимо установить Х<0,5. Однако повышение содержания In приводит к сокращению ширины запрещенной зоны в т. Г, что оказывает нежелательное влияние на характеристики прибора, например, может вызвать увеличение обратного тока рп-перехода. Здесь для случая Ga следует установить Ет > >0,75 эВ и притом Х>0,4, что вместе дает 0,4<Х<0,5. Этот участок рекомендуемого состава материала выделен на рис. 6.5 толстой линией (горизонтальный отрезок). Согласно теоретическим расчетам, подвижность электронов проводимости в Ino,53Gao,47As при температуре 300 К составляет 104 см2/В-с, что также подтверждено экспериментальными результатами.
Приборы на полупроводниках группы AinBv
Полупроводниковые приборы на основе AinBv, используемые в качестве элементов цифровых схем, можно грубо разделить на следующие группы: полевые транзисторы с затвором Шоттки
или с рп-переходом, гетеробиполярные транзисторы, МДП (металл — диэлектрик — полупроводник) -транзисторы. Среди этих групп наиболее активно исследуют полевые транзисторы с затвором Шоттки, причем положение вещей здесь значительно отличается от кремниевых приборов.
Несмотря на то что технологию изготовления полупроводников AIUBV и приборов на их основе по целому ряду причин нельзя считать вполне зрелой, на ее основе развиваются исследования и разработки сверхбыстродействующих цифровых интегральных схем, уже конкурирующих с кремниевыми БИС. Можно предположить, что полевые транзисторы с затвором Шоттки — легкие в изготовлении элементы с малым потреблением энергии, которые представляют собой очень удобную элементную базу для создания БИС — будут играть в этой конкуренции главную роль.
Полевые транзисторы с затвором Шоттки
Принцип действия полевых транзисторов с затвором Шоттки рассмотрен ранее в разделе 3.4. Усиление по напряжению и мощности в этих приборах основано на управлении током канала за счет изменения ширины канала и достигается в результате использования эффекта изменения толщины слоя пространственного заряда диода Шоттки при приложении напряжения к управляющему электроду.
На практике среди материалов группы AmBv в полевых транзисторах с затвором Шоттки применяется только GaAs. GaAs имеет по сравнению с кремнием достаточно большую ширину запрещенной зоны (1.43 эВ) и, следовательно, меньшую плотность носителей в материале с собственной проводимостью. Поэтому GaAs собственного типа проводимости можно использовать в полуизолирующих подложках. Кроме того, это позволяет снизить паразитные электростатические емкости приборов.
В последнее время стали получать GaAs с проводимостью, близкой к собственной. В случае содержания в GaAs донорных примесей полуизолирующий материал получают путем добавления в GaAs примесей Сг и О, создающих глубокие центры захвата, что позволяет сократить плотность электронов проводимости.
В канале транзистора должен быть создан n-тип проводимости, поэтому на поверхности полуизолирующей подложки GaAs проводят эпитаксиальное наращивание слоя n-типа GaAs или же слой n-типа формируется ионной имплантацией донорной примеси Se или Si. Метод эпитаксиального наращивания позволяет получать высококачественные слои монокристаллического GaAs. Однако при использовании этого метода трудно контро-
лировать тыльную поверхность и толщину, что приводит к увеличению разброса напряжения отсечки и порогового напряжения полевых транзисторов с затвором Шоттки и затрудняет
Рис. 6.6. SAINT-процесс. Пример процесса самосовмещения при изготовлении полевого транзистора на GaAs с затвором Шоттки.Рис. 6.6. SAINT-процесс. Пример процесса самосовмещения при изготовлении полевого транзистора на GaAs с затвором Шоттки.
Рис. 6.6. SAINT-процесс. Пример процесса самосовмещения при изготовлении полевого транзистора на GaAs с затвором Шоттки.
Рис. 6.6. SAINT-процесс. Пример процесса самосовмещения при изготовлении полевого транзистора на GaAs с затвором Шоттки.
производство БИС. Поэтому в последние годы широко применяется технология ионной имплантации.
Длина канала в полевых транзисторах с затвором Шоттки является важнейшим параметром, определяющим быстродействие элемента. Другой важной величиной является сопротивление между затвором и областями стока и истока, которое определяет величину выходного сопротивления при различных включениях транзистора. Рассмотрим технологию изготовления приборов с коротким каналом и, следовательно, с ма-
лым сопротивлением между истоком и затвором, а также между затвором и стоком.
На рис. 6.6 представлен пример так называемой SAINT (self aligned implantation for n+-layer technology)-технологии самосовмещенной ионной имплантации при образовании п-типа слоя. Как показано на рис. 6.6, а, на полуизолирующую подложку из Ga As наносится слой фоторезиста (AZ 1450J) толщиной 1,3 мкм с определенной конфигурацией окон, служащий в качестве маски, и проводится ионная имплантация Si с целью создания области канала. Далее методом химического газофазного осаждения в плазме на поверхность наносится слой SiN толщиной 0,15 мкм и затем, как показано на рис. 6.6,6, последовательно наносятся слои FPM (polytetrafluoropropyl methacrylate — политетрафторпропил метакрилат) толщиной 0,8 мкм, SiO2 толщиной 0,3 мкм и фоторезиста.
В процессе фотолитографии в слое фоторезиста формируется рисунок затвора. Указанный рисунок переносится на слой SiO2 в процессе реактивного ионно-лучевого травления с применением CF4+H2 и затем путем травления в кислородной плазме рисунок переносится на слой FPM. При этом верхний слой резиста также полностью стравливается, а в FPM-слое, как показано на рис. 6.6, в, происходит боковой подтрав примерно на 0,2 мкм. Далее через слой SiN производится ионная имплантация Si при ускоряющем напряжении 200 кВ с целью создания слоя п+-типа. При этом слой SiO2 служит маской.
Затем в процессе ВЧ магнетронного распыления на поверхность наносится второй слой 5Юг (см. рис. 6.6,г). Обработкой структуры в химическом травителе, содержащем NH4F и HF в соотношении 120:1, удаляется тонкий 2-й слой 8Юг с боковых стенок структуры многослойного резиста (FPM-слой + + 1-й слой SiO2). Последующая обработка в ацетоне приводит к удалению многослойного резиста обратным (взрывным) методом на участке затвора, так что в результате образуется структура, представленная на рис. 6.6,6.
На этой стадии проводится термообработка структуры в среде при температуре 800 °C в течение 20 мин, что приводит к активизации примесей в областях п и п+-типа проводимости. Далее методом реактивного ионно-лучевого травления производится удаление слоя ЗЮг, затем в установке плазменного травления баррельного типа удаляется слой SiN и, таким образом, на участках истока и стока вскрываются окна.
Омический контакт к областям истока и стока подводится путем нанесения слоев AuGe/Pt (105,0 нм/28,0 нм) и после удаления этого контактного слоя обратным (взрывным) методом повсюду, кроме участков истока и стока, структура подвергается термообработке в среде Нг при температуре 460 °C в те-
чение 30 с. Далее на участке затвора слой S1N удаляется плазменным травлением, затем производится травление в химическом травителе, содержащем NH4F и HF в соотношении 10: 1, после чего на поверхность наносится структура Ti/Pt/Au (100,0 нм/50,0 нм/150,0 нм), которая локально удаляется обратным (взрывным) методом, и в результате формируется затвор.
Данная технология позволяет управлять величиной зазора между затвором и областями п+-типа проводимости, что обеспечивает возможность снижения последовательного сопротивления исток/сток. Кроме того, имеется возможность управления обратным током затвора Шоттки и паразитными емкостями за- твор/исток и затвор/сток. Описанная технология предполагает конструктивное самосовмещение затворного электрода и областей истока и стока в структуре, обеспечивая на практике формирование затвора длиной всего лишь 0,1 мкм.
Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Основной причиной того, что GaAs используется в качестве материала для полевых транзисторов с затвором Шоттки, является, как уже указывалось, высокая подвижность электронов в этом материале. Однако если подвижность электронов проводимости в n-типа GaAs, который обычно используется в областях каналов полевых транзисторов, составляет около 5-Ю3 см2/В*с, то подвижность электронов в GaAs с проводимостью, близкой к собственной, значительно выше 9-103 см2/В-с. Причиной этого расхождения является рассеяние на донорных ионах.
В обычных полевых транзисторах с барьером Шоттки значительное сокращение плотности донорной примеси в канале приводит к уменьшению тока затвора, црэтому рассеяние на донорных ионах является неизбежным и его влияние особенно возрастает при снижении рабочей температуры.
Как показано на рис. 6.7, если создать гетеропереход на основе GaAs и материала с большей шириной запрещенной зоны, например Alo.3Gao.7As, и ввести в последний донорную примесь, то ввиду того что зона проводимости GaAs лежит ниже, чем у Alo.3Gao.7As, электроны, эмиттируемые донорной примесью, будут из Alo.3Gao.7As проникать в зону проводимости GaAs. Поэтому в Alo.3Gao.7As образуется область положительного пространственного заряда. В то же время электроны проводимости в GaAs электростатически притягиваются этой областью положительного заряда, в результате чего в GaAs на границе раздела с Alo.3Gao.7As формируется область отрицательного
пространственного заряда и распределение потенциала в области гетероперехода принимает вид, показанный на рис. 6.7.
Электроны проводимости в GaAs оказываются заключенными в потенциальный колодец с формой, близкой к треугольной, который расположен вблизи с границей раздела с Alo.3Gao.7As. На границе раздела GaAs и Alo.3Gao.7As между потенциальным барьером и дном зоны проводимости GaAs возникает стоячая
поэтому указанные электроныпоэтому указанные электроныAlg^tklg^AS GdAsAlg^tklg^AS GdAsРис. 6.7. Гетеропереход Alo.sGaojAs- GaAs. Электроны проводимости в GaAs обеспечиваются за счет доноров в Alo.3Gao.7As. На границе раздела создается двумерное состояние.Рис. 6.7. Гетеропереход Alo.sGaojAs- GaAs. Электроны проводимости в GaAs обеспечиваются за счет доноров в Alo.3Gao.7As. На границе раздела создается двумерное состояние.волна электронов проводимости, утрачивают способность движения в ортогональном границе раздела направлении, т. е. создаются двумерные условия. Важно, однако, учитывать, что электроны проводимости и донорные ионы пространственно разделены, поэтому эффективность кулоновского рассеяния на донорных ионах может быть очень мала. В частности, сообщалось, что при введении между слоем AUGai-^As, содержащим донорные примеси, и между высокоочищенным GaAs
поэтому указанные электроны
поэтому указанные электроны
Alg^tklg^AS GdAs
Alg^tklg^AS GdAs
Рис. 6.7. Гетеропереход Alo.sGaojAs- GaAs. Электроны проводимости в GaAs обеспечиваются за счет доноров в Alo.3Gao.7As. На границе раздела создается двумерное состояние.
