Технология формирования кремниевой n+-n-p-SiO2 структуры

Министерство образования и науки РФ

РГРТА

Кафедра: БМПЭ

Курсовая работа

На тему:

«Технология формирования кремниевой

n+-n-p-SiO2 структуры»

Выполнил:

Проверил:

Рязань 2005.

Содержание

Введение.

Физические исследования полупроводников были начаты в 19 веке, однако возникновение полупроводниковой технологии обязано появлению транзистора (от англ. Transresistance – переходное сопротивление). Германиевый транзистор с точечными переходами был изобретен 23 декабря 1947 года. В 1950 году был изготовлен первый плоскостной транзистор p-n-p структуры методом выращивания слитка Германия из расплава.

В 1959 году – Килби и Нойс получили патент США на производство схем на одном кристалле или микросхем на основе предложенной к этому времени планарной технологии. В основе этого открытия лежали несколько фундаментальных технологических методов. Была впервые показана возможность точечного легирования полупроводниковых кристаллов с использованием в качестве маски двуокись полупроводника. В этом же году был разработан метод защиты p-n-переходов на кремневых кристаллах защитной пленкой диоксида кремния, а годом раньше был разработан метод фотолитографии, позволяющий создавать сложный рисунок на очень небольшой поверхности полупроводникового кристалла.

Наряду с разработкой технологических методов развитие ИС включало исследования принципов работы их элементов, изобретение новых элементов, совершенствование методов очистки полупроводниковых материалов, проведение их физико-химических исследований с целью установления таких важнейших характеристик, как предельные растворимости примесей, коэффициенты диффузии донорных и акцепторных примесей и др.

Проектирование ИМС делится на две составляющие: электрическое проектирование и физическое проектирование. Физическое проектирование это выбор материала, выбор технологии, проектирование базового элемента и топологии схемы. Физическое проектирование значительно более сложная часть проектирования. Без знания проблематики технологий разработки СБИС электрическое проектирования невозможно. Проектирование должно быть бездефектным, так как исправления не возможны.

Следовательно гораздо более важно правильно выбрать и расчитать основные процессы и операции создания прибора, и уже позже перейти к проектированию логики и функциональных особенностей работы ИМС. В данной работе будет освещено выращивание полупроводниковой структуры типа n+ - n – p – SiO2.

("1") Анализ технического задания

Цель работы расчет технологии выращивания слоистой структуры n+ - n – p – SiO2 (рис 1). Здесь n+ - подложка, легированная фосфором (P) с объемным сопротивлением 10-3 Ом/см. n – эпитаксиальный слой толщиной 3 мкм и поверхностным сопротивлением 4 Ом∙см. p – диффузионный слой толщиной 1 мкм и поверхностной концентрацией 2*1019 см-3. SiO2 - маскирующий диэлектрик толщиной 0,4 мкм.

Рис. 1 Вид заданной структуры

Чтобы получить подобную структуру, необходимо рассчитать три процесса: выращивание эпитаксиального слоя, получение диффузионного слоя и выращивание защитного диэлектрика. При расчетах необходимо учесть изменение толщин слоев в процессе проведения операций и авто-легирование эпитаксиального слоя из подложки.

Расчет заданной структуры

Расчет режимов диффузии

По заданию, диффузионный слой должен иметь толщину xjb = 1 мкм и поверхностную концентрацию фосфора No = 2*1019 см-3. Исходя из этого, можно определить время диффузии и количество примеси, вводимое при диффузии. В качестве метода диффузии, применяется диффузия из источника ограниченной мощности. Температура процесса Tb = 1050 0C, тогда:

Температура диффузии бора.

Коэффициент диффузии бора. (см2/с)

Заряд электрона. (Кл)

Толщина диффузионного слоя. (см)

Подвижность электронов в эпитаксиальном слое.( см/В∙с)

Поверхностная концентрация в диффузионном слое.

Постоянная Больцмана.

Удельное сопротивление в эпитаксиальном слое. (Ом/см)

Энергия активации бора. (эВ)

Постоянная диффузии бора.

("2") ()

Концентрация в эпитаксиальном слое

Расчетная величина. Зная это произведение можно найти время диффузии.

Время диффузии бора в секундах или 44 минуты.

Концентрация примеси, которую нужно загнать в диффузионный слой. (см-3)

Эпитаксиальное наращивание

Мне необходимо вырастить эпитаксиальный слой n-типа проводимости, толщиной de = 3 мкм и удельным поверхностным сопротивлением ρ = 4 Ом∙см. Для проведения процесса использован хлоридный метод эпитаксии.

Пусть температура процесса Te = 1170 0C, тогда скорость процесса ve = 1.2 мкм/мин. Концентрация CSiCl4 = 0.12 моль/л. Концентрация хлорида фосфора в газовом потоке, для получения концентрации фосфора в слое – 1.103∙1015 см-3, СPH3/СSiCl4 = 10-7 [2]. Скорость газового потока vг = 0,5 м/c. Время процесса эпитаксии, t = (de + dd +xje)/ve, будет равно 5 мин. или 300 с.

При эпитаксии будет происходить автолегирование фосфора из материала подложки. Автолегирование будет происходить как диффузия из источника неограниченной мощности.

Температура эпитаксии (K)

Постоянная диффузии фосфора

Удельное сопротивление подложки (Ом*см)

Поверхностная концентрация в подложке (см )

Скорость эпитаксии для данной температуры.

Толщина эпитаксиального слоя.

Толщина диффузионного слоя.

("3") Энергия активации фосфора (эВ)

Коэффициент диффузии фосфора при температуре эпитаксии.

Коэффициент диффузии фосфора при температуре диффузии бора

Время эпитаксии, с учетом автолегирования

Толщина слоя, в которую происходит автолегирование

Распределение при автолегировании.

("4") Рис. 2 Профиль распределения примеси при автолегировании

Рис. 3 Суммарное распределение примеси при автолегировании

Рис. 4 Вид структуры после эпитаксии

Расчет распределения примеси в диффузионном слое.

Зная концентрацию N=5.659*1014 и время диффузии tb=2637 секунд, построим график распределения.

Рис. 5 Профили распределения примеси после диффузии

Рис. 6 Суммарное распределение примеси в структуре после диффузии

Толщина диффузионного слоя

см

Рис. 7 Суммарное распределение примеси во всей структуре

("5") Рис. 8 Вид структуры после диффузии

Контроль полученной структуры

Для контроля полученной структуры проще всего измерить поверхностное сопротивление диффузионного слоя. Зная Rs (Ом/□), можно установить поверхностную концентрацию атомов в слое, глубину залегания и удельное сопротивление, построить графики распределения примеси и сравнить с заданными. Величину Rs можно рассчитать следующим образом:

Зависимость подвижности от координаты

средняя проводимость диффузионного слоя.

