135728 (Электронные и микроэлектронные приборы)

Кафедра электронной техники

Г осударственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию

Московский государственный открытый университет

Реферат
Электронные и микроэлектронные приборы

Студента 2 курса заочного отделения ФАРЭ

1998г.

Задание.

1. Изложить процессы окисления кремния в порах воды и в сухом кислороде.

1. Какие существуют типы резисторов полупроводниковых ИС? Дать их сравнительную характеристику.

1. Нарисовать принципиальную схему элемента КМОП-логики. Пояснить принцип действия и область применения. Опешите принцип действия и устройство тетрода. В чем назначение второй сетки тетрода? Виды тетродов.

1. Процессы окисления кремния в парах воды и в сухом кислороде

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС. Слои SiO₂ используется как:

1. маска для диффузии легирующих примесей

2. для пассивации поверхности полупроводников

3. для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга

4. в качестве подзатворного диэлектрика

5. в качестве одного из многослойных диэлектриков в производстве КМОП элементов памяти

6. в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией

7. как составная часть шаблона для рентгеновской литографии

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO₂ является "родным" материалом для кремния, легко из него получается путем окисления, не растворяется в воде, легко воспроизводится и контролируется.

Термическое окисление кремния

Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры T = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Схематично

вид установки показан на рис. 1.

Ðèñ. 1.

Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений:

окисление в атмосфере сухого кислорода: Siтверд.+ O₂ = SiO₂

окисление в парах воды: Siтверд.+2H₂O = SiO₂ + 2H₂.

Окисление происходит гораздо быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому его используют для синтеза более толстых защитных слоев двуокиси кремния.

Методом радиоактивного маркера показано, что рост SiO₂ происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход SiO₂ за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями. Физика термического окисления может быть объяснена с помощью достаточно простой модели Дила-Гроува, поясняемой с помощью рис. 2.

Ðèñ. 2.

Ïðîöåññ îêèñëåíèÿ ïðîèñõîäèò íà ãðàíèöå Si - SiO₂, ïîýòîìó ìîëåêóëû îêèñëèòåëÿ äèôôóíäèðóþò ÷åðåç âñå ïðåäâàðèòåëüíî ñôîðìèðîâàííûå

ñëîè îêèñëà è ëèøü çàòåì âñòóïàþò â ðåàêöèþ ñ êðåìíèåì íà åãî ãðàíèöå. Ñîãëàñíî çàêîíó Ãåíðè, ðàâíîâåñíàÿ êîíöåíòðàöèÿ òâåðäîé ôàçû

ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ïàðöèàëüíîìó äàâëåíèþ ãàçà P:

C*=HP, ãäå

C*- ìàêñèìàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ â ãàçå äëÿ äàííîãî çíà÷åíèÿ äàâëåíèÿ P,

H - ïîñòîÿííûé êîýôôèöèåíò Ãåíðè.

 íåðàâíîâåñíîì ñëó÷àå êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ íà ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà ìåíüøå, ÷åì C*.

Ïîòîê F1 îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ìåæäó ìàêñèìàëüíîé è ðåàëüíîé ïîâåðõíîñòíîé êîíöåíòðàöèé îêèñëèòåëÿ:

F1=h(C*-C0), ãäå

C0 - ïîâåðõíîñòíàÿ êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ,

h - êîýôôèöèåíò ïåðåíîñà.

Çíà÷åíèå êîíöåíòðàöèè îêèñëèòåëÿ C0 çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû, ñêîðîñòè ãàçîâîãî ïîòîêà è ðàñòâîðèìîñòè îêèñëèòåëÿ â SiO₂.

Äëÿ òîãî ÷òîáû îïðåäåëèòü ñêîðîñòü ðîñòà îêèñëà, ðàññìîòðèì ïîòîêè îêèñëèòåëÿ â îáúåìå îêèñëà (F2) è íà åãî ãðàíèöå ñ êðåìíèåì (F3).

Ñîãëàñíî çàêîíó Ôèêà, ïîòîê ÷åðåç îáúåì îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ãðàäèåíòîì êîíöåíòðàöèè îêèñëèòåëÿ:

F2=-D(dC/dz)=D(C0-Ci)/z0, ( 1 )

ãäå Ci - êîíöåíòðàöèÿ îêèñëèòåëÿ â ìîëåêóëàõ íà êóáè÷åñêèé ñàíòèìåòð ïðè z = z0,

D - êîýôôèöèåíò äèôôóçèè ïðè äàííîé òåìïåðàòóðå,

z0 - òîëùèíà îêèñëà.