Рис. 6.7. Гетеропереход Alo.sGaojAs- GaAs. Электроны проводимости в GaAs обеспечиваются за счет доноров в Alo.3Gao.7As. На границе раздела создается двумерное состояние.
слоя высокоочищенного
Al*Gai-*As, подвижность электронов проводимости резко увеличивается, как показано на рис. 6.8,6, достигая при температуре 77 К значения примерно 105 см2/В-с, а при температуре 4,2 К — значения выше 2-Ю5 см2/В-с. Полевые транзисторы, в каналах которых использована указанная особенность, носят название транзисторов ВПЭТ или транзисторов с высокой подвижностью электронов — НЕМТ (high electron mobility transistor) .
Известны различные конструкции транзисторов с высокой подвижностью электронов. Общее представление о структуре ВПЭТ с одним гетеропереходом дает рис. 6.9, а. А на рис. 6.9, в показана структура ВПЭТ, в которой GaAs и Alo.3Gao.7As как бы поменялись местами по отношению к подложке. Исток, сток и затворный электрод формируются на поверхности GaAs, что позволяет использовать обычную технологию изготовления GaAs — элементов при формировании данной структуры и является известным преимуществом. Одной из проблем транзисторов с высокой подвижностью электронов является невозможность значительного повышения числа электронов проводимости в канале. Из рассмотренного выше принципа повышения подвижности электронов ясно, что число электронов проводимости в канале определяется числом доноров в Alo.3Gao.7As, и в то же
время электроны проводимости должны запираться потенциальным барьером между Alo.sGao.rAs и GaAs примерно в 0,3 эВ, что также накладывает определенное ограничение. На рис. 6.9, в
Температуру, К
Au Исток Затвор Сток\——— —————
Дн/П-я——SSESS3L—, Kwvol __JBSSSKE //г- AU/Irg—О,О5МКИ
л-А1м6а0,7А8/О,Обмин
йлен троны праОаоимости
Оысоноочи шинный GaAs
Лолу изолирующая Ga As- пойложна
Лыоонооуищинный GaAs
n - АЦз&аддАб
Лолуизолирующая \$гкъ-поблочно.
2мш
0,06мкм
Лолу изолирующая ^Аъ-пойложна
в
Рис. 6.8. Подвижность электронов проводимости в GaAs, который входит В структуру ИЗ СЛОЯ n-Alo.27Gao.73As, слоя GaAs и заключенного между ними слоя высокоочищенного А10,27 GaojgAs: а—структура прибора; б — измеренные значения подвижности.
Рис. 6.9. Транзистор с высокой подвижностью электронов: а — с одним переходом; б — с «перевернутой» структурой и с одним переходом; в — с двумя переходами. 1 — GaAs; 2 — п-AlxGai—xAs; 3 — AlxGai—xAs; 4 плотность доноров 2*1018 см~3.
представлена структура с двойным гетеропереходом, как бы объединяющая структуры, показанные на рис. 6.9, а и б, что позволяет повысить плотность электронов проводимости примерно в два раза. Слои высокоочищенного GaAs, играющего роль канала ВПЭТ, и легированного Alo^GaojAs имеют очень
малую толщину. Например, как видно из рис. 6.9, а, толщина высокоочищенного GaAs-слоя примерно 2 мкм, а толщина слоя Alo.sGao.zAs около 0,06 мкм. Следовательно, для изготовления такой структуры необходимо использовать метод эпитаксиального наращивания, обеспечивающий возможность нанесения высококачественного слоя полупроводника A1HBV и притом позволяющий точно контролировать толщину этого слоя. Во множестве случаев для этой цели используются метод молекулярнолучевой эпитаксии МВЕ (molecular beam epitaxy) и метод металлорганической газофазной эпитаксии MOCVD (metal organic chemical vapour deposition).
Метод молекул яр но-лучевой эпитаксии предполагает, что монокристаллический эпитаксиальный слой AIUBV наносится на поверхность подложки в результате напыления молекулярным пучком в сверхвысоком вакууме. Этот метод позволяет точно контролировать толщину эпитаксиального слоя путем управления количеством напыляемого материала, переносимого молекулярным пучком на подложку. Кроме того, он дает возможность измерения толщины и кристалличности эпитаксиального слоя за счет применения в процессе наращивания метода дифракции электронных лучей.
Метод металлорганической газофазной эпитаксии предполагает нанесение эпитаксиального слоя на нагретую до температуры примерно 700 °C подложку с использованием Оа(СНз)з, А1(СНз)з и AsH3. Причем скорость наращивания в этом случае определяется содержанием в реакционной среде металлор- ганического соединения (металл III группы периодической системы). Этот метод так же, как и метод молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет точно контролировать толщину полупроводникового эпитаксиального слоя.
Гетеробиполярные транзисторы
Общей проблемой для полевых транзисторов с затвором Шоттки и транзисторов с высокой подвижностью электронов является малая выходная мощность. Поэтому биполярные транзисторы с большой выходной мощностью, используемые, в частности, в периферийных и выходных цепях схем, продолжают играть важную роль. Применение в биполярных транзисторах материалов группы A1HBV позволяет создать гетеропереходный биполярный транзистор с широкозонным эмиттером и наклонной базой, который невозможно реализовать в случае применения кремния.
Широкозонный эмиттер предполагает создание эмиттерного рп-перехода, в котором полупроводниковый материал области эмиттера имеет большую ширину запрещенной зоны, чем полу-
проводниковый материал базы. Зонная диаграмма такого пере- хода представлена на рис. 6.10. Как видно из рисунка, в эмиттере образуется высокий потенциальный барьер по отношению
^,1.^,1.Эмиттер базаЭмиттер базабазабазабмиттлрбмиттлр
^,1.
^,1.
Эмиттер база
Эмиттер база
база
база
бмиттлр
бмиттлр
циент инжекции эмиттера, коллектор база чциент инжекции эмиттера, коллектор база чГетероперетоаГетероперетоаРис. 6.11. Биполярный транзистор с широкозонным эмиттером. Инжекция эмиттера происходит в основном в гетеропереходе, а инжекция через обычный ри-переход настолько мала, что ею можно пренебречь. Поэтому, хотя площадь коллекторного перехода меньше, чем площадь эмиттерного перехода, коэффициент передачи тока близок к I: 1—полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, например GaAs; 2 — полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, например AlxGai-xAs; 3 —обычный рп-переход.Рис. 6.11. Биполярный транзистор с широкозонным эмиттером. Инжекция эмиттера происходит в основном в гетеропереходе, а инжекция через обычный ри-переход настолько мала, что ею можно пренебречь. Поэтому, хотя площадь коллекторного перехода меньше, чем площадь эмиттерного перехода, коэффициент передачи тока близок к I: 1—полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, например GaAs; 2 — полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, например AlxGai-xAs; 3 —обычный рп-переход.
циент инжекции эмиттера, коллектор база ч
циент инжекции эмиттера, коллектор база ч
Гетероперетоа
Гетероперетоа
Рис. 6.11. Биполярный транзистор с широкозонным эмиттером. Инжекция эмиттера происходит в основном в гетеропереходе, а инжекция через обычный ри-переход настолько мала, что ею можно пренебречь. Поэтому, хотя площадь коллекторного перехода меньше, чем площадь эмиттерного перехода, коэффициент передачи тока близок к I: 1—полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, например GaAs; 2 — полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, например AlxGai-xAs; 3 —обычный рп-переход.
Рис. 6.11. Биполярный транзистор с широкозонным эмиттером. Инжекция эмиттера происходит в основном в гетеропереходе, а инжекция через обычный ри-переход настолько мала, что ею можно пренебречь. Поэтому, хотя площадь коллекторного перехода меньше, чем площадь эмиттерного перехода, коэффициент передачи тока близок к I: 1—полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны, например GaAs; 2 — полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, например AlxGai-xAs; 3 —обычный рп-переход.
Рис. 6.10. Широкозонный эмиттер. Потенциальный барьер для электронов проводимости q^n меньше, чем потенциальный барьер для дырок q0p, поэтому коэффициент инжекции электронов больше: а — наклонный переход; б— ступенчатый переход.
к основным носителям базы, поэтому инжекция основных носи
телей из базы в эмиттер сокращается. В результате коэффи
который определяется плотностью носителей в области эмиттера и области базы, а также толщиной базы, становится близким к единице, что является существенным преимуществом.
Следовательно, широкозонный эмиттер позволяет при
уменьшении плотности легирующей примеси в области эмиттера все же получить коэффициент инжекции эмиттера близкий к единице, что обеспечивает возможность снижения емкости слоя пространственного заряда, образуемого в области эмиттерного перехода. Кроме того, применение структуры прибора, показанной на рис. 6.11, позволяет повысить коэффициент передачи
тока за счет концентрации эмиттерного тока на фронтальной плоскости коллекторного перехода. Последнее особенно полезно при создании И2Л (интегральная инжекционная логика)-структур.
В обычных биполярных транзисторах распределение примеси задается внутренним полем в области базы. Однако в данном случае плотность примеси в области, прилегающей к эмиттерному переходу со стороны базы, довольно высока. Емкость слоя пространственного заряда эмиттерного перехода также становится высокой и электрическая прочность эмиттерного перехода снижается. При этом, как показано на рис. 6.12, в базовой области используют ALGai-xAs, где X меняется в направле-
п-эмиттер p-база п-нрллел- тор
Рис. 6.12. Биполярный транзистор с наклонной базой.