Осаждение пленки диоксида кремния

Что бы не происходило перераспределения примеси в подложке, процесс проводится пиролитическим осаждением при разложении тетраэтоксилана Si(OC2H5)4 т. к. этот процесс проводится в отдельной камере, откуда продукты реакции доставляются к подложке. По графику зависимости толщины пленки от времени роста, определяется, что при температуре To = 700 0C, 0.4 мкм будет расти 60 мин или 1 час, следовательно, скорость процесса Vo = 0.0066 мкм/мин. Вид структуры после окисления представлен на рисунке:

Рис. 9 Структура после окисления

Требования к полупроводниковым подложкам

Первое, что нужно сделать это подготовить пластину кремния, выбрав ее, так что бы она подходила общим требованиям к полупроводниковым подложкам и обработать ее поверхность для проведения последующих технологических процессов.

Основные требования к полупроводниковым подложкам из Германия и кремния, следующие:

Точность кристаллографической ориентации должна быть ±1…2° (+30¢). Данное требование критично для окисления, травления, эпитаксии, диффузии. Допуск по толщине +1…2%. Критично для совмещения и экспонирования, а также скрайбирования. ("6") Клиновидность должна быть на уровне ±0.5% для того, чтобы также успешно проводить совмещение, экспонирование, скрайбирование. Неплоскостность –1…2 мкм. Прогиб пластин –4…6 мкм. Шероховатость поверхности сторон (высота микронеровностей) должна быть менее 0.05 мкм. Этот фактор влияет на весь технологический процесс. Полное отсутствие механических загрязнений также необходимо для проведения любых операций. Количество адсорбированных примесей должно быть менее 1012…1014 атомов/см2, либо менее 1012…1014 ионов/ см2. Это требование необходимо выполнять для качественного проведения диффузии, эпитаксии и эксплуатации приборов. Полное отсутствие нарушенного слоя и механических упругих напряжений. Плотность дислокаций не выше объемной. Выполнение этих требований необходимо для операций окисления, диффузии, эпитаксии и др.

Качество поверхности характеризуется ее микрорельефом, кристаллическим совершенством поверхностных слоев и степенью физико-химической чистоты (отсутствие фазовых пленок и других загрязнений). Поверхность подложки характеризуется неплоскостностью и непараллельностью. Высокие требования предъявляются и к обратной –нерабочей стороне подложки. Неодинаковая и неравноценная обработка обеих сторон подложки приводит к дополнительным остаточным механическим напряжениям и деформации кристалла, что обуславливает изгиб пластин [3].

Получение чистой поверхности полупроводниковых подложек связано с требованием недопустимости каких-либо загрязнений при проведении процессов диффузии, эпитаксиального наращивания и др. Поэтому основной целью технохимических процессов является удаление с поверхности исходных подложек различного рода загрязнений. Получение чистой поверхности подложек связано с большими трудностями и, как правило, достигается проведением комплекса различных технохимических процессов: промывка в воде, ультразвуковая промывка в растворителях, химическое или газовое травление и т. д.

Удаление с поверхности подложки механически нарушенного слоя, образовавшегося в результате шлифовки и полировки с использование абразивных или алмазных микропорошков, необходимо для получения атомарно совершенной структуры поверхностного слоя, который в свою очередь, позволяет создать на подложке активные структуры ИМС с высокими электрофизическими параметрами. Удаление механически нарушенного слоя с поверхности подложек можно осуществлять химическим и газовым травлением, а также ионно-плазменной и плазмохимической обработкой.

Технохимическая обработка пластин

К технохимическим процессам в производстве полупроводниковых ИМС относят: очистку поверхности кремниевых пластин, проявление фоторезиста, травление диэлектрических и металлических пленок, удаление фоторезиста. Операция очистки поверхности кремниевых пластин, как правило, предшествует нанесению фоторезиста, окислению, эпитаксии и диффузии. От степени чистоты поверхности кремниевых пластин зависят качество выполнения названных операций, параметры и выход годных приборов.

Можно говорить о двух видах загрязнения поверхности: физическом – наличие пыли, жировых и других загрязнений –и химическом, созданном за счет химических реакций поверхности пластины с окружающей средой (оксиды, сульфиды, карбонаты и др.). Примеси первого вида удерживаются на поверхности за счет слабых адсорбционных сил, тогда как примеси второго вида удерживаются на поверхности за счет сильных химических и хемосорбционных связей. Типичными физическими загрязнителями являются: воск, смолы, жиры, остатки органических растворителей, частицы пыли и т. п. К химическим загрязнениям поверхности относятся оксидные пленки, ионы металлов, хемосорбированные из травителей и паст, используемых при полировке и т. п.

Как правило, на поверхности подложек присутствуют все виды примесей, поэтому технология очистки пластин обычно включает процессы, обеспечивающие последовательное удаление примесей различной природы. Сначала удаляются примеси органического происхождения (обезжиривание) в перекисно-аммиачных растворах при 75…80°С. Органические загрязнения удаляются в течение 5…7 мин путем окисляющего разложения их перекисью водорода с последующей гидродинамической отмывкой поверхности. Кроме того гидроксид аммония образует комплексные соединения с рядом металлов (Cu, Ag, Ni, Co, Cd и другими), что облегчает их удаление с поверхности пластин.

Для очистки примесей, остающихся на поверхности после обезжиривания, используются концентрированные растворы азотной кислоты, которая окисляет как органические, так и неорганические вещества.

Примесные скопления могут забиваться в мельчайшие поры и щели на поверхности, и без химико-механической обработки удалить их не удается. В результате такой обработки пластин на поверхности образуется оксидный слой из диоксида кремния. Поэтому пластины проходят гидродинамическую и ультразвуковую отмывку в деионизированной воде. Ультразвуковая очистка основана на погружении кремниевых пластин в ванну с раствором, который перемешивается с помощью ультразвука. Звуковые колебания (от 20 до 40 кГц), вызывают одновременное перемешивание и кавитацию в жидком растворе, сообщают ему большую энергию, за счет которой загрязнения быстро и легко удаляются из самых труднодоступных участков.

После очистки производится промывка пластин в потоке деионизированной воды. При этом пластины подвергаются кистевой обработке на центрифуге (с непрерывной подачей деионизированной воды) и сушке центрифугированием. Эта технологическая операция необходима, поскольку при высыхании капель растворителя на поверхности кремниевых пластин остаются загрязнения [2]. О качестве промывки подложек судят по значению удельного сопротивления воды на входе (1-20 МОм×см) и выходе промывочной камеры. Сопротивление тем выше, чем меньше загрязнений. Обычно промывку ведут до тех пор, пока сопротивление воды на выходе не сравняется с сопротивлением воды на входе промывочной камеры [1].

Парогазовая обработка кремневых пластин

Парогазовая обработка пластин в последнее время находит все большее применение при изготовлении полупроводниковых приборов. Особое практическое значение этот метод имеет при подготовке пластин к эпитаксиальному наращиванию, т. к. исключается возможность промежуточного загрязнения. Этот процесс может проводиться после механической полировки, химического травления и др. процессов технохимической обработки пластин. Воздействию парогазовых смесей подвергаются поверхностные слои пластины, которые в процессе обработки удаляются вместе с загрязнениями и нарушениями [1].