Âåëè÷èíà ïîòîêà (F3) íà ãðàíèöå îêèñëà ñ ïîëóïðîâîäíèêîì çàâèñèò îò ïîñòîÿííîé K ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåàêöèè è îïðåäåëÿåòñÿ êàê:

F3=kCi ( 2 )

Ïðè ñòàöèîíàðíûõ óñëîâèÿõ ýòè ïîòîêè ðàâíû, òàê ÷òî F3 = F2 = F1 = F. Ñëåäîâàòåëüíî, ïðèðàâíÿâ ñîîòíîøåíèÿ ( 1 ) è ( 2 ), ìîæíî âûðàçèòü

âåëè÷èíû Ci è C0 ÷åðåç C*:

(3)

Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим уравнение потока на границе SiO₂ - Si в следующей форме:

(4)

Ñêîðîñòü ðîñòà îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ïîòîêîì (F3) è êîëè÷åñòâîì ìîëåêóë îêèñëèòåëÿ (Ni), íåîáõîäèìûì äëÿ îáðàçîâàíèÿ îêèñëà â åäèíè÷íîì îáúåìå. Ïîñêîëüêó êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë SiO₂ â îêèñëå ðàâíà 2,2*10²² ñì-3, òî äëÿ ïîëó÷åíèÿ äâóîêèñè êðåìíèÿ òðåáóåòñÿ êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë êèñëîðîäà ðàâíàÿ 2,2*10²² ñì^-3 èëè êîíöåíòðàöèÿ ìîëåêóë âîäû 4,4*10²² ñì^-3.

Ñîîòíîøåíèå ìåæäó âåëè÷èíàìè z₀ è t îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðàëîì

Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ìàëûõ âðåìåí îêèñëåíèÿ òîëùèíà îêèñëà îïðåäåëÿåòñÿ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåàêöèè K è ïðÿìîïðîïîðöèîíàëüíà âðåìåíè îêèñëåíèÿ (8). Äëÿ áîëüøèõ âðåìåí îêèñëåíèÿ ñêîðîñòü ðîñòà çàâèñèò îò ïîñòîÿííîé äèôôóçèè D (9), à òîëùèíà îêèñëà ïðîïîðöèîíàëüíà êîðíþ êâàäðàòíîìó èç âðåìåíè ïðîöåññà. Îòìåòèì, ÷òî íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ òîëùèíà îêèñëà, ñîñòàâëÿþùàÿ äåñÿòûå äîëè ìèêðîíà, à âåðõíèé ïðåäåë ïî òîëùèíå äëÿ îáû÷íîãî òåðìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 1 - 2 ìêì. Çíà÷èòåëüíûì äîñòèæåíèåì ïîñëåäíåãî âðåìåíè ÿâèëîñü äîáàâëåíèå â îêèñëèòåëüíóþ ñðåäó â ïðîöåññå îêèñëåíèÿ õëîðñîäåðæàùèõ êîìïîíåíòîâ. Ýòî ïðèâåëî ê óëó÷øåíèþ ñòàáèëüíîñòè ïîðîãîâîãî íàïðÿæåíèÿ ïîëåâûõ ÌÄÏ - òðàíçèñòîðîâ, óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ ïðîáîÿ äèýëåêòðèêîâ è ïîâûøåíèþ ñêîðîñòè îêèñëåíèÿ êðåìíèÿ. Ãëàâíàÿ ðîëü õëîðà â ïëåíêàõ äâóîêèñè êðåìíèÿ (îáû÷íî ñ êîíöåíòðàöèåé õëîðà 1016 - 1020 ñì-3) çàêëþ÷àåòñÿ â ïðåâðàùåíèè ñëó÷àéíî ïðîíèêøèõ â SiO₂ ïðèìåñíûõ èîíîâ, íàïðèìåð, íàòðèÿ èëè êàëèÿ â ýëåêòðè÷åñêè íåàêòèâíûå.

Плазмохимическое окисление кремния

Процессы плазменного окисления металлов и полупроводников заключается в формировании на их поверхности оксидных слоев при помещении в кислородную плазму образцов. Образцы могут быть изолированными (плазменное оксидирование) или находиться под положительным относительно плазмы потенциалом (плазменное анодирование).

На рисунке изображена принципиальная схема установки для осуществления процесса плазменного анодирования. Кислородная плазма возбуждается в объеме 1 генератора плазмы.

Существует несколько видов плазмы, отличающиеся способом возбуждения.

Тлеющий разряд на постоянном токе.

При этом в объеме 1 создается пониженное давление кислорода (обычно 0.1--1 Торр) и между электродами 2 и 3 прикладывается постоянное напряжение разряда Ud величиной внесколько сотен вольт.

Дуговой разряд низкого давления.

Катод 3 нагревается за счет пропускания через него тока накаливания. Вследствие чеготермоэмиссии электронов с поверхности катода облегчается ионизация газоразрядного промежутка, что приводит к снижению напряжения Ud до величины менее 100 В

ВЧ разряд (радиочастотный разряд).