нии от эмиттера к коллектору в диапазоне от 0,2 до 0,01, что приводит к соответствующему изменению ширины запрещенной зоны. В результате энергия электронов проводимости, соответствующая дну зоны проводимости, уменьшается в направлении от эмиттера к коллектору. Эго эквивалентно созданию внутреннего электрического поля, ускоряющего электроны проводимости в направлении от эмиттера к коллектору. Такие структуры называются варизонными структурами или структурами с постепенно изменяющейся шириной запрещенной зоны в области базы. Структуры с широкозонным эмиттером и наклонной базой были описаны еще в пятидесятых годах, однако исследования и разработки, направленные на их практическую реализацию, проводятся до настоящего времени.
МДП полевые транзисторы
Кремниевые ИС на полевых МОП-транзисторах широко применяются в динамических ЗУПВ и в различных логических схемах. В отличие от них аналогичные устройства на полевых МДП (металл — диэлектрик — полупроводник) -транзисторах, в которых используются полупроводники группы AUIBV, практически пока не существуют.
Главной причиной является сложность формирования изолирующего слоя в структуре изолированного затвора на поверхности подложки полупроводника AmBv. При использовании1 кремния можно сформировать методом высокотемпературнога окисления высокоомный химически стабильный слой ЗЮг с совершенной структурой, причем плотность центров захвата на границе раздела Si—SiO2 можно уменьшить до уровня
Ю10 см-2. Однако в случае применения материалов группы AmBv скорость окисления элементов III и V групп различна, кроме того, окислы элементов V группы часто имеют высокое давление паров и испаряются при окислении. Поэтому в получаемом окисном соединении элементы III группы обычно содержатся в избытке и ни структурного совершенства, ни высокого •сопротивления обеспечить не удается. К тому же указанные окисные соединения не обладают химической стойкостью и растворимы в воде. В частности, известно, что GaAs и окисленная форма GaAsO4 не сосуществуют в равновесных условиях.
Как отмечалось ранее, плотность центров захвата на поверхности полупроводников AIHBV в первом приближении не зависит от вида атомов, прилипающих к лицевой поверхности. Поэтому можно сказать, что плотность центров захвата незначительно зависит от технологии нанесения изолирующего слоя на поверхность полупроводника AinBv, во всяком случае, слишком больших изменений ожидать не следует. Для случая GaAs при различных методах нанесения изолирующих слоев на границе раздела GaAs/изолирующий слой получали ранее плотность центров захвата примерно 1013 см-2. Из вышесказанного следует, что возможность практической реализации МДП полевого транзистора на основе GaAs чрезвычайно мала.
С другой стороны, в случае использования InP плотность центров захвата на границе раздела с изолирующим слоем составляет 10й—1012 см-2. Поэтому можно считать, что имеется реальная возможность создания полевых МДП-транзисторов на основе InP. До последнего времени для нанесения изолирующего слоя на InP использовались метод газофазной эпитаксии и метод газофазной эпитаксии в плазме, позволяющие формировать изолирующие слои ЗЮг, SisN4 и А120з, или метод анодного окисления InP в плазме, обеспечивающий создание окисного изолирующего слоя InP.
Уже сообщалось о получении элементов с дрейфовой подвижностью электронов проводимости в канале свыше 3000 см2/В-с. При условии улучшения стабильности за весь срок службы элементов можно было бы ожидать их практического применения.
ИС на полупроводниках группы АШВУ
Как уже говорилось, в современном состоянии разработок и исследований приборов на полупроводниках AIHBV, а также интегральных схем на их основе большое значение имеют разработки полевых транзисторов с затвором Шоттки и транзисторов с высокой подвижностью электронов.
В обоих случаях, в отличие от кремниевых МОП-транзисторов, речь идет о нормально выключенных приборах, в которых при нулевом напряжении на затворе проводящий канал между истоком и стоком отсутствует. Общей проблемой для этих элементов является невысокая амплитуда логического сигнала. С другой стороны, для нормально включенных приборов, в которых при нулевом напряжении на затворе между истоком и стоком образован проводящий канал, проблемой является невозможность создания прямого типа инвертора с одним источником питания, поэтому требуются схемы, отличные от кремниевых ИС.
В полевых транзисторах с затвором Шоттки проводящий канал формируется в тонком слое n-типа полупроводника AInBv. При нулевом напряжении на затворе происходит отсечка проводящего канала из-за распространения области пространственного заряда барьера Шоттки на область проводящего канала. Поэтому для этих транзисторов нормальным состоянием является выключенное. В транзисторах с высокой подвижностью электронов пороговое напряжение VT определяется формулой
Vth = - - ^ + ^ + ^в. (6.7) Z6i ч
где Пд ., di, ei — плотность доноров, толщина и диэлектрическая проницаемость слоя Alo^GaojAs, ДЕс — энергетический барьер между дном зоны проводимости Alo.sGao.zAs и дном зоны проводимости GaAs, | — уровень Ферми в GaAs, 0В — высота барьера Шоттки между Alo.sGao.zAs и металлическим затвором. Из формулы (6.7) видно, что правильный выбор толщины слоя Alo.sGao.zAs и плотности доноров в этом слое позволяет реализовать прибор с нормально выключенным состоянием.
Типичные логические схемы на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки показаны на рис. 6.13. На рис. 6.13, а, бив приведены схемы, в которых использованы приборы с нормально включенным состоянием. На рис. в показана CCL-схема (capacitor coupled logic) с емкостными логическими связями на основе одного источника питания, а на рис. а и б — BFL (buffered FET logic) — логическая схема с буферными полевыми транзисторами и SDFL (Schottky diode FET logic) —логическая схема на полевых транзисторах с диодами Шоттки, требующие применения двух источников.
BFL-схемы позволяют получить высокое быстродействие. Однако ввиду большого числа элементов потребление энергии в них достаточно велико — несколько десятков мВт. Поэтому BFL-схемы не подходят для создания больших ИС. В SDFL- схемах диоды для сдвига уровня, которые применялись в BFL-схеме в выходной цепи, через которую протекал большой
*4.58
Нагрузка
*0,56 Sx^A
77о5гладит077и ДиоУь/ Уля сУУига удиУня пост то/7а
Уь/юУ -28
А*8 Vp#5B
Источник тока
Усиление и логические срункиии
4*28
^/«гоУА^В*."
1-28
< Уо/урУ
1-28
У оУеУнением
ДдоУ
У оУогащением
-е Уь/тоУ
Рис. 6.13. Типичные логические схемы, использующие GaAs-полевые транзисторы с затвором Шоттки: а — BFL-вентиль НЕ — ИЛИ; б — SDFL-вентиль НЕ — ИЛИ; в — CCL-инвертор; г — DCFL с нагрузочным сопротивлением; д — E/D DCFL; е -*• LPFL-инвертор.
ток, перемещены во входную цепь с малым током, в результате чего потребление энергии схемой снижено примерно в 10 раз. В CCL-схемах не требуются диоды сдвига уровня. Быстродействие CCL-схем примерно такое же, как у BFL-схем и потребление энергии очень маленькое, однако CCL-схемы предполагают обязательное формирование конденсаторов связи на поверхности кристалла, что ограничивает нижнюю пороговую частоту.
С другой стороны, в схемах с нормально выключенным состоянием (рис. 6.13, г, д и е) требуется только один источник питания, напряжение в схемах низкое — около 2 В, потребляемая мощность невелика — до 1 мВт. Изображенные на рис. г и д DCFL (direct coupled FET logic) — схема на полевых транзисторах с прямыми связями и с сопротивлением нагрузки и E]D (enhancement/depletion — обогащение/обеднение) DCFL- схема отличаются простотой конструкции, малым потреблением энергии и повышенной степенью интеграции, однако усиление мощности в них невысокое, кроме того, они имеют недостаточное быстродействие. На рис. (е) показана LPFL (low pinch — off voltage FET logic) — логическая схема на полевых транзисторах с низким напряжением отсечки, использующая элементы с пороговым напряжением 1/г~ОВ, для которой допускается большой разброс порогового напряжения Vt. С этой точки зрения такая схема очень удобна для создания больших интегральных схем. Потребляемая мощность этой схемы в несколько раз выше, чем DCFL, однако все же менее 1 мВт.
Уже сообщалось о создании БИС на GaAs полевых транзисторах с затвором Шоттки на базе DCFL-схем, содержащей- более 3000 вентилей на кристалле. Нельзя сказать, чтобы, умножитель 16-16 с задержкой сигнала 150—350 пс/вентиль, напряжением источника питания 1,5 В и потребляемой мощностью 452 мВт безусловно превосходил кремниевые БИС с временем задержки сигнала 250 пс/вентиль, о которых уже упоминалось. Имеются сообщения о создании в области ИС памяти статического ЗУПВ с объемом 16Кбит и временем выборки 4,1 нс.
На транзисторах с высокой подвижностью электронов создан кольцевой генератор с временем задержки за один цикл при комнатной температуре 12 пс и потреблением энергии 14 пДж, а в области ИС памяти — создано статическое ЗУПВ объемом 1К бит, с временем выборки 0,9 нс и потребляемой мощностью 360 мВт, которое было испытано при температуре 77 К.
Сообщалось об изготовлении делителя частоты на 4, пост* роенного на MS-триггерах на основе ЭСЛ, использующего гете- робиполярные транзисторы с широкозонным эмиттером. Входная частота делителя 8,5 ГГц, потребляемая мощность 200 мВт. Создана вентильная матрица 1Кбит с потребляемой мощностью 1 мВт/вентиль и задержкой 0,4.нс/вентиль. ,
ИС на основе полевых МДП-транзисторов на InP пока не достигли высокой степени интеграции, однако уже созданы показанные на рис. 6.14 структуры E/D-инверторов на InP МДП- транзисторах с длиной канала 4 мкм. На указанных образцах получено время задержки 350 пс, произведение времени задержки на потребляемую энергию 8,8 пДж.
