Основные технологические процессы микроэлектроники

3. Основные технологические процессы микроэлектроники

 Базовые технологические процессы окисления кремния, диффузии, эпитаксии и ионного легирования уже свыше четверти века составляют основу технологии микроэлектроники. За прошедшие годы размер окна в окисле и полоски металлизации уменьшились более, чем в 10 раз, а число   транзисторов на одном кристалле увеличилось с 10³ почти до 10⁶.

Базовый технологический цикл изготовления БИС включает в себя выращивание окислов, нанесение поликристаллического кремния, диффузию, ионное легирование и отжиг структур. Ионное легирование (ИЛ) стало основным способом внедрения примеси. Диффузия имеет место при отжиге ионно-легированных структур, она неизбежно происходит при всех последующих высокотемпературных обработках.

Лежащие в основе этих процессов физические и математические закономерности представляют собой результаты развития молекулярно-кинетической теории и вполне могут считаться элементами общетехнического образования современного инженера.  В имеющейся отечественной и переводной литературе вопросам физико-химических основ моделирования технологических процессов в свое время уделялось достаточно большое внимание. Начиная с первых публикаций по технологии биполярных кремниевых транзисторов, основные количественные соотношения обсуждаются во всех учебных пособиях по микроэлектронике [9,10] и специальных монографиях по технологии и моделированию.

3.1. Диффузия

Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Движущей силой диффузии выступает градиент концентрации атомов или ионов вещества.

В реальных полупроводниках диффузия происходит тремя способами:

1. Обменный механизм диффузии. Эта диффузия посредством обмена местами между парой соседних атомов, либо в процессе кольцевого обмена.

2. Вакансионный механизм диффузии. Диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места.

Рекомендуемые материалы

3. Междоузельная диффузия. Диффузия осуществляется путем последовательных переходов примесей внедрения из одного междоузлия в другое. 

При диффузии основных легирующих примесей в кремнии наиболее вероятен так называемый вакансионный механизм, при котором диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места. Диффузионное перераспределение внедренных атомов примеси остается основным физическим механизмом, определяющим профили распределения ионов в слоях кремниевых структур. Диффузия кислорода сквозь  и  определяет и процессы окисления кремния, а перераспределение                примесей          при отжигах и любых высокотемпературных операциях непосредственно влияет и на результаты ионного легирования и эпитаксии.

Распределение примесей при диффузии определяется самим понятием диффузионного потока, вызываемого пространственно неоднородным распределением концентрации примеси .

В простейшем одномерном случае только  и

Минус связан с тем, что поток распространяется в сторону уменьшения концентрации,  - коэффициент диффузии, см²/с. Закон сохранения потока вещества требует, чтобы  т.е. уменьшение потока в одномерном случае должно сопровождаться накоплением, увеличением концентрации отставших частиц. Объединением этих двух соотношений получается известный закон Фика:

В соответствии с этим законом и коэффициент диффузии приобретает физический смысл через среднее расстояние , на которое частица диффундирует за время  с некоторой средней скоростью диффузии

                               ,                      .

Микроскопический процесс диффузии связан с активационным механизмом перескока диффундирующего иона между вакансиями в решетке атомов основного вещества, поэтому:

  Коэффициенты , см²/с и энергии активации , эВ составляют величины порядка 10^-12 см²/с и 4 эВ. Столь малые величины  означают, что даже при высоких температурах на расстояния порядка одной постоянной решетки 10^-8 см ион перемещается со скоростью не более 10^-4 см/с за время порядка 10^-4 с.

Диффузия примеси в глубину кремния в результате высокотемпературных обработок приводит к стандартному гауссову распределению объемной концентрации , см^-3 

где         , см^-2 - общее число введенных атомов примеси на см²; , см - средняя глубина диффузии.

