К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Для еше большего повышения скорости окисления в парах воды используется окисление при повышенном давлении окислителя, обеспечивающее рост С», а следовательно, и константы окисления В. Испольэуетсл окисление под давлением в ларах воды при давлении (5 - 10)108 Па, так как при окислении в кислороде требуется давление в сотни раз больше (дш увеличения скорости окисления). Зависимость скорости окисления в парах воды от давления и температуры описывается эмпирическим выралсением 108,28-5190/Т Т 0 где ч - скорость роста, А/мин; р - давление, атм; Т - температура, К. Установки окисления под давлением в парах воды выполняются по принципу "реактор в реюсторе". Типовой реактор установки окисления изготовляется из стали и выдерживает необходимое давление, а внутри мепалического реактора помещается кварцевьбс реавтор с пластинами.
Давление вне кварцевого реактора поддерживается путем напуока аргона, а внутри кварцевого реактора - напуском паров воды до достижении давления, равного даютению аргона. М акоп мальное давление в процессе окислеюш в ларах воды не превышает 5 10с Па, выше него начинается испарение диоксида кремния и рост оксида прекращается. Сухое окисление в кислороде используется дш получали тонких высококачественных пленок диоксида кремния с меньшей плотностью дефектов струкгурм, которые могут ухудшил лассивирующие, маскируюшие и изолирующие свойства пленок. Учитывая малые юлшииы пленок, высоюи скорость окислеюи, обеспечиваемая парами водм, в даном случае не принципиальна. Дефекты структуры диоксида кремния или границы кремний - оксид можно классифицировать следующим образом: вакансии кислорода в оксида (рис.
2.6.12, 6), приводяшие в появленюо положительного заряда, равного заряду электрона; ненасыщенные (свободные) связи кремния на границе кремний - оксид и дефекпг поверхности кремния, имеющие положительный заряд, равный заряду электрона; атомы примесей П и У групп Периодической системы, занимаюшие места атомов кремния в центре тетраэлров (рис. 2.6.12, а), меняющие заряд в оксиде по аналогии с примесями в кремнии (см.
полралт. 2.6.5); ионы быстр одиффундируюших щелочных металлов )с(а и К, соэдаюших положительный заряд, дислокация которого постоянно меняетоя, создавая нестабильность структуры в целом. Плотносп положительного заряда в оксиде зависит от чистоты применяемых материалов, скорости окисленгш, ~остояния поверхности пластин и спецюаьных методов гетюрированзи дефектов. Наиболее эффективным методом повышения качесты структуры яюшется окисление с пшо гено содержащими добавками в вюге хлора, иода и их соединений. Наибольшее распространение получили методы сухого окисления с добавками ппообразного хлористого водорода и паров трихлорэтилена при повьппенных темпершурах, когда эффективность применения добавок возрастает.
Модель стабилизации заключается в образовании комплексов хлора на вакансиях кислорода, заряженных отрицательно, о большим сечением захвата лримесных атомов )ча и К: ! — ГИ вЂ” С1 — )Ча и одновременно уменьшающих концентрацию и заряд вакансий. Концентрация хлористого водорода в окислительной смеси составляет несколько процентов от концентрации окис- В технологии микроэлектроники процессы окисления при атмосферном давлении проводяюя в кварцевых или кремниевых трубах диффузионных установок. Конструкция реакторов, оборудование ды загрузки пластин и формирования пюового потока в процессе окисления, выбор скорости нагрева и лр. подробно рассмотрены в подраэд.
2.6.5. 2.6Л. ФОРМИРОВАНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ МАТЕРИАЛЕ ТОНЕИХ ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ Диффузия - базовый процесс технологии м икр оаяекгро ники по созданию элементов микросхем, заключающийся во введении (нли перераспределении) примеси в полупроводниковый материал с цепью создания тонких слоев р- или л-тлпа проводимости и управления распределением концентрации примеси в них. Процесс диффузии описывается с помощью первого эдсона Фика для одномерной диффузии. формированив тонких лвпн ованных плвнок 155 Второй закон Фила описывает изменение (перераспределение) концентрации примеси в процессе диффузии в обьеме полулроводниковой пластины во времени. Существуют два основных физических механизма диффузии атомов примесей в объеме кремния, обащающего кристаллической структурой, т.е.
строго повторяющимся расположением атомов в решетке кристалла. решетка кремния предстаюшет собой кубическую гранецентрированную решетку алмаза. Представив решен!у в двумерном вгще (рис. 2.6.14), можно показать, что кзжльгй атом кремния связан с четырьмя соседними атомами кремния. При отсутствии атома в узле кристаллической решетки образуется вакансия, которы может быль занята либо собственным атомом, ранее перешедшим в междоузлие, либо атомом примеси, близким по размерам' к атомам кремния. В соответствии со свойствами примеси различают два механизма диффузии: по вакансиям - свободным узлам кристаллической решетки. Вакансии возникают, когда атомы кремния в результате несовершеноша кристаллической решетки либо локальных фпюхтуационньш увеличений энергии атома переходит в междоузлаи решепш и свободно блуждают в них (до встречи о вакансгщми, где происходит релаксация вакансии и собсшенного примесного атома кремния).
В кремнии всегда существует неюпорая концентрация собственных атомов в междоузлиях и вакансий, возрастающы при увеличении температуры. По вакансионному механизму диффундируют атомы П1 и Ч групп Периодической системы, имеющие сравнимые рымеры атомов с кремнием. В технологии микроэлекгроннкн наиболее часто используются бор, юпоминий, пигпий, индий (П1 грунты) и фосфор, сурьма, мьппьяк, висмут (Ч группа). Процесс диффузии состоит вз многочисленных переходов атомов примеси по свободным узлам.