Здземле- разнойHue Зитоур иь/уру УррЗдземле- разнойHue Зитоур иь/уру УррРис. 6.14. E/D-инвертор на основе InP МДП-транзистора: 1—n-слой (формируется методом ионной имплантации).Рис. 6.14. E/D-инвертор на основе InP МДП-транзистора: 1—n-слой (формируется методом ионной имплантации).
Здземле- разной
Hue Зитоур иь/уру Урр
Здземле- разной
Hue Зитоур иь/уру Урр
Рис. 6.14. E/D-инвертор на основе InP МДП-транзистора: 1—n-слой (формируется методом ионной имплантации).
Рис. 6.14. E/D-инвертор на основе InP МДП-транзистора: 1—n-слой (формируется методом ионной имплантации).
Физика перехода Джозефсона
Эффектом Джозефсона называется эффект протекания сверхпроводящего тока между двумя сверхпроводниковыми элементами, разделенными тонким слоем изолятора (толщина несколько нм) при нулевом напряжении, в результате туннельного эффекта. При превышении сверхпроводящим током некоторого
Рис. 6.15. Вольт-амперные характеристики туннельного перехода Джозефсона на постоянном токе. Стрелками показаны направления изменения тока.
конечного значения Im между сверхпроводниковыми элементами возникает падение напряжения, при этом генерируется переменный ток (см. рис. 6.15). Для понимания этого эффекта рассмотрим физический механизм эффекта сверхпроводимости.
Эффект сверхпроводимости
При измерении сопротивления свинца (РЬ) и ниобия (Nb) при низких температурах было обнаружено, что в области от 7,2 К до 9,3 К сопротивление образцов резко падает до нуля. Это явление было названо эффектом сверхпроводимости. Температура, соответствующая границе между сверхпроводящим и нор^- мальным проводящим состоянием, Тс называется температурой сверхпроводящего перехода, или критической температурой.
Тот факт, что в состоянии сверхпроводимости электрическое сопротивление падает до нуля, объяснить несложно, однако необычность сверхпроводящего состояния не ограничивается одним исчезновением сопротивления. В сверхпроводящем состоянии происходит множество интересных явлений. Так, в сверхпроводниках магнитный поток совершенно отсутствует, т. е. сверхпроводники проявляют качества идеальных диамагнетиков (эффект Мейснера). В замкнутых цепях сверхпроводников проявляется эффект квантования магнитного потока, который означает, что поток, обусловленный электромагнитной связью, может принимать только значения, кратные /t/2^2,07-10~15ТХ Хш2 (где h— постоянная Планка, a q— количество электричества). Следовательно, сверхпроводники нельзя рассматривать как просто обычные проводники, сопротивление которых равно нулю. В данной главе объяснение эффекта сверхпроводимости дано на основе серьезного экспериментального и теоретического материала.
Чтобы определить состояние электронов в сверхпроводнике, рассмотрим температурную зависимость удельной теплоемкости. На рис. 6.16 представлены температурные зависимости удельной теплоемкости для сверхпроводника и обычного проводника. Очевидно, что при критической температуре сверхпроводникового перехода не происходит изменения кристаллической структуры. Изменение коэффициента р в удельной теплоемкости фононов рТ3 тоже незначительно, поэтому показанный' на рисунке резкий скачок удельной теплоемкости, по-видимому,. связан с электронами. Значительные изменения удельной теплоемкости системы электронов связаны с уменьшением энтропии. Следовательно, можно предположить, что сверхпроводящее состояние характеризуется высокой степенью упорядоченности системы электронов.
Похожим на явление сверхпроводимости является эффект сверхтекучести жидкого 4Не. Хорошо известно, что точка кипения жидкого гелия 4,2 К при давлении 10s Па. Если давление снижается до 5-103 Па, точка кипения равна уже 2,17 К- При дальнейшем снижении давления вязкое состояние не возникает, т. е. устанавливается так называемое состояние сверхтекучести. Атомы 4Не являются бозе-частицами, которые подчиняются статистическому распределению Бозе — Эйнштейна, В сверхтекучем состоянии большая часть атомов 4Не переходит в состояние с минимальной энергией, т. е. имеет место бозе- конденсация. При этом в каком бы виде движения ни участвовали атомы 4Не, это не приводит к потерям их энергии, иными словами, вязкость не возникает.
Если бы электроны, как и атомы 4Не, могли участвовать в Бозе-конденсации, то возникновение сверхпроводящего состоя-
ния, в котором сопротивление вещества равно нулю, можно было бы легко объяснить. Но хорошо известно, что электроны являются частицами Ферми, которые подчиняются принципу запрета Паули, поэтому Бозе-конденсация в этом случае невозможна. В то же время, когда электрон с волновым вектором к и спином t и еще один электрон с волновым вектором — к и спином | образуют связанную пару, то для этой пары в целом импульс равен нулю и спин тоже равен нулю. Для двух таких
Рис. 6.16. Температурная зависимость удельной теплоемкости для нормального проводящего и сверхпроводящего состояний. При температуре точки сверхпроводящего перехода удельная теплоемкость резко изменяется.Рис. 6.16. Температурная зависимость удельной теплоемкости для нормального проводящего и сверхпроводящего состояний. При температуре точки сверхпроводящего перехода удельная теплоемкость резко изменяется.электронных пар, например (kf, —Ц) и (k'f, —k'|), волновые функции электронов становятся симметричными. Понятно, что при этом частицы приобретают свойства бозонов.
Рис. 6.16. Температурная зависимость удельной теплоемкости для нормального проводящего и сверхпроводящего состояний. При температуре точки сверхпроводящего перехода удельная теплоемкость резко изменяется.
Рис. 6.16. Температурная зависимость удельной теплоемкости для нормального проводящего и сверхпроводящего состояний. При температуре точки сверхпроводящего перехода удельная теплоемкость резко изменяется.
ле электроны движутся в сределе электроны движутся в средеМежду электронами действуют силы взаимного электростатического отталкивания, поэтому трудно понять, каким образом могут образовываться связанные электронные пары. Однако поведение электронов в металле в значительной мере отличается от их поведения в вакууме. В метал- положительных ионов. Электро
ле электроны движутся в среде
ле электроны движутся в среде
ны вращаются вокруг положительных ионов металла, притягиваясь к ним, поэтому можно считать, что в среде возникает состояние с несколько повышенной по сравнению со средним значением плотностью положительного заряда. Сближение от
дельных электронов, которые притягиваются указанным положительным зарядом, эквивалентно образованию электронных пар. Поскольку силы образования электронных пар невелики, конденсация электронных пар имеет место только при низкой температуре, когда возмущения, связанные с тепловыми колебаниями решетки, малы.
С позиций приближения Бозе-конденсации электронных пар можно, таким образом, объяснить эффект сверхпроводимости образованием электронных пар, суммарный импульс и спин которых равны нулю. Если образование подобных электронных пар возможно, то общая энергия системы электронов в этом случае будет меньше, чем в обычном проводящем состоянии.
Таким образом, полагают, что в сверхпроводящем состоянии образуются электронные пары (kf, —k|), определенным образом упорядоченные и участвующие в движении, называемые куперовскими парами. Энергия куперовских пар ниже, чем в
обычном проводящем состоянии, поэтому на энергетической диаграмме электронов в металле в сверхпроводящем состоянии, как это видно из рис. 6.17, между значениями энергии электронов в сверхпроводящем состоянии и в обычном проводящем состоянии имеется энергетический зазор, который называется энергетическим зазором сверхпроводимости. Величина зазора изменяется в зависимости от температуры (обозначена на рисунке 2Д(Г)').
В полупроводниках величина энергетического зазора между зоной проводимости и валентной зоной составляет примерно 1 эВ, а величина энергетического зазора сверхпроводимости при О К для РЬ составляет 2,7 мэВ, а для Nb — 3,0 мэВ, т. е. несколько миллиэлектрон-вольт. Малая величина энергетического зазора сверхпроводимости является основной причиной низ
fостря- ниеснорг мольной прооойи- мостью
§ ййерзтроПойя-^§ щсо состояние
Знерготичес-- * ний зазор.- \ сйерг? просо-йимостиг^т)
Плотность состояний
W)
злей троной
Рис. 6.17. Зонная структура в сверхпроводящем состоянии. Сверхпроводящее состояние и состояние с нормальной проводимостью разделены энергетическим зазором.
кого потребления энергии элементов на переходах Джозефсона, которые будут рассмотрены ниже.
Физика перехода Джозефсона
Итак, поведение электронов сверхпроводимости характеризуется большей упорядоченностью. При этом состояние всей системы электронов описывается макроскопической волновой функцией V(r, /). Волновая функция всей системы электронов в состоянии сверхпроводимости выражается, по-видимому, суммой волновых функций отдельных электронов. Если волновые функции отдельных электронов выражаются плоскими волнами, функцию У (г, /) можно записать следующим образом:
' Т(г,0=п31/2-е/ф(г’°> (6-8)
где ns— плотность куперовских пар, ф(г, /) —фаза, г — вектор- радиус. Общий импульс — ns^ki. Фаза q>(г, /) выражается формулой:
■ ф(г, O=krr+cot (6.9)
Как показано на рис. 6.18, в результате туннельного эффекта в структуре, содержащей два сверхпроводника, разделенных промежуточным слоем изолятора, волновые функции электронов
сверхпроводимости, как и в случае контакта обычного металла с полупроводником, проникают в промежуточный слой. При этом волновая функция электронов сверхпроводимости в промежуточном слое выражается формулой:
Ф (х) = а (х) • nslV2. e^i+р (х) • п^Ч»• е^2, (6.10)
где «si, nS2 — плотность куперовских пар в сверхпроводниках I и II, фь ф2 — фаза в сверхпроводниках I и II, определяемая формулой (6.9).
С Вега провод-ник!С Вега провод-ник!Сверхпроводник ITСверхпроводник IT
С Вега провод-ник!
С Вега провод-ник!
Сверхпроводник IT
Сверхпроводник IT
-^х
х=0 W
Рис. 6.18. Упрощенная схема перехода Джозефсона.
Здесь а(х) и р(х) определяют глубину проникновения волновых функций из сверхпроводников I и II в промежуточный слой, поэтому на границах промежуточного слоя при х—0 и при х=№ функции принимают значения а(0) = 1; р(1Г) = 1, причем функция а(х) быстро уменьшается до нуля при х>0, а функция Р(х) также быстро уменьшается до нуля при х<№.