Эти величины могут быть  выражены  через поверхностную концентрацию  и глубину залегания p-n - перехода  в подложке с известной концентрацией .    Из условия    ;               

Практически при создании полупроводниковых интегральных микросхем представляют интерес два случая диффузии: из бесконечного источника и из конечного источника примеси. Описанный выше процесс представляет собой диффузию из ограниченного источника.

Для диффузии из бесконечного источника 

Как и при гауссовом распределении примеси  и  коэффициент диффузии и время проведения диффузионного процесса.

В прежних технологических процессах для получения больших глубин залегания переходов и больших концентраций в диффузионных слоях применялась загонка примеси из фосфоросиликатного стекла (ФСС) и боросиликатного стекла (БСС). Естественно при этом слои ФСС и БСС на поверхности и выполняли роль бесконечных источников, поддерживая на все время загонки на поверхности концентрацию, соответствующую предельной растворимости примеси при выбранной температуре. На рис. 36 и 37 показаны распределения erfc- и Гаусса для одинаковых поверхностных концентраций и одинаковых значений .

Из рисунков видно, что в отличие от гауссианы, у которой   функция             при малых , поэтому  и при малых  поток  всегда больше нуля.

Вместе с тем, с увеличением времени диффузии для бесконечного источника концентрация  остается постоянной и увеличивается глубина проникновения примеси. Для диффузии из конечного источника количество примеси остается постоянным, увеличивается глубина залегания перехода и уменьшается максимальная концентрация примеси на поверхности, потоки   всегда равны нулю на поверхности при  и в глубине при  .

3.2. Окисление

Окисление предшествует выращиванию диффузионных и ионно-легированных слоев, поскольку примеси внедряются сквозь окна в защитном окисле. Отжиг внедренной примеси или разгонка также идут чаще всего в окислительной среде, так что примесь не только диффундирует сквозь кремний, но и перераспределяется между окислом и кремнием.

Сам процесс окисления проводится при повышенных температурах от 700 до 1200С и состоит из диффузии кислорода сквозь уже выросший слой окисла к поверхности кремния, а  затем уже на границе  происходит химическая реакция:  

Аналогично идет и окисление в парах воды: 

Последняя реакция идет гораздо быстрее и применяется для наращивания окислов большой толщины, например, в процессах локального окисления и выращивания мелких изолирующих канавок. Для формирования окисла  толщиной  поглощается слой кремния толщиной .  В хорошо описанной в литературе модели Дила-Гроува [9] толщина окисла  связана с временем окисления t квадратным уравнением:

;  где   -время выращивания начальной толщины окисла . При достаточно длительном окислении без начального окисла    , так что толщина окисла пропорциональна корню из времени. Скорость роста окисла при этом ограничивается скоростью диффузии кислорода сквозь ,  -коэффициент параболической скорости окисления.

В противоположном случае начального роста  и скорость окисления определяется скоростью химической реакции,  - коэффициент линейной скорости окисления.   Величины  и  экспоненциально зависят от температуры. Энергии активации и предэкспоненциальные множители приводятся в справочной части программ и подробно обсуждаются в литературе [9,10]. Эти коэффициенты в разумных пределах могут быть использованы в качестве подгоночных параметров для согласования модели с реальным технологическим процессом. С практической точки зрения рост тонких окисных пленок должен происходить достаточно медленно для достижения однородности их свойств и воспроизводимости параметров. Для этих целей используются разнообразные методы получения окисных пленок, которые включают окисление в сухом кислороде с добавлением и без добавления , комплексное окисление при различных температурах и составе окислительной атмосферы, окисление во влажном кислороде, окисление при пониженном давлении, а также окисление при повышенном давлении и низкой температуре. С понижением температуры и давления в окислительной атмосфере будет, конечно, понижаться и скорость окисления. Сверхтонкие окисные пленки (< 5 нм) формируют с помощью горячей азотной кислоты, путем кипячения в воде или за счет выдерживания на воздухе при комнатной температуре. Необходимые свойства должны быть достигнуты независимо от выбора метода окисления.  При обсуждении методов, используемых для формирования тонких окисных пленок, и получаемых при окислении свойств этих пленок необходимо подчеркнуть, что на рост тонких окисных пленок оказывают влияние применяемые методы очистки поверхности и степень чистоты используемых газов. На рис. 38 приведен пример зависимости толщины тонких окисных пленок от времени окисления в сухом кислороде.

