В. И. Смирнов (987304), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Увеличение скорости окисления обусловлено образованием механических напряжений в растущем слое оксида, что способствует увеличению скорости диффузии молекул окислителя. Улучшение качества оксидных слоев обусловлено тем, что ионы хлора способны связать ионы натрия икалия, оказывающих очень негативное влияние на характеристики оксида. Данные ионы в слое SiO2 могут появиться на более ранней стадии технологического процесса, например, при удалении фоторезиста щелочными растворами наоснове NaOH и KOH.
Попав в слой SiO2, они способны перемещаться в нем поддействием электрического поля, что резко снижает электрическую прочностьоксидного слоя. Особенно важно это для подзатворного слоя диэлектрика вМДП-транзисторах.Несмотря на то, что метод термического окисления позволяет получатькачественные слои SiO2, он имеет один серьезный недостаток, а именно, с егопомощью сложно получать «толстые» слои. При толщине порядка 1−2 мкмскорость роста слоя SiO2 становится практически равной нулю. Для многих задач (создание маскирующего покрытия при фотолитографии или подзатворногослоя диэлектрика в МДП-структурах) такая толщина и не требуется.
Тем не менее, существуют задачи, для решения которых необходимо выращивать слоиSiO2 толщиной несколько микрометров. Это требует применения других методов формирования оксидных слоев, в частности, метода химического осаждения.Химическое осаждение слоев оксида кремнияСуществует несколько методов осаждения слоев SiO2, из них наибольшеераспространение получили пиролиз кремнийорганических соединений (например, тетраэтоксилана Si(C2H4OH)4) и окисление силана SiH4.
В основе первогометода лежит реакция29Si(C2H4OH)4 → SiО2 + СО2 + R ,где R – органические радикалы, типа С2Н5, СН3 и другие. Процесс проводятпри температуре 700 − 750 °С. Скорость роста довольно высока, что позволяетза несколько десятков минут получать слои толщиной несколько микрометров.Обычно эту реакцию реализуют с помощью потока газа-носителя (Ar, N2, H2,Ar + O2), содержащего пары тетраэтоксилана.Пиролиз тетраэтоксилана при Т < 700 °С будет неполным и растущийслой SiO2 окажется загрязненным промежуточными продуктами разложенияSi(C2H4OH)4. Выше 750 °С слой SiO2 загрязняется углеродом, карбидом кремния SiC и смолянистыми продуктами пиролиза.
Для улучшения качества слоевиногда процесс проводят не в открытой трубе в потоке газа-носителя,а в вакуумной системе, наполненной после откачки парами тетраэтокилана.Процесс безопасен, что отличает его от реакций с использованием окислениясилана.В основе второго метода лежит реакцияSiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O.Реакция проходит при температурах 250 − 400 °С. Данный метод по сравнениюс пиролизом тетраэтоксилана обладает рядом преимуществ. Во-первых, получаются более чистые пленки без образования остатков органических соединений, углерода, карбида кремния и других. Во-вторых, процесс проходитпри более низких температурах. В-третьих, окисление силана легко согласуетсяс эпитаксией кремния, то есть можно осуществлять процесс в одном реакторе,что очень важно при нанесении защитных покрытий на эпитаксиальные структуры.Недостаток метода – токсичность и пирофорность (самовосгораемость)силана. Поэтому реагенты вводят в реактор сильно разбавленными аргоном,что позволяет регулировать скорость роста оксидных слоев.
Скорость ростаSiO2 растет примерно линейно с увеличением расхода силана и лимитируетсярасходом кислорода, то есть линейный участок переходит в насыщение, еслистановится недостаточно кислорода. Скорость роста SiO2 может достигать десятков нанометров в минуту.Получение пленок нитрида кремния и оксида алюминия.Иногда применение диэлектрических слоев SiO2 по тем или иным причинам невозможно.
Это может быть связано с отсутствием маскирующих способностей слоя, используемого при фотолитографии. Такие примеси, как Al, Ga, Inдиффундируют в SiO2 в десятки и сотни раз быстрее, чем в кремнии, поэтомуиспользовать в качестве маски слои из SiO2 в данном случае невозможно. Тонкие слои (d = 0,1…0,15 мкм) также не способны выполнить функции маски придлительной диффузии таких примесных атомов, как В и Р. Да и электрическаяпрочность слоев из SiO2 в ряде задач не удовлетворительна. Поэтому достаточно широкое распространение получили слои из нитрида кремния Si3N4.
