- •1. Поверхностная обработка полупроводниковых материалов
- •1.2. Механическая обработка кремниевых пластин
- •Очистка поверхности пластин после механической обработки
- •Методы контроля чистоты поверхности пластин
- •1.3. Химическое травление кремния
- •Кинетика травления кремния
- •Две теории саморастворения кремния
- •Влияние примесей
- •Дефекты структуры полупроводника
- •Ориентация поверхности полупроводника
- •Концентрация компонентов травителя
- •Температура раствора
- •Химико-динамическая полировка
- •Анизотропное травление
- •Травление окисла и нитрида кремния
- •Промывка пластин в воде
- •Очистка пластин в растворах на основе перекиси водорода
- •1.4. Плазмохимическое травление кремния
- •Классификация процессов плазмохимического травления
- •Кинетика изотропного травления кремния
- •Образование радикалов в газоразрядной плазме
- •Взаимодействие радикалов с атомами материалов
- •Травление двуокиси и нитрида кремния
- •Факторы, влияющие на скорость ПХТ материалов
- •Анизотропия и селективность травления
- •2. Диэлектрические пленки на кремнии
- •2.1. Термическое окисление кремния
- •Окисление кремния при комнатной температуре
- •Физический механизм роста окисла при высокой температуре
- •Структура окисла кремния
- •Модель Дила - Гроува
- •Кинетика роста окисла кремния
- •Влияние температуры окисления
- •Влияние парциального давления окислителя
- •Влияние ориентации подложки
- •Влияние типа и концентрации примеси в подложке
- •Оборудование для окисления кремния
- •2.2. Методы контроля параметров диэлектрических слоев
- •Контроль толщины слоя диэлектрика
- •Контроль дефектности пленок
- •Метод электролиза воды
- •Электрографический метод
- •Метод электронной микроскопии
- •Метод короткого замыкания
- •2.4. Осаждение диэлектрических пленок
- •Осаждение пленок диоксида кремния
- •Осаждение нитрида кремния
- •3.1. Диффузия примесей в полупроводник
- •Механизмы диффузии примесей
- •Диффузия по вакансиям. Коэффициент диффузии
- •Распределение примесей при диффузии
- •Диффузия из бесконечного источника
- •Диффузия из ограниченного источника
- •Первый этап диффузии
- •Источники примесей
- •Источники донорной примеси
- •Источники акцепторной примеси
- •Поверхностный источник примеси
- •Второй этап диффузии
- •Перераспределение примеси при диффузии в окисляющей среде
- •Контроль параметров диффузионных слоев
- •3.2. Эпитаксия
- •Рост эпитаксиальных пленок
- •Методы получения эпитаксиальных слоев кремния
- •Хлоридный метод
- •Пиролиз моносилана
- •Гетероэпитаксия кремния на диэлектрических подложках
- •Перераспределение примесей при эпитаксии
- •3.3. Ионное легирование полупроводников
- •Характеристики процесса имплантации
- •Пробег ионов
- •Дефекты структуры в полупроводниках при ионном легировании
- •Распределение внедренных ионов
- •Распределение примеси в интегральных структурах
- •Распределение примеси в двухслойной мишени
- •Влияние распыления полупроводника
- •Распределение примеси при термическом отжиге
- •Низкотемпературный отжиг
- •Оборудование для ионного легирования
- •Ионные источники
- •4. Технология литографических процессов
- •4.1. Классификация процессов литографии
- •4.2. Схема фотолитографического процесса
- •4.3. Фоторезисты
- •Позитивные фоторезисты
- •Негативные фоторезисты
- •Основные свойства фоторезистов
- •4.4. Фотошаблоны
- •4.5. Технологические операции фотолитографии
- •Контактная фотолитография
- •Искажение рисунка при контактной фотолитографии
- •Литография в глубокой ультрафиолетовой области
- •Проекционная фотолитография
- •4.6. Электронолитография
- •4.7. Рентгенолитография
- •Электронорезисты
- •5. Металлизация
- •5.1. Свойства пленок алюминия
- •Электродиффузия в пленках алюминия
- •Методы получения металлических пленок
- •5.2. Создание омических контактов к ИС
- •5.3. Использование силицидов металлов
- •5.4. Многоуровневая металлизация
- •Содержание
Распределение примесей при диффузии
Если примесь вводится в приповерхностную область кристалла, то создается градиент концентрации и возникает направленный поток частиц, стремящийся выровнять их концентрацию. Этот процесс описывается первым уравнением Фика:
j = −D N ,
где j - плотность потока атомов; D - коэффициент диффузии; - оператор диффузии; N - концентрация атомов. Знак "минус" означает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.