Плазма возбуждается за счет поглощения ВЧ мощности генератора, связанного с объемом 1 либо индуктивно, либо емкостным способом ( ВЧ напряжение подается на пластины 2 и 3 ).

ÑÂ× ðàçðÿä (ìèêðîâîëíîâûé ðàçðÿä).

Ïëàçìà âîçáóæäàåòñÿ ïðè ïîãëîùåíèè ÑÂ× ìîùíîñòè ãåíåðàòîðà, ñîãëàñîâàííîãî ñ îáúåìîì 1 ñ ïîìîùüþ âîëíîâîäà.

Àíîäèðóåìûé îáðàçåö 4 íàõîäèòñÿ ïîä ïîëîæèòåëüíûì îòíîñèòåëüíî ïëàçìû ïîòåíöèàëîì fà (ïîòåíöèàëîì ôîðìîâêè), êîòîðûé ïîäàåòñÿ íà îáðàçåö ÷åðåç ñïåöèàëüíûé êîíòàêò. Ïðè ýòîì âåëè÷èíà _à ìîæåò áûòü îòðèöàòåëüíîé îòíîñèòåëüíî çåìëè, ïîñêîëüêó ðàâíîâåñíûé ïîòåíöèàë ïëàçìû îòðèöàòåëåí. Âíåøíÿÿ ïîâåðõíîñòü îêñèäà â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïëàçìîé ïðèîáðåòàåò "ñòåíî÷íûé" ïîòåíöèàë fb,

êàê ïðàâèëî, îòðèöàòåëüíûé îòíîñèòåëüíî ïîòåíöèàëà íåâîçìóùåííîé ïëàçìû _ï. Åñëè îáðàçåö èçîëèðîâàí îò âíåøíåé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè (ïëàçìåííîå îêñèäèðîâàíèå), òî åãî ïîâåðõíîñòü ïðèîáðåòàåò "ïëàâàþùèé" ïîòåíöèàë _f. Íàëè÷èå àíîäíîãî ïîòåíöèàëà fà íà îáðàçöå âûçûâàåò ïðîòåêàíèå ÷åðåç íåãî àíîäíîãî òîêà Ia (èëè òîêà ôîðìîâêè), êîòîðûé ñîñòîèò èç èîííîé ñîñòàâëÿþùåé Ii, âûçûâàþùåé ðîñò îêñèäà, è ýëåêòðîííîé ñîñòàâëÿþùåé Ie. ×åì áîëüøå äîëÿ èîííîãî òîêà, òåì ýôôåêòèâíåå ïðîòåêàåò ðîñò ïëàçìåííûõ îêñèäîâ.

Ñâîéñòâà ïëàçìåííûõ îêèñëîâ êðåìíèÿ.

Êðåìíèé ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå õîðîøî èññëåäîâàííûì ìàòåðèàëîì ýëåêòðîííîé òåõíèêè. Îñíîâíûì ïðîöåññîì ïàññèâàöèè ïîâåðõíîñòè êðåìíèåâûõ ïëàñòèí ñëóæèò òåðìè÷åñêîå îêèñëåíèå. Îäíàêî ïî ìåðå ïåðåõîäà ê èçãîòîâëåíèþ ñâåðõáîëüøèõ è ñâåðõáûñòðîäåéñòâóþùèõ èíòåãðàëüíûõ ñõåì (ÑÑÁÈÑ ) âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü â ñíèæåíèè òåìïåðàòóðû îêèñëèòåëüíûõ îáðàáîòîê ñ 1400 äî 900...1100 Ê, ïðè êîòîðûõ îòñóòñòâóåò íåêîíòðîëèðóåìàÿ òåðìîäèôôóçèÿ ïðèìåñåé è äðóãèå ïîáî÷íûå ýôôåêòû, ñòèìóëèðóåìûå âûñîêîé òåìïåðàòóðîé.  ñâÿçè ñ ýòèì âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé íà÷èíàþò ïðèâëåêàòü ïðîöåññû ïëàçìåííîãî àíîäèðîâàíèÿ è îêèñëåíèÿ êðåìíèÿ.  ðàáîòàõ ÿïîíñêèõ, àìåðèêàíñêèõ, ôðàíöóçñêèõ è äðóãèõ èññëåäîâàòåëåé ïîëó÷åíû ïëåíêè ïëàçìåííîãî äèîêñèäà êðåìíèÿ, ïî ñâîèì ïàðàìåòðàì íå óñòóïàþùèå ëó÷øèì òåðìè÷åñêèì îáðàçöàì, à ïî ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè è ïðåâîñõîäÿùèå èõ.