Плотность вероятности для этой волновой функции выражается формулой:
Дальнейшие вычисления дают
«иЛг-)х
X nsl42. п^ча. sin (ф2—Ti).(6.12)
Следовательно, между сверхпроводниками I и II протекает ток сверхпроводимости Js:
Js=J0.sin6,(6.13)
0 = ф2—фР(6.14>
При нулевом напряжении между сверхпроводниками протекает ток до Jo- Этот эффект называется эффектом Джозефсона постоянного тока. Когда ток, протекающий между двумя сверхпроводниками, превышает Im=A-J0 (где А— площадь перехода)» то между сверхпроводниками возникает напряжение, близкое
2Д(Т)/^. При дальнейшем увеличении тока напряжение увеличивается и вольт-амперные характеристики при этом приобретают вид, показанный на рис. 6.15.
Если nsi=nS2, а со, которая выражается формулой (6.9), соответствует энергии электронов сверхпроводимости, то при напряжении между двумя сверхпроводниками V выполняется соотношение:
<6Л6)
Иначе говоря, при напряжении между сверхпроводниковыми элементами V, соо= ^ V, и между сверхпроводниками протекает переменный ток
Js = Jo.sin(<V4-0o). (6.16) Этот эффект называется эффектом Джозефсона переменного тока.
Магнитные свойства сверхпроводников
Поскольку мы приняли, что сверхпроводниковые элементы являются абсолютными проводниками, рассеяние в которых отсутствует, то волновое уравнение для сверхпроводящих электронов примет вид:
т-^-qE,(6.17)
где v—скорость сверхпроводящих электронов. С другой стороны, плотность тока сверхпроводимости Js можно определить через плотность электронов п:
Js =—q-n-D.
В присутствии магнитного поля напряженность электрического поля Е может быть выражена через векторный потенциал А и скалярный потенциал ф;
=(6.18)
В обычном состоянии в сверхпроводнике электростатическое поле отсутствует, поэтому V0 = O, следовательно:
»s = -^- А.(6.19)
Из формул ((6.8) и (6.11) получаем плотность тока сверхпроводимости.
(6.20)
Поскольку эта зависимость вызвана совсем другими факторами, чем в (6.19), берем сумму и получаем
Js = ^-(AV<P-2^A).(6.21)
Плотность магнитного потока В
В = v-A( = rotA).(6.22)
В результате получаем уравнение, называемое уравнением Лондона:
V-JS=-^B.(6.23)
Кроме того из (6.19) получаем
^-=^..Е.(6.24)
at тх '
Уравнение (6.24) выражает временную зависимость тока сверхпроводимости во внешнем поле. Вводя (6.23) в уравнение Максвелла:
V'B = p0-Js(6.25)
и учитывая, что ротор градиента скалярной величины тождественно равен нулю, получаем
VV-B = povJs=—^-«В.(6.26)
Однако VB = 0, поэтому
V-V-B = V(VB)—V2B = —V2B,(6.27)
V2B = -^nB=-^.B,(6.28)
(6.29)
Формула (6.28) не имеет определенного пространственного решения, за исключением В = 0, и выражает эффект Мейсснера.
В случае полубесконечного сверхпроводника при х>0 плотность магнитного потока определяется через В(0) при х=0 решением уравнения:
В(х) = В(0).е“х/Ч(6.30)
где Xl — глубина проникновения магнитного потока в сверхпроводник, которая называется лондоновской глубиной проникновения. Подставив В из формулы (6.30) в формулу (6.28), получим
v2js=_^.js,(6.31)
Понятно, что и ток, протекающий в сверхпроводнике, распределяется в приповерхностном слое с толщиной, соответствующей глубине проникновения.
Квантование магнитного потока
Если сверхпроводящее кольцо при температуре выше точки сверхпроводящего перехода поместить во внешнее магнитное поле, в замкнутой цепи кольца в результате электромагнитной связи возникает магнитный поток. При уменьшении температуры ниже точки сверхпроводящего перехода и снятии внешнего магнитного поля магнитный поток внутри сверхпроводящего кольца не исчезает, так как в нем протекает остаточный электрический ток, который поддерживает магнитный поток внутри кольца. Однако указанный остаточный ток протекает лишь на расстоянии от поверхности, меньшем лондоновской глубины проникновения. Поэтому если размеры сверхпроводящего кольца значительно больше лондоновской глубины проникновения, то для центрального участка внутри кольца круговой интеграл по сверхпроводящему кольцу от плотности тока сверхпроводимости, определяемой формулой (6.21) равен нулю, т. е.
$ Jsdl =-& $ (A VV-2^A) dl = 0,(6.32}
где (^) dl — круговой интеграл по сверхпроводящему кольцу на участке, где плотность сверхпроводящего тока равна нулю. Далее получаем
-^Vtpdl—^Adl.(6.33}
Поскольку волновая функция обычно должна быть однозначно непрерывной, то за один круг по сверхпроводящему кольцу ф должна совершенно не меняться или измениться в число раз, кратное 2л. С другой стороны, применяя теорему Стокса к правой части формулы (6.33) и заменяя круговое интегрирование по 1 на интегрирование по площади S, получим
р =f (V A) ndS = -^- f BndS = -^-Ф,(6.34)
ss
O=jBndS (магнитный потокв сверхпроводящем кольце), (6.35)
где р = 0 или положительному или отрицательному целому числу, п — единичный вектор, ортогональный площади S. Следо-
вательно, ф = р-фо, . (6.36)
^о = -А- = 2,О7.1О-16Т.та. ' (6.37)
Таким образом, магнитный поток сверхпроводящего кольца может принимать лишь значения, кратные ^о- Иными словами, магнитный поток сверхпроводящего кольца квантуется и квантом магнитного потока является 0с-
Схемы на переходах Джозефсона
Переходы Джозефсона, как показано на рис. 6.15, имеют нелинейные вольт-амперные характеристики, поэтому они могут эффективно использоваться в цифровых схемах. В настоящее время элементы на переходах Джозефсона — это двухвыводные элементы, отличающиеся от полупроводниковых диодов, в частности, своими вольт-амперными характеристиками с полярностью, симметричной диодным характеристикам. По этой причине на основе элементов Джозефсона невозможно строить схемы, подобные диодным цифровым схемам. Элементы Джозефсона обладают, однако, рядом эффектов, таких как ранее рассмотренное квантование магнитного потока и квантовая интерференция, которая будет описана позже, — совершенно необходимых для традиционных схем. Это позволяет конструировать на основе элементов Джозефсона принципиально новые схемы. В данном параграфе рассмотрены характеристики элементов на переходах Джозефсона туннельного типа, широко используемых в цифровых схемах, а также основные виды цифровых схем на переходах Джозефсона.
Характеристики переходов Джозефсона туннельного типа
Вольт-амперные характеристики перехода Джозефсона, образованного двумя сверхпроводниками, разделенными туннельным изолирующим слоем толщиной несколько нанометров (рис. 6.15), имеют гистерезисный характер.
При нулевом напряжении между сверхпроводниками, как уже говорилось, в результате эффекта Джозефсона постоянного тока между сверхпроводниками протекает ток. Если подключить внешнее напряжение более 2Д(Т)/^, как это видно из энергетической диаграммы, представленной на рис. 6.19, возникает эффект туннелирования электронов из сверхпроводника I в сверхпроводник II на уровни выше сверхпроводящего энергетического зазора в виде куперовских пар. После туннелирования
’s hi РУЕ^^ ОИВ’s hi РУЕ^^ ОИВ’ll^9’ll^9Туниелбнз/й зиэлзлтрирТуниелбнз/й зиэлзлтрирРис. 6.19. Туннелирование электронов» между двумя сверхпроводниками.Рис. 6.19. Туннелирование электронов» между двумя сверхпроводниками.Рис. 6.20. Эквивалентная схема перехода Джозефсона.Рис. 6.20. Эквивалентная схема перехода Джозефсона.
’s hi РУЕ
^^ ОИВ
’s hi РУЕ
^^ ОИВ
’ll^9
’ll^9
Туниелбнз/й зиэлзлтрир
Туниелбнз/й зиэлзлтрир
Рис. 6.19. Туннелирование электронов» между двумя сверхпроводниками.
Рис. 6.19. Туннелирование электронов» между двумя сверхпроводниками.
Рис. 6.20. Эквивалентная схема перехода Джозефсона.
Рис. 6.20. Эквивалентная схема перехода Джозефсона.
они принимают состояние, отличное от состояний электронов в- обычном проводнике. Поэтому их называют квазичастицами. Далее, как это видно из рис. 6.15, при уменьшении тока ниже
критического состояние с нулевым напряжением уже не восстанавливается. Очевидно, что
это явление можно объяснить влиянием эффекта Джозефсона переменного тока.
Эквивалентная схема туннельного перехода Джозефсона с паразитной емкостью С представлена на рис. 6.20. На рисунке источник тока 7m-sin0
отображает ток, обусловленный эффектом Джозефсона
постоянного тока, паразитная
емкость С — электростатическую емкость двух сверхпроводников, а резистор с проводимостью G — нелинейную проводимость туннелирования квазичастиц. Используя эту эквивалентную схе-
му, можно вычислить ток через переход Джозефсона: / = /т.5ш0+СУ+С-^-_(6.38)
Подставляя в (6.38) формулу (6.15), исключаем напряжение:
<6-39).
^-^(6.40)
Рс=-^- -^--^ = -^- (фактор Мак-Камбера), (6.41) 4- ^-<6-42>
(круговая частота Джозефсона, соответствующая генерации напряжения при протекании через резистор с проводимостью G максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока).
on*
т. е. каждой напряженият. е. каждой напряженияРис. 6.21. Гистерезисный характер вольт-амперных характеристик перехода Джозефсона на постоянном токе, обусловленный эффектом Джозефсона переменного тока.Рис. 6.21. Гистерезисный характер вольт-амперных характеристик перехода Джозефсона на постоянном токе, обусловленный эффектом Джозефсона переменного тока.didi
т. е. каждой напряжения
т. е. каждой напряжения
Рис. 6.21. Гистерезисный характер вольт-амперных характеристик перехода Джозефсона на постоянном токе, обусловленный эффектом Джозефсона переменного тока.