Рассмотрим несколько способов парогазовой обработки, которые применяются в полупроводниковой технологии.

Обработка в смеси (HCl + H2). Процесс проводят в герметичной камере при 1200 0С. Si подложки располагают в реакторе рабочей камеры и разогревают в течении нескольких минут. После этого добавляют небольшое количество (0,5 – 2%) без водного хлористого водорода. Реакция взаимодействия Si со смесью идет с образованием SiCl2 или SiCl4 в виде легколетучих соединений.

("7") Si(тв) + HCl(газ) ↔ SiCl2(пар) + H2(газ) (1)

Наряду со смесью хлористого водорода в реакции может примется смесь бромистого водорода или смесь йодистого водорода, при тех же температурах можно достичь тех же скоростей процессов.

Обработка в смеси (Cl2 + H2). Основным преимуществом данного метода пред перед идущим является снижение температуры рабочего процесса с 1200 до 1100 0С. Процесс обработки происходит в тех же установках но реакция кремния с хлором имеет вид:

Si(тв) + Cl2(газ) ↔ SiCl2(пар) (2)

Обработка в смеси (H2O +H2). Обработку кремния парами воды проводят при высокой температуре (1250 – 1270 0С). В рабочую камеру поступает поток водорода, в который добавляют пары воды в количестве, не превышающем 0,02-0,1%. Реакция взаимодействия кремния с парами воды имеет вид

Si(тв) + H2O(пар)↔SiO(пар) + H2(газ) (3)

Так же обработку кремния можно проводить в парах (H2S + H2) и (SF6 + H2). Для всех рассмотренных методов, кроме обработки в парах воды, наличие нежелательных примесей в рабочих смесях приводит к образованию нежелательных включений на поверхности подложки. При попадании в рабочую камеру кислорода на поверхности Si образуются нежелательные включения SiO или SiO2, а при попадании в камеру азота наблюдаются включения нитрида кремния размером в несколько ангстрем[1].

Глубина стравленных слоев кремния при такой обработке обычно не превышает 10 – 15 мкм. Для снижения рабочей температуры процесса можно использовать газовые смеси хлора с гелием, или например водорода, гелия, йодистого водорода и фтористого водорода, взятых в соотношении 80:20:0,5:0,001[3].

Ионно-плазменная обработка пластин

Является одним из самых специфических процессов в полупроводниковой технологии, который не требует использования жидких травителей. Сущность метода состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов инертного газ (плазмы) с поверхностью подложки.

При соударении заряженного иона с атомом подложки происходит передача момента количества движения от иона к атомам подложки. Другими словами, ускоренный ион инертного газа из ионной плазмы ударяется о поверхность подложки. При этом он передает атомам подложки свою энергию. Т. к. начальная энергия иона велика, то первый атом соударяется со следующим атомом, тот в свою очередь, покидая свое место в кристаллической решетке выбивает последующий атом, заставляя его прейти на поверхность подложки. Т. о. серия соударений ион – атом – атом, выводит последний атом на поверхность и если его энергия больше работы выхода, то он покидает объем материала и переходит в объем рабочей камеры[1].

Для осуществления этого процесса, исходную полупроводниковую подожку помещают в рабочую камеру, где создается определенное давление инертного газа. С помощью расположенных в камере электродов добиваются стабильного тлеющего разряда. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой. На подложку подается относительно большое отрицательное напряжение. В результате чего положительно заряженные ионы плазмы бомбардируют поверхность подложки, и слой за слоем выбивают атому с нее, т. е. травят ее.

Техника проведения процесса связанна с методом образования плазмы инертного газа. Существует три основных метода образования плазмы:

Источником плазмы служит самостоятельный тлеющий разряд, возникающий при определенном давлении инертного газа в камере при приложении напряжения между анодом и катодом;

плазма возбуждается за счет дугового разряда, стимулированного током термоэлектронной эмиссии;

создание плазмы высокочастотным (ВЧ) возбуждением.

Рис. 10 Установка для ионно-плазменной обработки пластин

1 – рабочая камера, 2 – катод, 3 – анод, 4 – подложка, 5 – плазма инертного газа.

Процесс ионно-плазменной обработки состоит в следующем. Из рабочей камеры откачивают воздух и заполняют ее инертным газом. Наиболее часто для этих целей используют аргон. Предварительно обрабатываемую подложку закрепляют внутри камеры на электроде между анодом и катодом. Давление инертного газа в камере устанавливают от 1,3 до 0,13 Па. Между анодом и катодом прикладывают напряжение, не превышающие нескольких десятков вольт. Процесс обработки подложки начинается с включения на нее высокого отрицательного напряжения (порядка 1 – 3 кВ), достаточного для интенсивной бомбардировки ее положительными ионами инертного газа плазмы. Выбиваемые атомы переходят в объем рабочей камеры и осаждаются на ее стенках или на специальных защитных экранах[1].

("8") Помимо ионно-плазменной обработки также существует плазмохимическая обработка пластин. Это процесс удаления поверхностного слоя пластины, при взаимодействии этой пластины с плазмой инертных газов и смесей газов. При этом методе можно в одной камере совместить несколько технологических операций: очистку поверхности, травление и осаждение новых слоев. От вышеизложенного метода этот отличается тем, что процесс отчистки подложки происходит не только посредством бомбардировки ионами, но и вследствие химического взаимодействия подложки с реагентами плазмы.

Способ обработки обладает рядом преимуществ: он легко управляем; позволяет проводить регулировку режимов на всех стадиях его применения. Анизотропное травление кремния проводят в смесях: CCl4 + O2 дает К = 30, C2F6 + O2 дает К = 1,1 и C2Cl2F4 + O2 дает К = 0,8. Где К – коэффициент анизотропии, отношение скорости травления по плоскости (100) к скорости травления по плоскости (111).

Наибольшее распространение метод имеет в полупроводниковой технологии для удаления слоев фоторезиста с поверхности пластин.

Выбор метода. Я выбрал следующу обработку. Сначала удаляются примеси органического происхождения (обезжиривание), далее окисление в концентрированной азотной кислоте с последующей гидродинамической и ультразвуковой отмывкой в деионизированной воде. После очистки производится промывка пластин в потоке деионизированной воды и сушка.

Методы наращивания эпитаксиальных пленок

Ориентированный рост поверхности монокристалла, т. е. рост слоя повторяющего структуру подложки, называют эпитаксиальным ростом, а процесс получения такого слоя – эпитаксией.

Эпитаксиальное осаждение вещества на монокристалл проводят из различных сред: пара (молекулярных пучков), газа, раствора (расплава), ионных пучков (потоков). Известны также три группы процессов эпитаксии : автоэпитаксия – процесс ориентированного роста вещества, однотипного по структуре с подложкой, отличающегося от нее только содержанием легирующих примесей; гетероэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, отличающегося от вещества подложки по составу, происходящий при их кристаллохимическом взаимодействии; хемоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды[2].