Поскольку концентрация примеси у поверхности максимальна, градиент концентрации будет направлен перпендикулярно поверхности. Если ось х направить параллельно градиенту концентрации, то для одномерного случая поток примеси будет пропорционален градиенту концентрации:
|
j = −D |
|
∂N |
. |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
∂x |
||
Из этого выражения можно получить следующее уравнение: |
||||||
|
dN |
= D |
d 2 N |
. |
||
|
dt |
|
dx2 |
|||
Это уравнение называется вторым |
уравнением Фика. Оно связывает |
распределение примеси во времени с распределением по координате. Вследствие симметрии кристаллической решетки кремния диффузию
примесей в нем можно рассматривать как изотропный процесс, а коэффициент диффузии считать скалярной величиной, не зависящей от концентрации и направления ( ∂D / ∂x = 0 ).
Во всех точках кристалла концентрация примеси имеет конечное значение и может быть определена при решении уравнения (3.4) с соответствующими граничными условиями. Поскольку глубина диффузии невелика по сравнению с толщиной пластины полупроводника, последнюю можно считать полубесконечным телом, ограниченным плоскостью х = 0.
Процесс диффузии обычно проводится в два этапа. На первом этапе легирования в тонкий приповерхностный слой полупроводника вводится необходимое количество примеси, обеспечивающее на втором этапе заданное сопротивление и толщину легированного слоя. Двухэтапная диффузия позволяет лучше управлять процессом и обеспечивать нужное для практики распределение примеси. Кроме того, проведение первого этапа диффузии при более низкой температуре, чем второго, облегчает условия маскирования окислом поверхности полупроводника.
Двум этапам диффузионного процесса соответствуют два решения уравнения Фика при различных граничных условиях:
-на первом этапе рассматривается диффузия с постоянной поверхностной концентрацией или диффузия из бесконечного источника примеси;
-на втором этапе - диффузия из ограниченного источника примеси. В первом случае примесь поступает непрерывно через поверхность
кристалла (х = 0) из внешнего источника ("загонка" примеси), во втором - количество примеси ограничено, поверхность кристалла для примеси
непроницаема и по мере движения примеси в глубь кристалла источник обедняется ("разгонка" примеси).
Диффузия из бесконечного источника
Целью первого этапа диффузии является введение в полупроводник точно контролируемого количества примеси, которое будет служить ограниченным источником на втором этапе процесса. При этом поверхностная концентрация примеси на границе х = 0 все время остается постоянной и равной N0. Граничные условия для решения второго уравнения Фика могут быть записаны в виде
N (x,t) |
|
x>0 = 0 |
|
|
|
t=0 |
(3.5) |
N (x,t) |
|
x>0 = N0 |
|
|
|
||
|
|
t≥0 |
|
Это означает, что в начале процесса примесь в объеме кристалла отсутствует, однако на поверхности ее концентрация в любой момент времени равна N0. В процессе диффузии примесь к поверхности кристалла поступает из внешнего источника непрерывно и поток ее все время одинаков. Поэтому процесс и получил название диффузии из бесконечного или неограниченного источника.
N / N 0
10 |
|
|
|
8 |
|
|
|
6 |
|
|
|
4 |
|
Dt2 = 3 / 4 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Dt1 |
=1/ 4 |
|
0 |
1 |
2 |
3 x, мкм |
Рис.3.3. Распределение примеси при диффузии из бесконечного источника
Решением уравнения Фика будет выражение
|
x |
|
N (x,t) = N0 erfc |
2 Dt . |
(3.6) |
Функция erfc у - дополняющая к функции ошибок erf у – равна
|
2 |
y |
erfc y =1 −erf y =1 − |
∫e−Z 2 dz . |
|
|
π |
0 |
Уравнение (3.6) хорошо выполняется при диффузии примеси из газовой или паровой фазы. Распределение примеси для двух времен t1 < t2 показано на рис.3.3.
