Диффузия (987306), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

11.6.9. Тенденции развития эпитаксиальной технологии

Эпитаксия, как технологический процесс, несомненно остается неотъемлемой частью производства полупроводнико­вых приборов и интегральных схем. Этот процесс позволяет получать профили легирования, которые невозможно обеспе­чить иным путем. Со временем будут широко использоваться автоэпитаксиальные кремниевые структуры. Однако для раз­работки схем с высокими плотностью элементов и быстродей­ствием необходимо воспользоваться преимуществами КНИ-технологии, метода направленной боковой кристаллизации. Использование МЛЭ в производстве СБИС с применением ионного легирования позволит существенно улучшить пара­метры приборов. Продолжительность высокотемпературных операций при производстве СБИС невелика, что позволяет использовать возможности легирования, предоставляемые МЛЭ.

Наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьше­нию толщины эпитаксиальных слоев для создания биполяр­ных и униполярных интегральных схем, несомненно, приведет к дальнейшему совершенствованию эпитаксиальной техноло­гии и более глубокому изучению эффекта автолегирования. Значительным достижением было бы получение эпитаксиаль­ных слоев без загрязнений.

11.7. НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК

Наиболее существенную роль в микроэлектронике тонкие пленки играют, во-первых, в качестве изоляционных покры­тий, масок при процессах диффузии и ионной имплантации, для диффузии из примесно-селикатных слоев, герметизирую­щих слоев, защищающих поверхность приборов от внешних воздействий, для иттерирования примесей и дефектов и т. д.

Вторым, не менее важным, аспектом применения тонких пленок, является использование их для металлизации с целью реализации межкомпонентных соединений с низким сопротив­лением и создания контактов с областями n⁺ и р⁺-типа, а также со слоями поликристаллического кремния.

В
технологии изготовления ИС Процессы создания диэлек­трических и электропроводных пленок применяются в ряде случаев чаще, чем диффузия и ионная имплантация. На рис. 11.7.1 представлена структура обычного полевого МОП-транзистора с сильнолегированными n⁺ областями стока и истока, образованными в результате ионной имплантации в крем­ниевую подложку р-типа.

Рис. 11.7.1. Схема поперечного сечения МОП-тран­зистора

Электрические контакты к областям стока и истока выполнены из алюминия и проходят через узкие вертикальные окна в слое оксида кремния, выполняю­щего роль диэлектрика.

Для образования покрытия на поверхности подложки час­тицы осаждаемого вещества должны вступить с ней в непо­средственный контакт. Источник осаждения частиц обычно расположен отдельно от подложки и для доставки этих час­тиц к ее поверхности, как правило, применяется среда—носи­тель. После попадания осаждаемых частиц на поверхность подложки значительная их часть либо адсорбируется на ней, либо образует новое химическое соединение, которое затем остается на поверхности. В целом процесс осаждения харак­теризуется типом осаждения частиц, средой—носителем, спо­собом введения осаждаемого вещества в среду—носитель, ти­пом реакции на поверхности подложки, а также механизмом переноса осаждаемых частиц от источника к подложке.

По типу использования среды—носителя методы осажде­ния пленок могут быть классифицированы на следующие.

1. Формирование пленок из газовой фазы.

2. Формирование пленок в результате взаимодействия по­верхности подложки с химическим реагентом.

3. Осаждение тонких пленок из растворов или расплавов.

4. Формирование пленки из твердой фазы.

5. Осаждение пленки в результате электролитических ре­акций.

11.7.1. Нанесение пленок в вакууме

Испарение в вакууме

Процесс нанесения на подложку тонких пленок металлов и неметаллов с использованием термического испарения в вакууме состоит из двух этапов: испарение вещества и кон­денсация его частиц на подложке. При нагревании вещество обычно сначала плавится, а затем образуется пар, однако в ряде случаев некоторые материалы, минуя жидкую фазу, переходят в парообразное состояние.

Р
ис. 11.7.2. Температурная зависимость давления насыщенных паров для некоторых металлов. Точ­ками обозначены температуры плавления

Сверхвысокий вакуум широко используется для проведе­ния технологических процессов создания ИС, особенно при производстве арсенид-галлиевых структур. Испарение в сверхвысоком вакууме предотвращает загрязнение поверхности подложки и осаждаемого материала остаточными газами и случайными примесями. Согласно законам термодинамики, количество молекул, покидающих единицу площади в еди­ницу времени, определяется выражением

N=N₀ exp(-E_a/KT)

где No—константа, слабо зависящая от температуры; Е_а.— энергия активации для испарения, соответствующая энергии, необходимой для удаления с поверхности материала одной молекулы, находящейся в связанном состоянии. Пары над поверхностью вещества в зависимости от температуры имеют определенное давление (рис. 11.7.2).

П

оток испаренных в сверхвысоком вакууме атомов или молекул движется вследствие отсутствия столкновений и рас­сеяний прямолинейно (согласно кинетической теории газов). Формула для средней длины свободного пробега частиц λ имеет следующий вид:

(11.7.1)

г де N—концентрация молекул при данных давлении и тем­пературе; δ—эффективный диаметр молекул; m—масса мо­лекул; — среднеквадратичная скорость молекул. В табл. 11.7.1 в качестве примера приведены вычисленные по формуле (11.7.1) значения средней длины свободного пробега для молекул воздуха.