Существуют три основных технологических метода получения эпитаксиальных пленок:

Молекулярно-лучевая эпитаксия - основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой с осаждением на ней элементарных компонентов. Эпитаксиальный рост осуществляется в сверхвысоком вакууме посредством одновременной реакции многочисленных молекулярных пучков различной плотности и химического состава с нагретой подложкой и характеризуется малой контролируемой скоростью протекания эпитаксии (1 мкм/ч или 1 атомный слой/с), что позволяет модулировать молекулярный пучок с точностью до моно слоя. Эпитаксия в газовой фазе - при кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия атомы полупроводника переносятся в составе химического соединения, которое диссоциирует на подложке, освобождая атомы полупроводника (если в процессе участвуют элементарные полупроводники – германий и кремний) или его молекулы. Химические методы наиболее широко применяются при получении эпитаксиальных слоев в производственных условиях. Эти методы относятся к непрямым процессам переноса, сущность которых заключается в том, что в результате определенных химических реакций образуется полупроводниковый материал. Среди гипотез эпитаксиального роста из газовой фазы следует отметить две. Согласно первой, полупроводник образуется на подложке в результате реакции диссоциации, катализируемой поверхностью подложки. Согласно второй, разложение соединений полупроводника происходит на некотором удалении от подложки. Частицы полупроводника достигают подложки путем диффузии в газовой фазе[1].

3. Жидкостная эпитаксия - заключается в наращивании монокристаллического слоя полупроводника из расплава или раствора-расплава, насыщенного полупроводниковым материалом. Полупроводник эпитаксиально кристаллизуется на поверхности подложки, погружаемой в расплав, при его охлаждении. В большинстве случаев при кристаллизации из жидкой фазы в качестве растворителя используют какой-либо металл, обладающий неограниченной растворимостью с полупроводником в жидком состоянии и образующий эвтектику, например Al-Si или Аu-Si. В случае жидкофазной эпитаксии полупроводниковых соединений в качестве растворителя применяют легкоплавкий компонент соединения, например Ga для GaAs и GaP. Это позволяет снизить температуру кристаллизации и уменьшить перепад температуры на границе подложка - расплав, что повышает чистоту наращиваемого слоя.

Хлоридный метод эпитаксии кремния

Его широкое распространение обусловлено сравнительной простотой и доступностью исходных материалов. Пары тетрахлорида кремния и водород подаются в реактор, где протекает основная реакция восстановления кремния

SiCl4+2H2=Si+4HCl (1)

Вместо тетрахлорида иногда используют трихлорсилан SiHCl3, восстановление которого протекает согласно реакции

SiHCl3 + H2⇄Si+3HCl (2)

При избытке хлористого водорода НСl обе реакции идут справа налево, что используют для газового травления подложек с целью удаления поверхностных слоев кремния, содержащих нарушения структуры, а также остатков диоксида кремния и загрязнений. Процесс восстановления SiCl4 является более сложным, чем описываемый реакцией (1). Протекание реакций промежуточных взаимодействий учитывают двумя способами. Согласно первой схеме, восстановление сопровождается протеканием реакций с участием дихлорида кремния SiCl2, HC1 и Н2. Реакции осаждения (1) сопутствует реакция травления кремния:

SiCl4 +Si⇄2SiCl2 (3)

Вклад этой реакции увеличивается при возрастании концентрации тетрахлорида в водороде, что приводит к падению скорости роста эпитаксиального слоя [1]. Увеличение содержания SiCl4 до 5% приводит к увеличению скорости роста пленки (рис. 11); затем скорость уменьшается вследствие неполного восстановления SiCl4. При невысоких температурах подложки и больших содержаниях SiCl4 образуются рыхлые аморфные пленки. Увеличение температуры и уменьшение молярной доли SiCl4 обусловливают уплотнение пленок [4].

("9") Рис. 11 Зависимость скорости роста эпитаксиального слоя от молярной доли SiCl4.

Помимо этого идут побочные реакции:

SiCl2 + HCl⇄SiHCl3, (4)

SiCl2 + 2H2⇄SiH3Cl+HCl (5)

Образующиеся хлористоводородные соединения кремния восстанавливаются водородом до чистого кремния.

Согласно второй схеме, восстановление SiCl4, происходит в газовой фазе по одной из реакций:

SiCl4 + H2⇄SiHCl3 + HCl (6)

или

SiCl4 + H2⇄SiCl2 + 2HCl. (7)

После частичного восстановления SiCl4 идет восстановление хлоридов или диспропорционирование их на подложке с образованием атомарного кремния. Относительно более легкий распад молекулы SiHCl3 по сравнению с молекулой SiCl4 определяется меньшей энергией связи Si – Н по сравнению с энергией связи Si – Cl.

При малых концентрациях тетрахлорида кремния в водороде наблюдают линейную зависимость скорости роста от концентрации SiCl4 в соответствии с реакцией (1). При увеличении содержания SiCl4 скорость роста снижается и в дальнейшем наблюдается переход к травлению подложки — преобладает реакция (3)

Экспериментально показано, что при температурах ° С максимальное значение энергии активации (145 кДж/моль) соответствует концентрации 5% SiCl4 в водороде. При более низких или более высоких концентрациях SiCl4 энергия активации процесса осаждения кремния снижается. Таким образом, при концентрациях SiCl4 менее 1% происходит реакция роста (1). При больших концентрациях одновременно с реакцией (1) идет реакция травления (3), а также парофазные реакции

Осаждение кремния совершается в интервале температур 1150 – 1250 °С, концентрация тетрахлорида в водороде поддерживается на уровне 0,5—1%, а скорость потока газа составляет 0,1 — 1 м/с. При этих условиях скорость роста слоев близка к 1 мкм/мин. При невысоких температурах и большом содержании тетрахлорида в парах образуются рыхлые и аморфные или поликристаллические слои кремния. Увеличение температуры подложек и уменьшение мольной доли тетрахлорида в газовой смеси ведет к уплотнению и кристаллизации слоев[2].

Выбор метода эпитаксии. Я буду проводить хлоридную эпитаксию, т. к. это наиболее распространенный и просто осуществимый метод. Метод технологичен, позволят проводить процесс в двух направлениях, пара газовая отчистка подложки и эпитаксия. Будут использоваться следующие режимы: температура эпитаксии Те = 1170 о С, концентрация CSiCl4 = 0.12 моль/л., концентрация хлорида фосфора в газовом потоке, для получения концентрации фосфора в слое – 1.103∙1015 см-3, СPH3/СSiCl4 = 10-7 Скорость газового потока vг = 0,5 м/c. Время процесса эпитаксии - 5 мин. или 300 с.

Реакторы.

Температурные и газодинамические условия проведения процесса во многом определяют качество растущих эпитаксиальных слоев, поэтому к оборудованию для эпитаксии предъявляют высокие требования. Установки эпитаксиального наращивания отличаются, прежде всего конструкцией реакторов, которые бывают двух основных типов: горизонтальные, вертикальные и цилиндрические.