3.3. Ионное легирование

Ионной имплантацией называют процесс загонки ускоренных электрическим полем ионов примесей в объем основного материала с энергией, достаточной для проникновения в его приповерхностные области. В последнее время ионная имплантация является основным методом формирования слоев при производстве интегральных схем.

Преимущества использования ионного легирования:

1. Универсальность и гибкость метода, можно имплантировать все, что угодно и с любой концентрацией;

2. ИЛ может осуществляться при низких температурах (даже при комнатной), благодаря чему могут быть сохранены электрофизические характеристики кристалла;

3. Возможность автоматизации и точный контроль процесса;

4. ИЛ является чистым и «сухим» процессом, так как проводится в вакууме и может быть совместим с другими технологическими операциями, например, с очисткой поверхности;

5. Малое боковое распространение пучка, то есть слабое проникновение под маску.

К недостаткам ИЛ относятся высокая стоимость оборудования и большое количество радиационных дефектов в образце.

Энергия легирующих ионов бора, фосфора или мышьяка в диапазоне 3…500 кэВ достаточна для их имплантации в приповерхностную область кремниевой подложки на глубину 10…1000 нм. На глубине атомы расположены под любыми поверхностными слоями естественного окисла толщиной до 3 нм, и, следовательно, при внедрении примеси отсутствуют барьерные эффекты, связанные с наличием поверхностных окислов. Глубина залегания имплантированной примеси, которая пропорциональна энергии ионов, может быть выбрана исходя из требований конкретного применения имплантированной структуры.

Основной задачей при моделировании ионного легирования является расчет профиля концентрации примеси в мишени в двух-  и трехмерном случае. Формирование профиля концентрации примеси в кремнии при ИЛ происходит благодаря остановке ионов примеси в мишени после их многочисленных хаотических столкновений с атомами кристаллической решетки кремния. Ясно, что наиболее адекватной моделью ИЛ является статистическая модель, учитывающая случайную природу процесса и использующая соответствующий математический аппарат – метод Монте-Карло. Большим недостатком метода Монте-Карло является его трудоемкость.

В большинстве современных технологических маршрутов ионное легирование представляет собой первоначальную стадию внедрения примесей, именно на стадии ионного легирования внедряется исходное количество примеси  в виде числа ионов на см² поверхности. Эта величина остается постоянной в том смысле, что при последующих высокотемпературных обработках она только перераспределяется между подложкой и растущими на поверхности слоями кремния и окислов. Величина  легко контролируется по плотности ионного тока  и времени имплантации , , заряд электрона  Кл. Обычно используются однозарядные ионы и, например, доза  = 1 мкКл/см² соответствует внедрению  см^-2 ионов.

3.3.1. Распределение Гаусса

Существенно, что первоначальное распределение ионов в значительной степени аналогично распределению примесей при диффузии и приближенно может быть описано тоже гауссовым законом:

где          - проецированный пробег ионов,   - разброс пробегов.

Аналогично диффузии общее количество ионов связано с максимальной концентрацией      . Существенно только, что  пик   углублен  в  кремний  на величину   .   Термин   проецированный  пробег  означает статистически  усредненное  значение  проекции  пробегов  на   направление   ионного  пучка.  Разброс  пробегов  обычно составляет величину  и показывает среднеквадратичное отклонение . Коэффициент пропорциональности между энергией внедряемого иона  и величиной  не превышает 0.1 мкм/100 кэВ.

Эксперименты показывают, что число регистрируемых ионов для пиковой концентрации пропорционально дозе имплантированных ионов, а суммарное число регистрируемых ионов также является линейной функцией дозы имплантированных ионов, полученной при одинаковой энергии имплантации.