Для30многих диффузантов проницаемость слоев из Si3N4 значительно меньше, чемслоев из SiO2. Это позволяет делать их более тонкими, что повышает разрешающую способность фотолитографии.Использование слоев из нитрида кремния имеет и свои недостатки,в частности, более высокую плотность заряда на границе раздела Si − Si3N4, чемв системе Si − SiO2. Есть сложности с травлением рельефа из Si3N4. Поэтомучасто используют комбинации слоев типа SiO2 − Si3N4, или SiO2 − Si3N4 − SiO2.Получить слои из нитрида кремния можно в принципе методом прямогонитрирования поверхности кремния азотом, аммиаком или гидразином:3Si + 2N2 → Si3N4,3Si + 4NH3 → Si3N4 + 6H2,3Si + 2N2H4 → Si3N4 + 4H2.Однако даже при температурах порядка 1300 °С скорость роста слоевSi3N4 очень мала (меньше 0,1 нм/мин). Поэтому методы прямого нитрированияв технологии применения не получили.Хорошие результаты получаются при использовании реакций3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2,3SiCl4 + 4NH3 → Si3N4 + 12HCl.Температура процессов 600 − 1100 °С.
Скорость роста слоев Si3N4 получаетсяна уровне 1 − 20 нм/мин. Слои получаются аморфные, с хорошей маскирующейспособностью.Слои из Al2O3 используют в качестве изолирующих или защитных покрытий в МДП-структурах. Оксид алюминия обладает повышенной радиационной стойкостью, имеет высокие электрические характеристики, прежде всеговысокую диэлектрическую проницаемость, что обеспечивает эффективное использование слоев из Al2O3 в элементах памяти. Он устойчив к дрейфу такихионов, как Na и K, вызывающих нестабильность работы полевых МДПтранзисторов.Слои из оксида алюминия получают методом анодного окисления предварительно нанесенного на пластину тонкого слоя Al, методом реактивногораспыления алюминиевой мишени в кислородной плазме, распылением подложки из сапфира электронным или лазерным лучом в вакууме, пиролизомалюминийорганических соединений.
Последний метод является самым распространенным.3.3. Формирование структур методом диффузииДиффузионные процессы в технологии электронных средств используются чрезвычайно широко. Диффузионный метод легирования полупроводниковых пластин с целью создания в них всевозможных электронно-дырочных переходов является одним из основных. Да и в процессе выращивания различныхпленок на поверхности пластин и их травлении диффузионные процессы игра31ют существенную роль. Для осуществления диффузии обычно полупроводниковые пластины помещают в нагретую до высокой температуры кварцевуютрубу диффузионной печи.
Через трубу пропускают пары легирующей примеси, которые адсорбируются на поверхности пластин и диффундируют в кристаллическую решетку полупроводника.Отличительной особенностью диффузии при изготовлении микросхемявляется то, что примеси вводят в полупроводниковую пластину локальнов ограниченные защитной маской окна, а сам процесс осуществляют в две стадии:предварительнаязагонканужногоколичествапримесив приповерхностный слой пластины и последующая разгонка примесных атомов на требуемую глубину до необходимого уровня концентрации.
Вследствиемалой глубины проникновения примесных атомов в пластину можно считать,что их концентрация изменяется только в одном направлении. Поэтому в дальнейшем рассматривается только одномерный случай диффузии.Механизмы диффузии. Модель процесса диффузииДиффузия представляет собой процесс движения примесных атомовв кристаллической решетке. В отличие от диффузии в газовой фазе перемещение атомов в кристалле осуществляется скачками.
Эти скачки происходят вовсех направлениях и суммарный поток определяется статистическим усреднением за определенный период времени. Атомы кристалла образуют пространственную периодическую структуру. Примесный атом, перемещаясь по кристаллу, постоянно перескакивает из одного устойчивого состояния в другое.Для того чтобы осуществился такой перескок, необходимо, чтобы атом получилот кристаллической решетки энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, удерживающего атом в устойчивом состоянии.
Кроме этого,необходимо также, чтобы конечный пункт перескока примесного атома былсвободен. Высота потенциального барьера, называемого энергией активациидиффузии, для большинства материалов имеет значение 1 − 4 эВ, а расстояниемежду соседними потенциальными барьерами соответствует постоянной решетки и примерно равно 0,1 − 0,3 нм.Примесные атомы в кристалле могут перемещаться либо по вакансиям(свободным узлам кристаллической решетки), либо по междоузлиям. Соответственно этому различают два основных механизма диффузии: диффузия по вакансиям (диффузия замещения) и диффузия по междоузлиям (диффузия внедрения). Диффузия по междоузлиям происходит в сотни тысяч раз быстрее, чемдиффузия по вакансиям. Это объясняется тем, что при диффузии по вакансиямнеобходимым условием является наличие вакансии вблизи диффундирующегоатома, а это представляет собой относительно редкое событие, поскольку концентрация вакансий в кристалле невелика.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