Горизонтальный реактор обладает наиболее простой конструкцией (рис. 12, а). Поток парогазовой смеси идет в нем параллельно подложкодержателю и, обедняясь по мере протекания над пластинами, вызывает изменение толщины и удельного сопротивления эпитаксиальных слоев. Для более равномерного осаждения используют два способа: подложкодержатель устанавливают под некоторым углом к направлению газового потока (рис. 12, б) либо используют распределенный ввод газа по всей длине подложкодержателя (рис. 12, в).

.

Рис. 12

("10") Вертикальные реакторы обеспечивают наилучшие условия для нагрева и потока газовой смеси благодаря осевой симметрии конструкции реактора. Вращение подложкодержателя способствует выравниванию тепловых и газодинамических полей. На рис. 13, а показан реактор с четырехгранным подложкодержателем и вертикальным вводом парогазовой смеси, при-менявшийся в первоначальных конструкциях установок с вертикальным реактором. На рис. 13, б показан высокопроизводительный вертикальный реактор барабанного типа с горизонтальным вводом рабочей смеси. Нагрев четырехгранного графитового подложкодержателя производится с помощью индуктора токами ВЧ, а реактор представляет собой кварцевую трубу. Нагрев барабанного подложкодержателя осуществляется изнутри с помощью резистивных элементов, а реактор выполнен из нержавеющей стали, его иногда называют колпаковым.

Рис. 13.

.

Цилиндрические реакторы. На рис. 14 представлена простейшая модель цилиндрического реактора.

Рис. 14 Модель цилиндрического реактора

Принципиальная схема установки для эпитаксии представлена на рис. 15.

Рис.15 Принципиальная схема установки для эпитаксии

Сосуд с тетрахлоридом кремния или смесью SiCl4+BBr3, либо SiCl4+PCl3, содержащей легирующие добавки — трехбромистый бор BBr3, или треххлористый фосфор РС13 для легирования слоя акцепторной или донорной примесью, находится в термостате, поддерживающем с высокой точностью температуру тетрахлорида, что обеспечивает необходимое давление паров. Обычно это температура около или ниже 0 °С, так как SiCl4— очень летучая жидкость. В систему подается водород, прошедший палладиевую очистку для удаления следов влаги и кислорода. В палладиевой или платиновой системе очистки стоит диафрагма из Pd или Pt соответственно, нагретая до 400—450 °С. Атомарный водород диффундирует с высокой скоростью через эту диафрагму, его расход составляет около 1 м3/ч, тогда как другие вещества почти не проникают через диафрагму вследствие малости их коэффициентов диффузии.

Точка росы после очистки составляет —70° С. Водород проходит через кран 1 и ротаметр, измеряющий расход водорода. Краны 2, 3, 4 закрыты. Кремниевые подложки нагреваются до 1000—1200° С, и в протоке водорода их поверхность подвергается очистке. Кран 1 закрывают, а краны 2 и 3 открывают. Водород проходит через сосуд с SiCl4 и насыщается парами тетрахлорида, которые в реакторе восстанавливаются до элементарного кремния. Продукты реакции, непрореагировавший SiCl4, H2, HC1 и др. чрез открытый кран 5 выходят в скруббер, предназначенный для улавливания ядовитых отходов, где они сгорают в водородном пламени. Для газового травления в установках эпитаксиального наращивания предусмотрена подача хлористого водорода через кран 1 в камеру перед процессом эпитаксии[2].

Выбор реактора. В настоящей работе будем использовать вертикальный реактор, так как он обладает более лучшими условиями для нагрева и потока газовой смеси, по сравнению с горизонтальным.

Методы контроля эпитаксиальных слоев.

Основными параметрами, определяющими пригодность эпитаксиального слоя, являются концентрация носителей заряда, плотность дефектов и толщина слоя. Толщину слоя на кремнии измеряют, испльзуя технику поперечных шлифов, с помощью поперечного скола, по интерференции ИК-лучей и путем наблюдения дефектов упаковки.

Техника поперечных шлифов. Основными этапами изготовления поперечных шлифов являются запрессовка исследуемого кристалла в пластмассу, сошлифовка части материала перпендикулярно плоскости перехода, полировка и селективное травление полученного сечения.

Для выявления внешних дефектов, производят тщательный осмотр кристалла под микроскопом типа МБС-2, а также при большом увеличении на металлографическом микроскопе типа МИМ-7, МИМ-8А.

После хим. обработки на шлифе выявляется граница перехода, что позволяет определить глубину вплавления и проследить ровность фронта вплавления.

Интерференция ИК-лучей. Отражения ИК-лучей в диапазоне длин волн 10-35 мкм. происходит не только от поверхности пластины, но и от границы раздела эпитаксиальный слой-подложка. По картине интерференции можно судить о толщине слоя. Надежные данные получают если сопротивление слоя выше 0.1 Ом*см, а сопротивление подложки ниже 0.02 Ом*см. С увеличением концентрации примеси в слое возрастает поглощение лучей, тогда как с уменьшением концентрации примеси в подложке растет пропускание ею лучей и уменьшается их отражение от на границе. Разность хода лучей , отраженных на поверхности слоя и на границе подложка – слой, определяется толщиной слоя h, показателем его преломления и углом преломления .

Неоднородность слоя по толщине или размытие распределения примеси на границе подложка-слой приводит к ухудшению контраста интерференционной картины.

("11") Поперечный скол. Этот способ получил распространение для хрупких материалов, таких, как соединения типа АIIIBV и их твердые растворы. Пластину с выращенным эпитаксиальным слоем помещают на ровную поверхность и легким нажатием пинцета или скальпеля на ее край откалывают кусочек. Скалывание происходит по плоскости спайности, поэтому, отступив от грани скола по краю пластины на 1-2 мм, делают еще один скол – параллельно предыдущему. Полученный образец – поперечный скол – представляет собой длинную полоску шириной 1-2 мм и толщиной, равной толщине пластины.

Для выявления границы слой – подложка, скол травят в щелочном растворе красной кровяной соли:

20(г)K3Fe(CH6)3+30(г)KOH+250(г)H2O (1)

в течение 1-2 мин. Граница слой – подложка выявляется в виде темной полосы. Измерение толщины эпитаксиального слоя производят с помощью микроскопа МИМ-7 с микроскопической насадкой.

Наблюдение дефектов упаковки. Так как дефекты упаковки зарождаются преимущественно на границе раздела и образуют правельные тетраэдры, то высота этих тетраэдров равна толщине слоя. При ориентации подложки по плоскости (111) основанием тетраэдров является равносторонний треугольник, а высота тетраэдра

, (2)

где L – длина стороны равностороннего треугольника.

Выявление дефектов упаковки в кремнии производят путем травления в смесях:

40см3 HF, 20cm3 HNO3, 40cm3 H2O, 20г AgNO3 (3)

или

30cm3 HNO3, 120cm3 CH3 COOH, 10cm3 HF. (4)

Травление ведется 5 – 20 с.