Рис. 6.21. Гистерезисный характер вольт-амперных характеристик перехода Джозефсона на постоянном токе, обусловленный эффектом Джозефсона переменного тока.
di
di
Если электростатическая емкость так мала, что ею можно пренебречь, принимаем рс=0 и, интегрируя (6.39), получаем при Z<Z0, V = 0,
(6.43)(6.43)при Z>Z0, V=(ZO/G)[(Z/ZO)-1^
(6.43)
(6.43)
величине тока соответствует только одна величина и на вольт-амперных характеристиках перехода
Джозефсона гистерезис отсутствует.
Для случая рс=#0 могут быть использованы только методы численного интегрирования формулы (6.39). Конечный результат показан на рис. 6.21. Понятно, что для значений тока 1т<К1о гистерезис имеет место и при нулевом напряжении и при напряжении, отличном от нуля. Вольт-амперные характеристики, представленные на рис. 6.21, отличаются от экспериментально измеренных характеристик, показанных на рис. 6.15. Это связа
но с нелинейной зависимостью проводимости реальных элементов от величины протекающего тока.
4.6.2. Влияние магнитного поля на переход Джозефсона
Рассмотрим, как изменяется максимальная величина тока, обусловленного эффектом1 Джозефсона постоянного тока, при воздействии на переход Джозефсона внешнего магнитного поля.
'Рис. 6.22. Переход Джозефсона на внешнем магнитном поле.
Установим начало координат в центре туннельного изолирующего слоя (рис. 6.22) и рассмотрим в этом слое две точки Qi и Q2 с координатами (хь ух, 0), (х2, у», 0). Возьмем замкнутый контур, проходящий через указанные две точки через сверхпроводники I и II на глубине большей, чем глубина проникно- 'вения магнитного поля. Обозначим отрезки этого контура, лежащие в сверхпроводниках I и II как /1 и /2.
Пусть в точках Qi и Q2 разность фаз волновых функций в сверхпроводниках I и II 6 (Qi) и 9(Q2). Поскольку контур проходит в сверхпроводниках вблизи границы с туннельным изолирующим слоем, то изменением фазы в сверхпроводнике в направлении, ортогональном границе раздела, можно пренебречь, тогда получим
6(Qi)—e(Q2)=Jv<pd/ + JvTdZ.(6.44)
/1/2
С другой стороны, из формулы (6.21) следует, что внутри сверхпроводника
W-^-^+^-J.).(6.45)
Если глубина контура гораздо больше глубины проникновения магнитного поля, то в результате эффекта Мейсснера ток сверхпроводимости отсутствует. Ток сверхпроводимости вдоль поверхности сверхпроводника также не вносит заметного вклада. Тогда формула (6.44) примет вид
e(Qi)-9(Q2)=(£-^d/ = 2n-^-. (6.46)
Здесь Фь— магнитный поток в замкнутом контуре.
Площадь контура определяется толщиной туннельного изолирующего слоя di и глубиной проникновения магнитного поля в сверхпроводники I и II, составляющих ширину контура d:
(6.47)(6.47)d — d^ -|- 2Х
(6.47)
(6.47)
ПоэтомуПоэтому9(Q1)-6(<?2)=^--Bydx.9(Q1)-6(<?2)=^--Bydx.(6.48)(6.48)и, кроме того, расстоянием вдоль оси х между точками Qi и Q2.
Поэтому
Поэтому
9(Q1)-6(<?2)=^--Bydx.
9(Q1)-6(<?2)=^--Bydx.
(6.48)
(6.48)
Здесь Ву — у-компонента плотности магнитного потока.
Если подставить полученную формулу в формулу эффекта Джозефсона постоянного тока и проинтегрировать по ширине образца W, можно получить ток Джозефсона для единичной длины в направлении у:'
w„, „,
J = J Jo sin ( ^-. Bydx+90 ) dx = Jo' sin (-^-+ %)(6.49)
0
1 • 7 . П/ Sin (лФ/Ф0)._
Vo — Vo. W • яф/фо .(6.50)
Ф = Ву<ЖФ = Ву<Ж(6.51)
Ф = Ву<Ж
Ф = Ву<Ж
Следовательно, максимальная величина тока эффекта Джозефсона постоянного тока изменяется под действием внешнего магнитного поля согласно графику, представленному на рис. 6.23. Указанный эффект магнитного поля находит применение в магнитоуправляемых схемах, которые будут рассмотрены позже.
Рис. 6.23. Зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного потока.Рис. 6.23. Зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного потока.
Рис. 6.23. Зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного потока.
Рис. 6.23. Зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного потока.
Рис. 6.24. СКВИД постоянного тока. Два перехода Джозефсона (J.J.i » J.J.2) соединяются сверхпроводящими, шинами.Рис. 6.24. СКВИД постоянного тока. Два перехода Джозефсона (J.J.i » J.J.2) соединяются сверхпроводящими, шинами.(6.5>(6.5>
Рис. 6.24. СКВИД постоянного тока. Два перехода Джозефсона (J.J.i » J.J.2) соединяются сверхпроводящими, шинами.
Рис. 6.24. СКВИД постоянного тока. Два перехода Джозефсона (J.J.i » J.J.2) соединяются сверхпроводящими, шинами.
(6.5>
(6.5>
Эффект сверхпроводниковой квантовой интерференции
Как указывалось выше, в сверхпроводящем состоянии сверхпроводниковые элементы характеризуются относительно высокой упорядоченностью, поэтому анализ процессов производился с помощью макроскопической волновой функции. В этом смысле
состояние сверхпроводимости
является макроскопическим квантовым эффектом.
Но действительно макроскопическим квантовым эффектом является эффект квантовой интерференции между переходами Джозефсона, который используется в СКВИДах (SQUID —superconducting quantum interference device) — сверхпроводящих квантовых интерференционных приборах или квантовых интерферометрах.
На рис. 6.24 представлен
СКВИД постоянного тока с двумя или более переходами Джо- зефсона, заключенными в одном сверхпроводящем кольце. При протекании в СКВИДе внешнего тока / через переходы протекают токи /ю-sin01 и 72o-sine2 и ток I определяется формулой:
/ = 7j 0-sin Gj-f-^ o-sin е2.
В случае, показанном на рисунке, характеристики переходов Джозефсона совершенно одинаковы, и если магнитный поток в кольце отсутствует, то левая и правая части контура становятся ■совершенно симметричными, так что
J IQ SIH 0j — «^2 0 31П 02»(6.53)
« максимальный ток эффекта Джозефсона постоянного тока равен двойному току одного перехода Джозефсона.
Однако в том случае, когда в сверхпроводящем кольце имеет место магнитный поток, ситуация изменяется. Если размеры -сверхпроводящего кольца больше, чем глубина проникновения магнитного поля, то в центральной части кольца производится ■интегрирование по I, кроме того, берется круговой интеграл по ■сверхпроводящему кольцу по формуле (6.21) и с учетом квантования магнитного потока получается
-^- ^ ЛМ +J 2qAM = ^ к VTd/ = 2лпА.(6.54)
Здесь сверхпроводник выбирается достаточно глубоким, поэтому в контуре интегрирования, за исключением участков с переходами Джозефсона, Js=0 и
0j—02 = 2л -^—f-2nn.(6.55)
Объединив с формулой (6.52), получим
Z = /rsinOr, 0r = A±^_.(6.56)
Zr = 2/10lcos(n^l.(6.57)
Понятно, что 1г является синусоидальной функцией Ф. Это свойство и используется при конструировании цифровых схем.
Основные схемы на переходах Джозефсона
Множество цифровых схем, работающих на эффекте Джозефсона, основано на гистерезисном характере вольт-амперных характеристик туннельного перехода Джозефсона. При этом сверхпроводящее состояние и состояние при определенном напряжении между сверхпроводящими элементами соответствуют логическим уровням «О» и «1» (см. рис. 6.25,а). Как показано на рис. 6.25,6, при переходе из сверхпроводящего состояния в состояние при определенном напряжении используется зависимость максимального тока эффекта Джозефсона постоянного тока от магнитного поля. Кроме того, с этой целью может ис-
пользоваться метод управления внешним током инжекции, представленный на рис. 6.25, в, в котором рабочий ток превышает максимальный ток эффекта Джозефсона постоянного тока. Первая из этих схем называется магнитоуправляемым вентилем, а вторая — инжекционно-токовым вентилем.
Схемы, которые после перехода в состояние при определенном напряжении уже не возвращаются в сверхпроводящее со-
8годнейтот
Рис. 6.25. Логические вентили, использующие переход Джозефсона (J.J.): а — принцип действия логических вентилей на переходе Джозефсона; б — магнитоуправляемый вентиль; в — вентиль с инжекцией тока.
стояние без воздействия внешнего источника напряжения, называются схемами «защелкивающего» типа. '
В конструкции простого магнитоуправляемого вентиля, показанной на рис. 6.25,6, для обеспечения достаточно большой величины тока и коэффициента усиления тока необходима площадь перехода Джозефсона порядка 50x50 мкм2. Разрабатываются также схемы вентилей типа квантового сверхпроводящего интерферометра (см. рис. 6.26).
В магнитоуправляемых схемах вход и выход легко разъединить. При последовательном соединении множества магнитоуправляемых элементов увеличивается задержка, обусловленная индуктивностью схемы. При этом для успешного объединения множества элементов в схему требуется высокая однородность характеристик их управляющих линий. Кроме того, проектируются схемы с инжекцией тока, представленные на рис. 6.25, в.
В схемах с инжекцией тока связь входного и выходного сигналов простая, что упрощает решение задачи уменьшения размеров; однако при этом возникает проблема изоляции входного и выходного сигналов.