Требуемая скорость диффузии может быль получена только при температуре, большей 800 'С, цоскольку козффилзгент дифФузии при меньшей температуре пренебрежимо мы н диффузией можно пренебречь; по междоузлиям, что характерно дпя атомов примеси с малым радиусом атома, от! ! ! ! ! — Б! — Я вЂ” Б! — Я вЂ” Я— ! ! ! ! ! — Я вЂ” — 81 — Я вЂ” и— В халова ! ! ! ! ~~В аы — Б! — Я вЂ” Я вЂ” Б! — Бг— ! ! Рве.
3.6.14. Крвставааческаа Равеша аразиза, аредпзваевваз в леувервеи авве, с вюмаыяевиыва ~Ялама - взамкйимв носящихся к 1, и, Чт, Ч11, Ч(П группам Периодической системы. В технологии микроэлектроники наибольший интерес с учетом влияния на свойства микросхем предспаляют натрий, калий, литий, водород (1 группа), медь, золото (11 группа), кислород (Ч1 группа), хлор (ЧП грутпта), никель, железо (Ч11 круппа). Диффузия по межлоузпюля дпя многих примесей имеет требуемую скорость уже при температуре 300 - 800 С, при которой Формируют контвкты и разводки микросхем и существует опасность попадания примеси в кремний.
Скоросп диффузии дти различных материалов определжтся энергией активации Х, необходимой дпя перехода прнмесного атома нз одного узла кристаллической решетки в другой свободный узел или из одного междоузпия в другое и температурой, определяющей число свободных узлов. Харюсгеристнки диффузии для быстродиффундирующей примеси (по междоузлиям) и примеси, диффундирующей по свободным улвм кристаллической решетки, приведены в табл. 2.6, 14 и 2.6.15 (2)0 - фактор диффузии). Элементы 1П группы Периодической системы для кремния являются акцепторами (рис. 2.6.15), придающими ему свойства материала р-типа проводимости, где носителями зарядов явлшстся дырки.
Атомы элементов 2.6. 14. Хараатерастаяа даффуз!ш междеузельаых ираиееей в яремааа 2.6.15. Харватеристшш даффузаа элемаагов П1 а Ч грува во узлам в времени Глава 26. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК а) ! ! ! ! — Я вЂ” Я вЂ” Я вЂ” Я— е — Бг — Р— Я вЂ” Я— ! ! е ! — Я вЂ” 31 — Р— Я— ! ! ! — Б( — Б1 — Б1 — 31— ! ! ! ! ! ! ! ! — Я вЂ” Я вЂ” Я вЂ” Б1' — Я— ! ! ! ! — Бг — 31* — Бг — в — 31— ! ! ! ! — я — в — я — я — я— ! ! ! ! ! — Я вЂ” Я вЂ” Я вЂ” Я вЂ” Б1— ! ! ! ! ! Рве. 2.6.15.
Деухнераае реыепы яреаая с Шяапяея я еаеягреяеея щиееяенестьв: а — с лрвнеснння атомами бора, обрззуюшего дырки ("); б — с лрянегеымв атомами фоафора, сбразуюшэми свободные заеюронн (е) П1 группы имеют на внешней орбите три электрона, поэзо ляянцие им сформировать только три ковалентных связи с кремнием, однако, внедрююь в решепсу кремния, они могут захватьыать дополнительно один электрон, образуя четырехковалентные связи с кремнием. При этом атом примеси отбирает одну связь у атома кремния. Атомы бора заряллются отрицательно, а охоло атомов кремния на месте потерянной связи образуются дырки, зарюкенные полонмтельно. Дырки могут перемеШаться при приложении электрического поля.
В целом же полупроводник остается нейтральным. Аналогично при внедрении атомов элементов 1Г группы, являющихся для кремния донорами, имеющих на внешней орбите атома шпъ электронов, образуются атомы примеси с четырьмя энехтронами, заряженнме положительно, а пятый электрон свободно блулдаст в решетке кремния, создавая л-тип проводимог Золото используется дпя снг(кения времени переюлочения транзисторов в результате повьппенной скорости рекомбинации неосновных носителей заряла.
Кислород явяяежя медленноднффуняирующей примесью в кремнии. Свойсша кислорода образовывать "внутренний" геттер для захвата и нейтрализации примесных дефектов структуры в настоящее время все шире используютоя в технологии микроэлектроники. Концентрация примеси в кремнии определются степенью ее растворимости в крем- нии, зависшцей только от температуры (табп. 2.6.16). 2.6.16. Характеристики раепюримости примесей в кремнии Растворимость водорода в кремнии харакзчризуегся следующей зависимостью концентрации Ф (см з) от температуры: Ф = = 2ЗР102Рехр[-1,36 / (аз)1, где lс — постоянная Еольцмана.
Процессы диффузии широко используютоя в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем дяя создания локальных областей с разными степенями концентрации примесей и типом проводимости в полевых и биполярных транзисторах, резисторах и других специальных структурах, формируемых в пластине кремния. Атомы примеси в широком диапазоне концентраций (10~э - 10ю атомов примеси в 1 омз) могут быль введены в кремний двУмя основными способами: 1) диффузией примеси из внешнего источника, формируемого на поверхности кремниевой пластины в виде ангидрида примеси, в результате протекания химической реакции ангидрид примеси + Б1 = примесь + ЯОз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