Выбор метода контроля. При изготовлени предложенной мне структуры, я воспользуюсь интерференцией ИК-лучей для контроля толщины эпитаксиального слоя, так как меня устраивают критерии для получения надежных данных : подложка с сопротивлением 10-3 Ом*см и эпитаксиальный слой с сопротивлением 4 Ом*см.

Легирование эпитаксиальных пленок.

При выращивании эпитаксиальных слоев хлоридным методом легирование растущего слоя производят через газовую фазу путем переноса соединений легирующих примесей (хлоридов донорных и акцепторных элементов) тем же потоком газа, в котором содержится основной материал для роста слоя - тетрахлорид кремния. Хлориды основных легирующих примесей - фосфора и бора - при комнатной температуре представляют собой летучие жидкости, неограниченно растворимые в SiCl4 [2].

Возможны различные способы введения хлоридов в газовую смесь. Так, хлориды могут быть растворены в SiCl4 и испаряться вместе с ним. Можно получать газовую смесь заданного состава, испаряя каждый из хлоридов в отдельности и смешивая их пары в газовой фазе. При этом давление каждого из хлоридов определяется температурой жидкой фазы и имеется возможность изменения удельного сопротивления слоя в ходе его выращивания.

При легировании все реакции на поверхности происходят быстро, т. е. скорость процесса определяется скоростью переноса реагентов в газовой фазе. Это объясняется тем, что все используемые для легирования эпитаксиальных слоев хлориды (ВС13, PCl3, AsCl3 и SbCl3) восстанавливаются водородом при температурах, существенно более низких, чем SiCl4 .

На поверхности растущего слоя происходят следующие реакции:

2ЭCl3 + 3H2⇄2Э (пар) + 6HCl, (1)

Э (пар)⇄Э (тв. Раствор), (2)

("12") где Э —легирующий элемент (Р, В, As или Sb).

Термодинамические характеристики указанных веществ дают основание считать, что в условиях роста Р, As, В и Sb остаются на поверхности в моноатомном состоянии. Тогда механизм процессов легирования эпитаксиального слоя протекает следующим образом, легирующее соединение через газовую фазу переносится к поверхности, где оно полностью восстанавливается и выделяет легирующий элемент в моноатомном состоянии. Часть атомов легирующего элемента захватывается растущим слоем и легирует его, а часть остается в газовой фазе вблизи поверхности растущего слоя, находясь в равновесии со своим твердым раствором. В равновесном состоянии должно выполняться условие, согласно которому поток легирующих атомов (в составе хлоридов), направленный к поверхности, должен быть равен сумме потоков свободных атомов, уходящих от поверхности, и легирующих атомов, входящих в растущий слой.

При образовании эпитаксиальных слоев происходит интенсивное внедрение примеси, содержащейся в подложке, в эпитаксиальный слой. Это особенно заметно при наращивании высокоомных слоев на сильнолегированные подложки. Благодаря такому внедрению сглаживается резкое различие концентрации примеси в подложке и эпитаксиальном слое. Внедрение примеси из подложки в эпитаксиальный слой обусловлено двумя факторами - диффузией и автолегированием.

Диффузия примесей из сильнолегированной подложки при выращивании высокоомных слоев очевидна, поскольку имеется градиент примеси, а процесс наращивания проводится при высоких температурах.

При автолегировании внедрение примеси из подложки в растущий эпитаксиальный слой обусловлено травлением подложки (при реакции диспропорционирования или при реакции с хлористым водородом). В результате травления образуются не только хлориды кремния, но и хлориды содержащихся в кремнии примесей. Они переходят в газовую среду, а в силу обратимости проходящих реакций внедряются в растущий слой.

Для снижения концентрации примесей, проникающих в эпитаксиальный слой вследствие диффузии, следует использовать подложки с примесями, имеющими низкие коэффициенты диффузии, например с мышьяком и сурьмой вместо фосфора [1].

Методы получения диффузионных слоев

Диффузия — перенос вещества, обусловленный тепловым движением атомов при наличии градиента концентрации данного вещества в сторону ее убывания.

Для осуществления диффузии полупроводниковую пластину помещают в нагретую до высокой температуры кварцевую трубу диффузионной печи. Через трубу пропускают пары легирующей примеси, которые адсорбируются на поверхности пластины и диффундируют в кристаллическую решетку полупроводника.

Самодиффузия — перемещение атомов в однородной среде, где их концентрация везде одинакова.

Энергию, которую необходимо сообщить атому для единичного скачка в кристаллической решетке, называют энергией активации диффузии. С меньшей затратой энергии происходит диффузия по границам зерен и вдоль дислокационных линий. Еще меньшей энергией активации обладает диффузия по поверхности.

В твердых телах диффузия осуществляется посредством трех основных механизмов: при обмене атомов местами; атом покидает свое положение в узле решетки и движется по междоузлиям до тех пор, пока не попадет в вакантный узел; атомы диффундируют посредством последовательных перескоков по вакантным узлам.

Для полупроводниковых материалов, где преобладают дефекты по Френкелю, возможны все три механизма диффузии, а для кристаллов с дефектами по Шоттки наиболее характерен третий механизм. В твердых растворах внедрения диффузия примесных атомов проходит по междоузлиям, в твердых растворах замещения — осуществляется всеми тремя механизмами.

Законы диффузии. Скорость диффузии зависит от кристаллографического направления, однако в большинстве полупроводников обнаруживается слабая анизотропия. В реальном технологическом процессе диффузии не существует преимущественного перемещения атомов примеси в кристалле.

Распределение примеси при диффузии и глубина залегания

При диффузии из источника бесконечной мощности, обеспечивающего постоянство поверхностной концентрации Со, распределение концентрации примеси C(x, t) по глубине диффузионного слоя х для произвольного времени t описывается выражением

, (1)

где — диффузионная длина примесных атомов. Символ erfc обозначает функцию дополнения интеграла ошибок erf до единицы. Где D – коэффициент диффузии легирующей примеси в полупроводник:

(2)

Do – постоянная диффузии диффузанта (см2/с), численно равная коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре, ∆E - энергия ионизации легирующей примеси (эВ), T – температура диффузии (K) и k – постоянная Больцмана (эВ/К)[2].

("13") Если диффузия идет из источника с ограниченным содержанием примеси, находящейся в начальный момент в бесконечно тонком поверхностном слое, то профиль распределения концентрации имеет вид

, (3)

где N— плотность атомов примеси под единицей площади поверхности, неизменная в любой момент диффузии, ат/см2; х — глубина, соответствующая данной концентрации, см; D — коэффициент диффузии примеси, см2/с; t — длительность диффузии, с.

Глубина залегания диффузионного р-n-перехода

, (4)

где Св — концентрация примеси в исходной пластине полупроводника. При х=0 поверхностная концентрация примеси

, (5)

Для многих практических случаев глубина р-n-перехода

, (6)

При последовательной диффузии ряда примесей пластина полупроводника подвергается многократным циклам диффузии. Для расчета С(х, t) в этом случае следует использовать сумму:

. (7)

Электронно-дырочные переходы, образованные методом диффузии, обладают плавным распределением примеси, крутизна которого характеризуется градиентом концентрации а.