Тлнсмс-^\шгмия р&/дивной ГУН ОеоОнС72Лw. —* сигнала ог^рг^ПрТлнсмс-^\шгмия р&/дивной ГУН ОеоОнС72Лw. —* сигнала ог^рг^ПрРис. 6.26. Магнитоуправляемый вентиль SQUID постоянного тока; J.J. — переход Джозефсона.Рис. 6.26. Магнитоуправляемый вентиль SQUID постоянного тока; J.J. — переход Джозефсона.Рис. 6.27. Вентиль 4JL с инжекцией тока.Рис. 6.27. Вентиль 4JL с инжекцией тока.
Тлнсмс-
^\шгмия р&/дивной ГУН ОеоОнС72Лw. —* сигнала ог^рг^Пр
Тлнсмс-
^\шгмия р&/дивной ГУН ОеоОнС72Лw. —* сигнала ог^рг^Пр
Рис. 6.26. Магнитоуправляемый вентиль SQUID постоянного тока; J.J. — переход Джозефсона.
Рис. 6.26. Магнитоуправляемый вентиль SQUID постоянного тока; J.J. — переход Джозефсона.
Рис. 6.27. Вентиль 4JL с инжекцией тока.
Рис. 6.27. Вентиль 4JL с инжекцией тока.
Рис. 6.28. Элемент памяти с неразрушающим считыванием на основе сверхпроводниковой петли. При записи после включения 1У включается 1Х. При стирании после включения I/ включается 1Х. Считывание производится через вентиль считывания Js. Jw — вентиль записи.Рис. 6.28. Элемент памяти с неразрушающим считыванием на основе сверхпроводниковой петли. При записи после включения 1У включается 1Х. При стирании после включения I/ включается 1Х. Считывание производится через вентиль считывания Js. Jw — вентиль записи.
Рис. 6.28. Элемент памяти с неразрушающим считыванием на основе сверхпроводниковой петли. При записи после включения 1У включается 1Х. При стирании после включения I/ включается 1Х. Считывание производится через вентиль считывания Js. Jw — вентиль записи.
Рис. 6.28. Элемент памяти с неразрушающим считыванием на основе сверхпроводниковой петли. При записи после включения 1У включается 1Х. При стирании после включения I/ включается 1Х. Считывание производится через вентиль считывания Js. Jw — вентиль записи.
Использование сверхпроводящего квантового интерферометра тина 4JL— вентиля, который показан на рис. 6.27, позволяет легко решить проблему изоляции входного и выходного сигналов. В полупроводниковых ЗУ механизм памяти подобен на-
L , г гУправляю-
’ у * Yшииток |^ Ток смешениям
^р_с ^^-^7г^р
Рис. 6.29. Элемент памяти с разрушающим считыванием на основе SQUID постоянного тока. J.J. — переход Джозефсона.
коплению заряда на конденсаторе, а в сверхпроводящем кольце с протекающим по нему постоянным током память может быть построена на накоплении магнитного потока внутри кольца. На рис. 6.28 представлена эквивалентная схема ячейки памяти на основе сверхпроводящего кольца. Считывание происходит без разрушения информации с помощью вентиля считывания. На рис. 6.29 показана эквивалентная схема ячейки памяти на
сверхпроводящем квантовом интерферометре с разрушением информации при считывании. При функционировании такой ячейки необходимо производить перезапись информации, что, приводит к увеличению длительности цикла работы схемы. Однако при построении ЗУ на основе таких ячеек можно добиться повышения плотности упаковки элементов за счет того, что в ячейке памяти достаточно одного СКВИДа постоянного тока.
Логические схемы на элементах Джозефсона
Сочетая различные вентили, рассмотренные в предыдущем разделе, можно сконструировать всевозможные логические схемы. На рис. 6.30 представлены схемы вентилей, лежащих в ос-
1А о
Тв °
Из LА-В
-—г№' ^ОТ——
^д xl№)xMfZm)
Рис. 6.30. Основные схемы логических вентилей с инжекцией тока: а — вентиль ИЛИ; б — вентиль И. J.J. (7а) — переход Джозефсона при максимальном токе /а эффекта Джозефсона постоянного тока.
нове CIL — токовой инжекционной логики.
В схемах на основе туннельных переходов Джозефсона проявляется эффект «защелкивания», поэтому на их основе сложно реализовать логическую функцию «НЕ». На рис. 6.31 приведен пример такой схемы. Рассмотрим подробнее ее работу. При подаче тока смещения ZB все три вентиля Z.Z.b LL2, LLa находятся в сверхпроводящем состоянии. При подключении входного сиг-
нала вентиль JJ.\ переходит в состояние под напряжением и через вентиль /./.2 ток смещения почти не протекает, следовательно, несмотря на поступление сигнала синхронизации вентиль LJ.2 не переходит в состояние под напряжением. Поэтому вентиль JJ.s также остается в сверхпроводящем состоянии, так что при подаче сигнала логической «1» на вход схемы на ее выходе получается сигнал логического «О». Если входной сиг-
Рис. 6.31. Инвертор на основе перехода Джозефсона.
нал отсутствует, то при подаче сигнала синхронизации на вентиль J./.2 он переходит в состояние под напряжением, следовательно и вентиль ЛЛ3 также переключается в состояние под напряжением, т. е. когда на входе схемы сигнал логического «О», то на ее выходе формируется сигнал логической «1», таким образом схема реализует логическую функцию отрицания.
ИС на элементах Джозефсона
Переходы Джозефсона являются тонкослойными элементами, поэтому при формировании ИС на их основе используются процессы вакуумного испарения, напыления (для нанесения тонких слоев) и литографии (для формирования конфигурации элементов) . В полупроводниковых ИС применяются другие материалы, следовательно, технологические процессы не могут быть прямо и полностью перенесены на создание элементов Джозефсона. Однако на практике процессы не подвергаются значительным изменениям.
На рис. 6.32 представлен пример конструкции ИС на элементах Джозефсона. Высокий уровень развития технологии формирования высококачественного термического слоя изолятора на лицевой поверхности кремния обеспечивает хорошую теплопроводность при крайне низкой температуре. Поэтому в качестве подложек ИС Джозефсона в большинстве случаев используются кремниевые пластины.
На поверхности подложки напыляется подслой Nb, затем его поверхность окисляется и далее сверху последовательно наносятся слои SiO и РЬ—In (12 весовых %) —Au (4 весовых %)', образующие сверхпроводниковый элемент. Вслед за этим на лицевой поверхности в процессе окисления в высокочастотной
SiO (~300w)SiO (~300w)РезисторAuln2(~40*л/) .РезисторAuln2(~40*л/) .SiO ( —2OQ//A/)NbiOs (~30W)Nb (~300>w)SiOi(-100>W) ^-поблажкаSiO ( —2OQ//A/)NbiOs (~30W)Nb (~300>w)SiOi(-100>W) ^-поблажкаSiO ( — 500A7V) ,SiO(~100w)SiO ( — 500A7V) ,SiO(~100w)Z^\ СВеркпробоВник.Pb-Bi (-400W)1ЖВ- СвератробобАшкPb-In-Au (~300Aw)Z^\ СВеркпробоВник.Pb-Bi (-400W)1ЖВ- СвератробобАшкPb-In-Au (~300Aw)
SiO (~300w)
SiO (~300w)
РезисторAuln2(~40*л/) .
РезисторAuln2(~40*л/) .
SiO ( —2OQ//A/)
NbiOs (~30W)
Nb (~300>w)
SiOi(-100>W) ^-поблажка
SiO ( —2OQ//A/)
NbiOs (~30W)
Nb (~300>w)
SiOi(-100>W) ^-поблажка
SiO ( — 500A7V) ,SiO(~100w)
SiO ( — 500A7V) ,SiO(~100w)
Z^\ СВеркпробоВник.
Pb-Bi (-400W)
1ЖВ- СвератробобАшк
Pb-In-Au (~300Aw)
Z^\ СВеркпробоВник.
Pb-Bi (-400W)
1ЖВ- СвератробобАшк
Pb-In-Au (~300Aw)
Рис. 6.32. Структура ИС на элементах Джозефсона: 1 — защитный слой на лицевой поверхности; 2— туннельный окисный слой РЬО/1п2О3 (6 нм); 3 — сверхпроводящая разводка РЬ—In—Au (800 нм); 4 — сверхпроводящее заземление.
кислородной плазме формируется окисный слой толщиной порядка 5 нм, поверх которого напыляется слой РЬ—Bi (29 весовых %) и таким образом создается переход Джозефсона.
В качестве резистивных элементов используется слой Аи1пг> образуемый напылением Au и In, резистивные свойства которого обусловлены главным образом рассеянием на границах зерен. Для формирования соединительных линий сверхпроводниковый слой РЬ—In—Au наносится поверх защитного изолирующего слоя на лицевой поверхности подложки.
В качестве материала сверхпроводниковых элементов часто используются сплавы РЬ, так как они позволяют легко сформировать переход Джозефсона. Вместе с тем применение сплавов РЬ затрудняет повышение надежности схем; поэтому в последнее время с этой целью в разработках используется Nb и его сплавы.
Следует отметить, что джозефсоновские ИС не требуют применения монокристаллических материалов и формируются главным образом с использованием тонкопленочной технологии. Следовательно, имеются большие возможности для создания трехмерных ИС на эффекте Джозефсона.
Логические ИС Джозефсона отличаются высоким быстродействием и малым потреблением энергии. С 1,5 мкм-проект- ными нормами уже изготовлены DCL (direct coupled logic —
логика с прямыми связями) — схемы с задержкой около 6 пс/ вентиль и потребляемой мощностью до 2 мкВт на 1 вентиль. Сообщалось о разработке кольцевого генератора на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов с временем задержки на 1 цикле 12 пс при комнатной температуре. Принципиальное ограничение быстродействия переходом Джозефсона связано с тем, что электроны должны преодолевать энергетический зазор сверхпроводимости, не возбуждаясь, и определяется величиной й/2А(Т), что соответствует ~1 пс. Это обстоятельство необходимо учитывать в будущих разработках кольцевых генераторов. Поскольку рабочее напряжение схем на переходах Джозефсона определяется уровнем 2А(Т)/д, что составляет порядка 10-3 В (примерно в 1000 раз меньше, чем для полупроводниковых ИС), то и потребление энергии схемами Джозефсона чрезвычайно мало. Низкое потребление энергии является важнейшей особенностью ИС Джозефсона, значение которой очевидно при сравнении с биполярными ИС.