Величина постоянной поверхностной концентрации N0 определяется скоростью потока примеси, поступающей к поверхности кристалла,
J = −D |
∂N |
= |
DN |
|
|
x |
|
2 |
D |
. |
|
|
exp − |
|
|
= N0 |
|
||||
|
∂x |
|
xDt |
|
|
Dt |
|
|
π t |
|
|
x=0 |
|
2 |
|
x=0 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда за время t в твердое тело поступит количество примеси, оп- |
||||||||||
ределяемое выражением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q = ∫1 |
J (t)dt = 2N |
|
Dt |
|
(3.7) |
||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Это выражение хорошо выполняется в том случае, когда глубина проникновения примеси достаточно велика - превышает несколько микрометров, а концентрация примеси сравнительно невелика - не более 1019 см-3. Максимальное значение величины N0 равно предельной растворимости примеси в кремнии при данной температуре. Предельная растворимость определяется фазовой диаграммой состояния для кремния и соответствующей примеси.
Величины предельных растворимостей основных легирующих примесей в кремнии приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1
Предельная растворимость примесей в кремнии
|
Максимальная |
|
Температура |
||
Элемент |
|
максимальной |
|||
растворимость, |
|
||||
|
растворимости, |
||||
|
атом/см3 |
|
|||
|
|
|
|
°С |
|
Алюминий |
1019-1020 |
1150 |
|
||
Бор |
|
20 |
1200 |
|
|
Галлий |
5 10 |
19 |
|
||
|
1250 |
|
|||
|
4 10 |
|
|
||
Золото |
1017 |
1300 |
|
||
Индий |
Более 1019 |
1300 |
|
||
Кислород |
1018 |
1400 |
|
||
Литий |
|
19 |
1200 |
|
|
Медь |
7 10 |
18 |
|
||
|
|
1300 |
|
||
Мышьяк |
3 10 |
21 |
|
|
|
|
1150 |
|
|||
Сурьма |
2 10 |
19 |
|
||
|
1300 |
|
|||
Фосфор |
6 10 |
21 |
|
||
|
1150 |
|
|||
|
1,3 10 |
|
|||
Цинк |
1017 |
|
|
||
1300 |
|
Диффузия из ограниченного источника
Целью второго этапа диффузии является получение заданного распределения примеси. Высоколегированный поверхностный слой полупроводника, образованный на первом этапе диффузии, служит источником примеси, количество Q которой определено уравнением (3.7). Поверхность х = 0 считается абсолютно непроницаемой, т.е. поток примеси через эту поверхность в любое время отсутствует, поэтому граничное условие может быть записано в виде
∂N (x,t) |
|
(3.8) |
|
|
= 0 , |
||
∂x |
|
x=0 |
|
|
|
Вся примесь считается сосредоточенной в тонком поверхностном слое толщиной h, а распределение примеси в этом слое равномерно. Полное количество примеси в предельном случае определяется величиной поверхностной концентрации N0 и толщиной легированного слоя h. Площадь, ограниченная прямоугольником, должна быть равна площади кривой, описываемой уравнением (3.6) при данных N0, x и t. Полное количество введенной примеси, таким образом, равно
Q = N0 h .
При диффузии в глубь кристалла поверхностная концентрация примеси будет все время уменьшаться. Начальные условия для решения второго уравнения Фика могут быть записаны в этом случае следующим образом:
N (x,t) |
|
|
N |
0 |
,0 |
≤ x ≤ h; |
(3.9) |
|
|
= |
|
|
|||
|
|
t =0 |
0, x > h. |
|
|||
|
|
|
Решение уравнения Фика имеет вид
N (x,t) = |
Q |
|
|
x |
2 |
|
(3.10) |
|
exp− |
|
|
|
|||
|
πDt |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Dt |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
и является распределением Гаусса по х.