Понятие плавного, как и резкого, р-n-перехода идеализировано. С ростом глубины диффузии и более высоким содержанием примеси в исходной пластине переход является более плавным и лучше соответствует модели перехода с линейным распределением примеси в области пространственного заряда (ОПЗ). Чем меньше глубина диффузии и концентрация примеси в исходной пластине, тем лучше приближение к резкому переходу [2].

Рис. 16 Распределение примеси при диффузии а – из бесконечного источника, б – из ограниченного источника

Технология получения диффузионных слоев

Диффузию проводят в сравнительно ограниченном диапазоне температур. Для кремния, например, этот диапазон 1100—1300°С или с учетом процесса загонки при двухстадийной диффузии 1000—1300°С. Ниже 1000°С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С качество диффузионных слоев неудовлетворительно вследствие нарушения поверхности пластин под действием температуры. Если в изолированный объем поместить пластину полупроводника и примесный элемент и нагреть их до некоторой температуры, то вследствие сублимации или испарения примесного элемента в объеме вскоре установится определенное парциальное давление его паров. Молекулы пара адсорбируются всеми поверхностями, в том числе и поверхностью пластины, и при достаточно большой температуре диффундируют вглубь. В общем случае равновесная концентрация пропорциональна давлению пара, поэтому управление поверхностной концентрацией примеси осуществляют путем контроля давления пара. Если равновесие на поверхности достигается за время, меньшее, чем длительность диффузии, то поверхностная концентрация остается постоянной. Поэтому в большинстве случаев распределение примеси при диффузии из газовой фазы описывается функцией дополнения к интегралу ошибок.

Рис. 17 Способы проведения диффузии

Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 17, а — в, д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Входной конец диффузионной трубы 3 служит для введения газа-носителя (азота, аргона или кислорода). Термин «закрытая труба» относится к диффузии в герметизированной ампуле (рис. 17, г). Пластины полупроводника 1 и источник диффузанта 4 загружают в кварцевую ампулу 6, которую вакуумируют, герметизируют и помещают в диффузионную печь 5.

("14") Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 17, д), либо вводят в виде пара или газа в газ-носитель (рис. 17, а) [1].

Выбор метода диффузии. В моей работе использовался метод диффузии из источника ограниченной мощности, т. к. этот процесс не нуждается в точном контроле источника диффузанта и расходует меньшее количество реагентов. Режимы: температура процесса – 1050 0C, время процесса – 2637 с, или 44 мин., доза вводимых атомов бора – 5,659 * 1014 см-3, для контроля структуры Rs – 155,744 Ом/□.

Методы контроля диффузионных структур.

Контроль параметров диффузионных слоев составляет основу получения диффузионных структур высокого качества. Основными контролируемыми параметрами являются глубина залегания диффузионного р-n-перехода xj, поверхностное сопротивление слоя Rs и поверхностная концентрация примеси Со.

Измерение глубины залегания р-n-перехода. Вследствие того что диффузионные слои могут быть очень тонкими (порядка единиц микрометров и менее), для их контроля изготовляют сферический шлиф. Металлический шар диаметром 30—100 мм вращается, касаясь поверхности пластины. В место соприкосновения подается алмазная паста или оксид хрома. Образовавшаяся лунка сферической кривизны должна быть глубже р-n-перехода, тогда после окрашивания, если диффузионный слой имеет электропроводность р-типа, в лунке образуется темное кольцо. Окрашивание p –области производят в растворе, состоящем из 0,05—0,1 % азотной (70%-ной) кислоты в 48%-ной плавиковой кислоте. Возникающее потемнение обусловлено образованием оксида кремния вследствие окисления р-области.

Измеряя с помощью инструментального микроскопа с микрометрической насадкой больший d1 и меньший d2 диаметры окрашенной области, находят глубину залегания р-n-перехода:

(1)

где D –диаметр шара.

Измерение поверхностного сопротивления. Удельное сопротивление легированного слоя обратно пропорционально содержанию примеси, поэтому, зная r, можно однозначно определить концентрацию примеси в полупроводнике. Понятие удельного сопротивления для неоднородно легированного диффузионного слоя теряет практический смысл и не может служить точной характеристикой содержания примеси. Уровень легирования диффузионных слоев оценивают, измеряя их поверхностное сопротивление, т. е. продольное сопротивление диффузионного слоя.

Сопротивление вдоль поверхности диффузионного слоя зависит только от количества примесных атомов в слое, а не от их концентрации. Поверхностное сопротивление определяется как сопротивление диффузионного резистора, толщина которого равна глубине залегания р-n-перехода хj, а длина и ширина равны друг другу и образуют квадрат со стороной l. Сопротивление такого параллелепипеда

(2)

где r — среднее значение удельного сопротивления диффузионного слоя, которое нам нет необходимости знать при измерении Rs.

Поверхностное сопротивление не зависит от стороны квадрата l, так как возрастание Rs за счет увеличения длины компенсируется равным уменьшением Rs за счет увеличения ширины, поэтому сопротивление квадрата относят не к единице площади, а к произвольному квадрату. Понятно, что для измерения следует пропустить ток через любые два противоположных сечения lxj слоя и измерить падение напряжения на них. Это требует изготовления резисторов специальной конфигурации. Чтобы не делать этого, измерение Rs проводят на любых диффузионных слоях четырехзондовым методом.

При использовании четырехзондового метода зонды располагают на одной прямой на равных расстояниях s друг от друга. Ток пропускают через два внешних зонда, а разность потенциалов измеряют между двумя внутренними.

Поверхностное сопротивление вычисляется по формуле:

(3)

Данная расчетная формула справедлива, если выполняется условие
s>>xj и диаметр пластины с диффузионным слоем много больше расстояния между зондами.

Определение поверхностной концентрации. По данным измерений xj и Rs определяют поверхностную концентрацию примеси в легированном слое. Зная поверхностную концентрацию, можно рассчитать профиль распределения концентрации примеси и проконтролировать его соответствие заданным требованиям.

Средняя электропроводность диффузионного слоя

(4)

("15") Это уравнение указывает на связь произведения Rs∙xj, с распределением примеси С(х) и зависимостью подвижности носителей заряда от концентрации m(С). Используя экспериментально полученную зависимость подвижности от концентрации, задавая форму профилей распределения концентрации, с помощью машинных расчетов можно получить зависимость поверхностной концентрации от средней электропроводности диффузионного слоя [2].

Выбор контроля. Для контроля полученной структуры я выбрал измерение поверхностного сопротивления диффузионного слоя. Зная Rs (Ом/□), можно установить поверхностную концентрацию атомов в слое, глубину залегания и удельное сопротивление, построить графики распределения примеси и сравнить с заданными.

Нанесение защитной окисной пленки

Применение в планарных технологиях кремния в значительной мере обязано тому, что на поверхности этого полупроводника можно сформировать пленку диоксида кремния, обладающую хорошими маскирующими свойствами, а так же хорошими пассивирующими свойствами.