Применение сверхпроводниковых материалов в разводке обеспечивает повышение быстродействия и снижение искажений передачи сигнала (достигается уменьшение задержки передачи сигнала до 12 пс/мм). Это важно как для логических ИС, так и для повышения быстродействия ЗУ с большим объемом памяти.
Основными особенностями джозефсоновских ИС памяти также являются повышенное быстродействие и уменьшенное потребление энергии. Например, для ЗУ с объемом памяти 4Кбит и неразрушающим считыванием информации достигается время выборки 500 пс и потребляемая мощность 6 мВт, а для ЗУ с объемом памяти 16Кбит и разрушающим считыванием — время выборки 15 нс и потребляемая мощность 40 мкВт.
При разработке ИС памяти на эффекте Джозефсона необходимо, сохранив быстродействие, расширить допустимые пределы области функционирования. Необходимо путем учета регулярных факторов, связанных с технологическим процессом и проектированием, и нерегулярных факторов, таких как внешние шумы, магнитные ловушки, ток тепловых шумов, которым нельзя пренебречь из-за малочисленности квантов магнитного потока, используемых в качестве памяти, решить вероятностную задачу переключения ячеек памяти на основе сверхпроводниковых квантовых интерферометров.
Как уже говорилось выше, перед разработчиками ИС Джозефсона стоит множество проблем, связанных с технологией изготовления, конструированием элементов и схем. Если судить по масштабам предыдущих исследований и разработок, то можно сделать вывод, что ИС Джозефсона находятся пока на начальной стадии развития, что не позволяет сравнивать их с полупроводниковыми ИС, которые уже достигли высокого уровня.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
. Автолегирование 153—155
Акцепторы 47
Акцепторные уровни 170
.Алюминиевая разводка 176, 204—207
.Анизотропное травление 232, 234
Баллистические электроны 59, 72 ‘Барьер Шоттки 77, 203—204, 278— 280
•Бездислокационные монокристаллы 26
'Биполярный транзистор 9, 89, 99, 292
'Большие интегральные схемы, БИС 14—23, 217, 228, 249
'Быстрые поверхностные состояния 166
Вакансии 169
Валентная зона 39, 76
Валентные электроны 32
Влажное окисление 159, 161
Больт-амперные характеристики, ВАХ 75, 82, 311
Вольт-фарадные характеристики 87, 111
Бремя жизни неравновесных носителей 65
Выпадения примесей 146
Вырожденный полупроводник 49
■Высокоомный кремний 241
«Газофазная эпитаксия 150—151, 186— 188
; Генерирование примесей 145
Горячие электроны 48, 67
Граница раздела 162
Дефекты кристаллической решетки 45 — упаковки 146, 174 Деформация пластин 145
Динамические запоминающие устройства 150
Диоды Шоттки 201
Дислокации 146
Дислокационные петли 146
Диффузия носителей 60, 242
— примеси 165, 149, 173
Диффузионная длина 96
Долины 69
Доноры 47
Донорные уровни 170
Дрейф электронов 55, 67
«Жесткие» связи 170
Жидкофазная эпитаксия 150
Загонка примеси 191
Запоминающее устройство, ЗУ 13, 170, 178, 266
Запрещенная зона 41, 168
Зона проводимости 40
Зонная диаграмма 202
Зоны Бриллюэна 35
Изопланар 252
Инверсный слой 116, 119
Индексы Миллера 29
Инжекция носителей 92
Ионная имплантация 149, 198
Ионно-инициируемая реакция 236
Ионно-стимулированная реакция 236
Ионное травление 170
Искажение формы типа «птичий клюв» 175
Коллекторный переход 149
Комплементарные МОП ИС 150
Контакт Шоттки 75, 203, 278
Координационное число 28
Коэффициент сегрегации 173
КНИ-технология 150, 158
КНС-технология 150, 156—158
Кремниевый затвор 177
Кристаллические дефекты 162, 199
Кристаллическая ориентация 168
— структура 27
Лавинные электроны 170
Лазерные диоды 150
Литография 209, 216
— с использованием глубокого ультрафиолета 216
Ловушки 65
Лондоновская глубина проникновения 304
Маскирующее покрытие 165
Маскирующие свойства 165
Междуузлия 169, 192
Межслойная изоляция 176
Межэлементная изоляция 149
Мелкий переход 201
МДП-транзистор 24, 293
МОП-транзистор 24, 107
Металлическая электрическая разводка 201
Метод — зонной плавки 141
-*- литографии с повышенным контрастом 220
— локального окисления (LOCOS) 175
рентгеновского фотоэлектронного
анализа 169
Чохральского 141
— Шокли 52
Микроскопический дефект 147
Многослойная разводка 208
Многокомпонентный полупроводник 150
Модель Эберса — Молла 104—105
Молекулярно-лучевая эпитаксия 150
Напряжение плоских зон 113
Невырожденный полупроводник 49
Негативный резист 222
Непрямые переходы 42
Низкоомный контакт 205 п-канальные МОП-структуры 150, 270
Обедненный слой 80, 84
Область перехода 82, 169
Окисленные связи 169
Окисление при высоком давлении 165
Ориентационный срез 145
Отжиг 168, 199
Параболический закон окисления 161
Парные дислокации 147
заряды 170
Переход Джозефсона 298—301
Плавающий затвор 170
Плазменное анодное окисление 165 — травление 234, 235 Планарная технология 165 Поверхностные состояния 162 Подвижность 56
Подзатворный окисный слой 164
Позитивный резист 233
Полевые транзисторы 107, 280
— транзисторы с изолирующим затвором 280
Положительно заряженные дырки 162
Пороговое напряжение 123, 124—129
Пошаговое экспонирование 216
Проекционное экспонирование 216
Промежуточный фотошаблон 211
В
ространственная частота 216
рофиль легирования 190
Разгонка примеси 191
Реакционная камера 165
Реактивное ионное травление 18, 219
Рекомбинация 62—63
Рентгенолитография 221
Рентгеношаблон 228, 231
Самосовмещение 177
САПР 23
Светодиоды 150
СКВИД 310
Синхротрон 230
Скорость окисления 162
Скрытый слой 149
Собственный полупроводник 50
Собственное геттерирование 148
Совмещение 165
Статические ЗУПВ 266
Сухое травление 232
— окисление 161
Теория окисления металлов 162
Термическая диффузия 188
Токовая инжекционная логика 314
Топология 232
Транзисторы на сверхрешетках 150
— с высокой подвижностью электронов 58, 288
Треугольник Дила 168
Уровень Ферми 24, 121
Фосфоросиликатное стекло 148, 178
Фоторезист 18, 212
Фотостимулированное травление 240
Фотошаблон 211, 224, 233
Фотоэкспонирование 212, 214
Химическое травление 232
Центры заряда 166
— захвата 64
Частотно-контрастная характеристика 216
Электронно-дырочные пары 70
Электронно-лучевое экспонирование* 220
Электрическая прочность 149, 171
Элементы Джозефсона 306, 314—316»
Энергия активации 161
разрыва связи 161
Эпитаксия 149
Эффект близости 225, 226
— вытеснения эмиттера 194
— вымораживания носителей 51, 53*
— Ганна 69, 284
— Джозефсона 276, 308
— «защелкивания» 150
Кирка 102
короткого канала 127
компенсации примеси 51
— Мейснера 299, 309
сверхпроводимости 298
- Эрли 100
Эффективная масса 37
Оглавление
Предисловие редактора перевода Предисловие
Глава 1. Интегральные схемы — основа микроэлектроники . .. .
Развитие микроэлектроники
Состояние технологии изготовления БИС .. ...
Микроэлектроника будущего
Глава 2. Электрические свойства полупроводников
Структура кристаллической решетки и энергетических зон
Механизмы протекания электрического тока ....
Генерация и рекомбинация носителей
Полупроводники в сильных электрических полях .
Основные уравнения для анализа работы полупроводниковых приборов
Глава 3. Полупроводниковые приборы
Контакт «металл — полупроводник» и рп-переход .
Биполярные транзисторы
Полевые МОП-транзисторы
Полевые транзисторы с затвором Шоттки ....
Глава 4. Технология изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем 4.1. Основные технологические этапы изготовления ИС 4.2. Монокристаллы кремния 4.3. Дефекты монокристаллов и геттерирование примесей 4.4. Эпитаксия 4.5. Окисел кремния и свойства окисных пленок ....
Изготовление тонких пленок методом химического осаждения из газовой фазы 4.7. Легирование примесями: диффузия и ионная имплантация 4.8. Металлическая электрическая разводка 4.9. Литография 4.10. Травление рисунка 4.11. Моделирование технологических процессов ....
Глава 5. Основные структуры полупроводниковых ИС
Структуры биполярных ИС
Смешанные монолитные ИС на биполярных и МОП-струк- турах
Структуры МОП ИС
Структуры МОП СБИС
Применение МОП СБИС
Глава 6. ИС на полупроводниках группы AIHBV и на элементах Джозефсона
11
11 1 2'
2
2
4: 6!
6
7^
7»
78
1$’
13^
141
145
14S
1$£
170, 188 201 20€ 232
241
246
256
257
262
264:
276
Полупроводники группы AIHBV и кремний как материалы для ИС
Структура энергетических зон полупроводников группы
АШву
Приборы на полупроводниках группы AmBv ....
ИС на полупроводниках группы AIHBV
Физика перехода Джозефсона
Схемы на переходах Джозефсона
ИС на элементах Джозефсона
Предметный указатель ..
270,
$8о; 284 294; 298! 306' 3151 318
Введение в микроэлектронику
* Поскольку при влажном окислении примесь легко вводится в окисел, в последнее время формирование подзатворного окисла производят методом сухого окисления или окислением в НС1.
3) большая плотность ловушек на границе раздела Si3N4— SiO3;
4) и 5) S13N4 чрезвычайно стабилен по отношению к примесям и. в частности, к щелочным металлам.
Метод газофазной эпитаксии подразделяется на эпитаксию при обычном давлении, эпитаксию при низком давлении и эпи