3.3.2. Другие распределения

Рассмотрим распределение Пирсона. Многие экспериментальные исследования показывают, что простое гауссовское распределение неадекватно для большинства примесных ионов в кремнии и других полупроводниках. Считалось, что это несоответствие может быть обусловлено эффектом каналирования вследствие кристаллической структуры обычных полупроводников. Однако было обнаружено, что профили многих ионов асимметричны также и в аморфных мишенях и, следовательно, для построения распределений пробегов необходимо использовать моменты более высоких порядков.

3.3.3. Боковое уширение распределения ионов

Боковым отклонением имплантируемых ионов обычно пренебрегают, поскольку оно значительно меньше их пробегов. Однако для СБИС с микронными размерами элементов боковое отклонение становится все более и более важным. Как и разброс пробегов, оно является результатом рассеяния ионов, и поэтому оба эти эффекта одинаковы по порядку величины.

Одномерный профиль примеси может быть преобразован в двумерный профиль для структуры с идеальной маской окисла, изображенной на рис. 42.

Эта формула очень проста и нуждается лишь в определении параметра , характеризующего степень боковой диффузии. В большинстве случаев = 0.5 – 0.9. Для получения распределения концентрации под слоем окисла в точке  = 0  производится эллиптическое вращение одномерного профиля. Таким упрощенным приемом учитывают эффекты боковой диффузии около края маски.

3.4. Эпитаксия

Эпитаксией называют ориентированный рост слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки. В микроэлектронике на явлении эпитаксии основаны технологические процессы эпитаксиального наращивания различных полупроводниковых структур.

Эпитаксия - процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Происходит ориентированный рост слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки. Монокристаллическая подложка в процессе роста эпитаксиального слоя выполняет ориентирующую роль затравки, на которой происходит кристаллизация.

Механизм ориентированного роста монокристаллических слоев зависит от технологического метода. Используют три основных технологических метода: газофазные реакции, вакуумное осаждение (или молекулярно-лучевая эпитаксия) и кристаллизацию из жидкой фазы.

"2. Состав и структура АБИС" - тут тоже много полезного для Вас.

Газофазная эпитаксия кремния на кремнии при температурах несколько ниже  1000С представляет собой важную  составную  часть  технологических маршрутов многих типов СБИС. Эпитаксия появилась впервые в технологии биполярных  интегральных  транзисторов  еще  в начале 70-х годов   и   получила  дальнейшее развитие в современных технологиях  КМОП СБИС  в виде локальной эпитаксии n-слоев для p-канальных  транзисторов и в технологии динамических запоминающих устройств.

В газовой среде происходит осаждение кремния при восстановлении тетрахлорида кремния   или применяется термическое разложение моносилана  . Скорость выращивания определяется  температурой  и парциальными давлениями компонентов и достигает  долей микрона в минуту при    = 900С.  Сравнительно низкая температура и небольшое время эпитаксиального наращивания почти исключает перераспределение примесей из-за диффузии и позволяет получать очень резкие p-n-переходы с однородно легированными прилегающими участками с разными типами проводимости и резко изменяющимися концентрациями.

Эпитаксиальное выращивание представляет собой один из видов синтеза монокристаллов и поэтому имеет много общего с ростом кристаллов из раствора или расплава. Доминирующим фактором, влияющим на эпитаксиальный рост, является поверхностная подвижность осаждения атомов. Рост кристалла из газовой фазы происходит быстрее, чем из разбавленного раствора, но медленнее, чем из чистого расплава. Скорость роста, то  есть линейный прирост толщины пленки, составляет доли микрона в минуту. Выращивание монокристалла состоит из трех основных этапов:

1. переноса паров к поверхности подложки (затравки);

2. кристаллизации и роста новых слоев на поверхности подложки;

3. рассеяния освобождающейся скрытой теплоты кристаллизации и теплоты реакции.