Использование окисленной поверхности кремния в качестве маски обусловлено химической инертностью диоксида кремния по отношению ко многим реагентам. Достаточно сказать, что пленка SiO2 растворима только в плавиковой кислоте и концентрированных растворах щелочей. Роль таких пленок при формировании полупроводниковых приборов заключается в защите их от внешних воздействий (примесей, влаги, излучения и т. п.).

К маскирующим пленкам предъявляются основные требования: селективность по отношению к тем или иным технологическим факторам (к растворам, облучению, газам, плазме и т. п.), отсутствие пор и трещин, равномерность толщины, структуры и физико-химических свойств по площади и глубине маски, хорошая адгезия к пластине.

Во многих технологических процессах производства полупроводниковых приборов (диффузии, имплантации, фотолитографии и др.) диэлектрические маски используются для создания в кремниевой пластине локальных областей с заданными свойствами и конфигурацией.

Существует много методов получения диэлектрических пленок на поверхности образца: термическое окисление, вакуумное термическое напыление, ионно-плазменное напыление и др. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки в зависимости от материала подложки и назначения пленки[3].

Для получения маскирующего диэлектрика на поверхности кремния, в основном применяют метод термического окисления, но проводимый при больших температурах, этот метод приводит к изменению электрофизических свойств и геометрических размеров приборов. В этом отношение наиболее удобным является метод пиролитического осаждения окисла кремния.

Получение пленок SiO2 пиролитическим осаждением

Наиболее простым и технологичным способом образования оксидов кремния без участия материалов подложки является метод пиролитического разложения различных кремнийорганических соединений. Следовательно, этот способ дает возможность осаждать окисные пленки на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом этого метода является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, которое имело место в исходной подложке, т. е. сохранить геометрические размеры и электрические параметры активных и пассивных областей пластины. Третьим достоинством является более низкая температура процесса.

Наибольшее распространение в производстве нашли два способа проведения процесса: термическое разложение тетраэтоксилана – применяется для окисления кремневых подложек, окисление силана кислородом – для получения окисных пленок кремния на поверхности полупроводников группы AIIIBV и AIIBVI без нарушения их стехиометрических параметров.

При термическом разложении тетраэтоксилана Si(OC2H5)4 процесс может проводиться непосредственно над поверхностью подложки либо в отдельной камере, из которой продукты реакции транспортируются к подложке. Реакция разложения тетраэтоксилана происходит при температуре 700 – 750 oC. В результате реакции выделяется диоксид кремния, оксид кремния, оксид углерода и органические радикалы в газообразной форме. Источником кислорода служит сам тетраэтоксилан, а не внешний источник. На рис. 18 приведены графики зависимости толщины пленки от времени проведения процесса.

Рис. 18 Зависимость толщины пленки SiO2, полученной при пиролизе, от времени для температур : 1 – 700, 2 – 725, 3 – 750 oC

Если реакция разложения тетраэтоксилана проводится в одной камере с подложкой, то температура подложки соответствует температуре пиролиза. Если реакция проводится в отдельной камере, то температура подложек может быть значительно снижена по сравнению с температурой пиролиза.

Выбор метода. Мной было выбрано пиролизное осаждение разложением Si(OC2H5)4. Что бы не происходило перераспределения примеси в подложке, процесс проводится в отдельной камере, откуда продукты реакции доставляются к подложке. Режимы: температура To = 700 0C, время роста - 60 мин или 1 час, следовательно, скорость процесса Vo = 0.0066 мкм/мин.

Контроль качества пленки SiO2

При использовании защитных диэлектрических пленок SiO2 в производстве полупроводниковых приборов и ИМС подвергают контролю три основные характеристики: толщину пленки, наличие в ней сквозных отверстий (пористость) и количество дефектов на границе раздела кремний – защитная пленка.

Контроль толщины проводят методом микровзвешивания, интерферометрии и эллипсомерии.

Метод микровзвешивания основан на точном взвешивании подложки до и после осаждения пленки.

("16") (1)

Где P1 и P2 – масса подложки до и после осаждения, s – площадь подложки, d – плотность пленки. Точность определения толщины в первую очередь зависит от чувствительности весов и точности взвешивания, а так же от точности определения площади и плотности пленки.

Наиболее простым из интерференционных методов определения толщины SiO2 , является цветовой. Он основан на гасящей интерференции белого света, падающего на поверхность подложки с защитной пленкой.

При нормальном падении белого света на поверхность пластины, условие гасящей интерференции имеет вид

, (2)

где d – толщина пленки, n – коэффициент преломления пленки, k =1,2,3 – порядок интерференции, - длина волны падающего света.

Эллипсометрический метод измерения толщины основан на отражении линейно поляризованного луча от поверхности защитной пленки. При отражении учитывается тот факт, что компонента, перпендикулярная плоскости падения, отражается иначе, чем компонента, ежащая в плоскости падения. В результате образуется эллиптически поляризованная отраженная волна, измерив эллиптичность которой, можно найти ее толщину.

Контроль пористости можно провести методом электролитического осаждения меди, который состоит в следующем. Пластину кремния с нанесенной оксидной пленкой помещают в электролит, содержащий ионы меди. На эту пластину подают отрицательный потенциал. Положительный потенциал подают на медную пластину, которая находится также в электролите и служит вторым электродом. В процессе электролиза ионы меди осаждаются на кремний в тех местах, где имеются сквозные отверстия (поры). Под микроскопом определяют количество пор и их геометрические размеры.

Контроль качества дефектов проводят с изготовлением так называемых МДП-структур. На поверхность защитной пленки осаждают слой металла. На таких структурах измеряют вольт-фарадные характеристики. По сдвигу между теоретической и экспериментальной вольт-фарадной характеристикой можно непосредственно определить эффективную плотность поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик и заряд в пленке.

Выбор метода. Толщину полученной пленки проконтролируем микровзвешиванием, т. к. он является наиболее простым.

Основные технологические процессы

1. Эпитаксия

2.Диффузия

3. Осаждение пленки SiO2

Распределение примеси в структуре.

Заключение

("17") В заключение нужно отметить, что в данной работе были описаны самые основные методы и процессы, используемые на производстве ИМС и полупроводниковых приборов. Но это далеко не все методы, применяемые в настоящем производстве. Количество их очень велико. Существуют такие процессы как фотолитография, осаждение металлических пленок, ионная имплантация и т. д.

Список используемой литературы

, Юдин производства полупроводниковых приборов и ИМС. - М.: Высш. шк. 1986г. -368с. Черняев производства интегральных микросхем и микропроцессоров. –М.: Радио и связь. 1987г. –464с. , Мочалкина и конструирование инте-гральных микросхем. –М.: Радио и связь. 1983г. –232с. Расчет профилей локального легирования полупроводника: Методичес-кие указания к практическим занятиям /Рязанская государственная ра-диотехническая академия; Сост.: , , А. В. Ко-лисниченко. –Рязань, 2002г. –24с.

preview_end()