Таблица 11.7.1 Средняя длина свободного пробега для молекул воздуха

Следует отметить, что интенсивность испарения частиц из точечного источника на поверхности испарителя под углом φ к нормали этой поверхности пропорциональна cos φ, а число испаренных атомов, достигших поверхности подложки, обрат­но пропорционально расстоянию от испарителя до подложки.

С

корость испарения, определяемая количеством вещества, испаряемого с 1см² поверхности испарителя в 1 с, рассчиты­вается последующей формуле:

(11.7.2)

где ω — скорость испарения; Р — давление насыщенного пара; М — молекулярный вес; Т — абсолютная температура, К.

Скорость осаждения тонких пленок описывается обычно числом атомных слоев пленки, наращиваемых на поверхность подложки за секунду. Нетрудно подсчитать, что число ато­мов, размещающихся в монослое на 1 см² поверхности под­ложки, составляет около 10¹⁵. Для получения приемлемых скоростей выращивания тонких пленок требуется давление паров источника обычно порядка 1 Па (1 мм рт. ст.==133 Па). В ряде случаев ввиду повышенной химической активности и склонности к разложению испаряемого вещества на темпера­туру его нагрева накладываются ограничения. Для высоко­температурного нагрева обычно используют следующие ме­тоды: резистивный, индукционный, облучение световым, ла­зерным или электронным пучком (рис. 11.7.3).

Испарение сплавов

Для получения тонких пленок с заданными физико-хими­ческими свойствами возникает необходимость производить ис­парение многокомпонентных веществ. В любом, даже самом чистом, материале находятся примеси, концентрация которых обычно лежит в интервале 10^-6—10^-3 ат.%. Таким образом, получение пленок всегда связано с испарением или распыле­нием концентрированных или разбавленных растворов.

Согласно закону Рауля, парциальное давление паров К-го компонента в растворе Р_к связано с концентрацией К-го компонента в паре С_пк или растворе С_жк следующим соотношением:

P_к=C_пк Р_общ = Р⁰_к С_жк (11.7.3)

где Р_общ—общее давление в системе; Р_к—давление насы­щенных паров чистого компонента К.

Реальные вещества строго не подчиняются этому закону, для них вводится так называемый коэффициент активности для К-го компонента в растворе а_к. Коэффициент активности показывает, насколько сильно поведение компонента в раство­ре отличается от закона Рауля (11.7.3)

P_к=а_к Р⁰_к С_жк (11.7.4)

Основным параметром, характеризующим испарение спла­вов, является коэффициент межфазового разделения Кмр, позволяющий рассчитать состав пара при заданном составе испаряемого материала. Для двухкомпонентного сплава он определяется так:

(11.7.5)

Уравнение (11.7.5) обычно используется для нахождения со­става пара при испарении многокомпонентных составов. Основной трудностью в этих расчетах является определение вида функции a=f(P, Т, С), которая может быть найдена методами статистической физики или же определена экспе­риментально.

Рис. 11.7.3. Зависимость концентрации пара от концентрации жидкости при постоянной температуре

В практических расчетах обычно пользуются диаграммами (рис. 11.7.3). Прямая Линия OD соответствует идеальному раствору, подчиняющемуся закону Рауля (11.7.3). При испарении реальной жидкости состава С_жА равновесная концентрация пара соответствует С_пв. В зависимости от сте­пени отклонения системы от равновесия концентрация пара у поверхности подложки может меняться от точки С_пА до С_ПВ. Концентрация пара состава С_ПВ ведет к образованию фазы состава С_жс. Таким образом, испарение компонента сплава с концентрацией С_жА при постоянной температуре приводит в зависимости от сдвига равновесий к конденсации состава, меняющегося от С_жА до С_жс.

Получение тонких пленок сплавов связано со значитель­ными трудностями, связанными в частности с различными скоростями испарения компонентов, состав пленки при этом может значительно отличаться от состава испаряемого мате­риала (рис. 11.7.4).

Рис. 11.7.4. Зависимость толщины (а) и состава (б) пленки от времени испарения при конденсации бинарного сплава

Профиль распределения концентрации одно­го из компонентов осажденной пленки зависит также от ско­рости диффузии компонентов к поверхности испарения из глубины расплава. Диффузия в жидкости может происходить как из-за наличия градиента концентрации, так и градиента температуры (термодиффузии). На практике в целях предот­вращения этого процесса, а также процессов термоконвективного и конвективного переносов расплав энергично переме­шивают.

Из сказанного выше следует, что состав осаждаемых пле­нок зависит как от характера взаимодействия компонентов в расплаве, так и от их индивидуальных физических свойств. Немаловажное значение имеют конкретные характеристики используемой аппаратуры, степень автоматизации управле­ния процессом и контроля свойств выращиваемой пленки, со­става расплава и других характеристик.

Характеристики

Список файлов лекций