Ïëàçìåííûå îêñèäû êðåìíèÿ íåçàâèñèìî îò ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñòåõèîìåòðè÷åñêèé äèîêñèä êðåìíèÿ SiO₂. Èõ ñòðóêòóðà ÿâëÿåòñÿ àìîðôíîé, à ñâîéñòâà ïðèáëèæàþòñÿ ê ïàðàìåòðàì ïëåíîê SiO₂, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì òåðìè÷åñêîãî îêèñëåíèÿ êðåìíèÿ. Ïëàçìåííûå îêñèäû, áóäó÷è ñôîðìèðîâàííûìè ïðè ñóùåñòâåííî áîëåå íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ, íå îáëàäàþò äåôåêòàìè óïàêîâêè, íå ñîçäàþò ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé íà ãðàíèöàõ ðàçäåëà îêñèä - ïîäëîæêà è â ðÿäå ñëó÷àåâ èìåþò áîëåå ñîâåðøåííóþ ñòðóêòóðó ãðàíèöû. Òåðìè÷åñêèå ïëåíêè SiO₂, ñôîðìèðîâàííûå ïðè áîëüøèõ ñêîðîñòÿõ îêèñëåíèÿ, ñîäåðæàò êëàñòåðû êðåìíèÿ ðàçìåðîì 2...3 íì.  òî æå âðåìÿ ïëàçìåííûå îêñèäû, ñôîðìèðîâàííûå äàæå ïðè áîëåå âûñîêèõ ñêîðîñòÿõ, íå èìåþò ïîäîáííûõ äåôåêòîâ íà ãðàíèöå ðàçäåëà Si - SiO₂, â íèõ íå íàáëþäàåòñÿ òàêæå ýôôåêò ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ ïðèìåñè ïðè îêèñëåíèè.

Âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè îêñèäîâ òóííåëüíûõ òîëùèí õàðàêòåðèçóþòñÿ ìåõàíèçìîì ïðîâîäèìîñòè, ñîîòâåòñòâóþùèì ýìèññèè Ôàóëåðà-Íîðäãåéìà ïðè íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â îêñèäå ñâûøå 6.5 ÌÂ/ñì. Èçìåðåíèÿ ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ îêñèäà, ïîëó÷åííîãî ïëàçìåííûì îêñèäèðîâàíèåì êðåìíèÿ ïðè îäíîâðåìåííîé ïîäñâåòêå ïîâåðõíîñòè ëàçåðîì ñ äëèííîé âîëíû, ñîîòâåòñòâóþùåé âîçáóæäåíèþ ñâÿçè Si-Si ïîêàçàëè, ÷òî îêñèä îáëàäàåò íà äâà ïîðÿäêà ìåíüøåé ïëîòíîñòüþ ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé, ÷åì òðàäèöèîííûå àíîäíûå îêñèäû, è îîòâåòñòâóåò ëó÷øèì òåðìè÷åñêèì ïëåíêàì äèîêñèäà êðåìíèÿ.

Пиролитическое осаждение кремния из газовой фазы

 òåõíîëîãèè èíòåãðàëüíûõ ñõåì ïðèìåíÿþòñÿ ìåòàëëè÷åñêèå è äèýëåêòðè÷åñêèå ïëåíêè, èçãîòàâëèâàåìûå ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè. Îäíàêî, â ñâÿçè ñ äàëüíåéøåé ìèíèàòþðèçàöèåé ÑÁÈÑ è èñïîëüçîâàíèåì ðàçëè÷íûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ â êà÷åñòâå ïîäëîæåê íåîáõîäèìî ðàçðàáîòàòü íîâûå ìåòîäû èçãîòîâëåíèÿ ïëåíîê ñ åùå ìåíüøåé òîëùèíîé, ïëîòíîñòüþ äåôåêòîâ è áîëüøåé îäíîðîäíîñòüþ. Òðåáóåòñÿ òàêæå ìàêñèìàëüíî óâåëè÷èòü ÷èñëî ïëàñòèí, êîòîðûå ìîãóò áûòü îáðàáîòàíû â åäèíèöó âðåìåíè (äëÿ ñíèæåíèÿ ñòîèìîñòè ïðîäóêöèè), ó÷åñòü âîçìîæíûå îòðèöàòåëüíûå ïîñëåäñòâèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé ìåæäó ïëåíêîé è ïîäëîæêîé, ðàçîãðåâ ïëåíêè â ïðîöåññå ôîðìèðîâàíèÿ, à òàêæå âîçìîæíîñòü ïîâðåæäåíèé ïðè îáëó÷åíèè.

Ðàññìîòðèì ïèðîëèòè÷åñêèé ìåòîä ôîðìèðîâàíèÿ ïëåíîê (ìåòîä õèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû). Ìåòîä õèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ èç ãàçîâîé ôàçû îñíîâàí íà èñïîëüçîâàíèè ÿâëåíèÿ ïèðîëèçà èëè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé ïðè ôîðìèðîâàíèè