Диффузия (987306), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

11.7.2. Распыление материалов

Ионно-плазменное распыление

Этот метод основан на распылении атомов вещества в ре­зультате ударов ускоренных в электромагнитном поле ионов и конденсации этих атомов на подложку. Распыление бывает катодным (физическим) и реактивным (химическим). Катод­ное распыление происходит в результате столкновений между атомами мишени и падающими ионами и в сильной степени зависит от энергии бомбардирующих ионов. Следует отметить, что повышение напряжения ускоряющих его бомбардирующих ионов приводит к увеличению распыления, поскольку начиная с некоторого его значения начинает преобладать внедрение падающих ионов вглубь материала.

Существует по крайней мере два механизма процесса фи­зического распыления. Согласно первому из них, распыление происходит в результате сильного местного разогрева поверх­ности мишени бомбардирующими ионами. Второй механизм предполагает передачу кинетической энергии падающих ионов атомам подложки с последующей передачей этой энергии дру­гим атомам кристаллической решетки. Строя модели процесса ионно-плазменного распыления, необходимо рассматривать все разновидности взаимодействия ионов с поверхностью, Падающий ион может обратно рассеяться на атоме или группе атомов на поверхности твердого тела, а также при­вести к смещению ионов или атомов образца из положения, где они были слабо связаны с поверхностью в положение, сильно связанное со структурой образца. Ионы высоких энер­гий могут проникать в глубь образца, создавая внутренние де­фекты и оставаясь там (ионное легирование). В ряде случаев освобождение от связей с образцом одного или нескольких атомов или ионов приводит к физическому распылению. При взаимодействии ионов с поверхностными атомами могут обра­зовываться химические соединения с возможным их испаре­нием (химическое распыление). Захват поверхностным ато­мом электрона при рассеянии иона приводит к отражению нейтрального атома. Наконец возможна адсорбция ионов на поверхности, вторичная электронная и ионная эмиссия.

Широкое применение ионно-плазменного распыления обусловлено рядом его преимуществ.

1. Универсальность метода, позволяющая, используя одну унифицированную установку, распылять металлы, диэлектри­ки, полупроводники, сплавы и соединения.

2. Лучшая за счет большей кинетической энергии распы­ленных атомов и молекул по сравнению с вакуумным осажде­нием адгезия пленок к подложкам.

3. Возможность формирования различного состава пленок (в том числе пленок Такого состава, который нельзя полу­чить другими методами) вследствие равномерного удаления атомов и молекул с поверхности мишени сложного химичес­кого соединения в процессе его распыления.

4. Повышенная воспроизводимость электрических свойств пленок, благодаря хорошей контролируемости и управляемо­сти процесса.

К недостаткам метода следует отнести низкую скорость осаждения (около 200 Å/мин) пленки, высокое давление в парогазовом пространстве.

Реактивное распыление

При получении пленок методом реактивного распыления взаимодействие рабочих газов с конденсируемой пленкой в ряде случаев улучшает ее электрофизические свойства. Взаимодействие реактивных газов, например О₂ и N₂, с ато­мами мишени Х приводит к образованию соединений типа Х_пО_т и X_kN_l. Газы сложного состава (NH₃, CH₄) под действием газового разряда диссоциируют и образуют ана­логичные приведенным выше соединения. При наличии в газе молекул типа SiO, Si₂O₃, SiO₂ ,CuO, Cu₂O и др., образовав­шихся из реагирующих ионов, состав формируемой пленки сильно зависит от катодного напряжения и их парциальных давлений. Оксиды при реактивном распылении образуются путем добавления к реакторному газу незначительной доли кислорода, в противном случае, например распыление SiO₂ в чистом аргоне, приводит к образованию пленки состава SiO_x, где x=1,94; ...; 1,97.

Количественно процесс катодного распыления характери­зуется коэффициентом распыления К_р, численно равным ко­личеству атомов, выбитых с поверхности мишени одной соударяющейся в ней частицей:

(11.7.6)

где К—поправочный коэффициент, учитывающий физичес­кое состояние поверхности мишени; m_i и m_а—массы бомбар­дирующего иона и атома мишени соответственно; W_i—энер­гия иона; λ_i—длина свободного пробега иона к мишени. В практике катодного распыления величина К_р обычно не превышает 10. В случае получения пленок двухкомпонентных сплавов применяются системы, содержащие два катода с от­дельным регулированием напряжения на каждом из них.

Скорость распыления материалов существенно зависит от коэффициента распыления. Однако повышение скорости осаж­дения обычно отрицательно сказывается на свойствах пленки. Стремление повысить производительность ионно-плазменного распыления привело к созданию метода магнетронного рас­пыления, основанного на удержании плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях. Применение этого метода позволяет за счет удержания плазмы в пространстве, приле­гающем к мишени, повысить плотность ионного потока и, следовательно, увеличить скорость распыления.

11.7.3. Окисление

О
кисление кремния применяется в ходе всего технологи­ческого цикла изготовления ИС и преследует следующие цели: создание масок при ионной имплантации или диффузии легирующих примесей, для изоляции приборов друг от друга.

Рис. 11.7.5. Модель термического окисления кремния

Во многих случаях толщина окисленного слоя составляет несколько сотен нанометров и по существу представляет со­бой тонкую пленку. Помимо перечисленных выше способов получения оксидных пленок кремния часто применяется тер­мическое окисление в кислороде или парах воды:

Si_ТВ+O₂→SiO_2TB. (11.7.7)

Si_ТВ+2Н₂О→SiO₂тв+2Н₂ (11.7.8)

Согласно современным представлениям окисление проис­ходит в результате диффузии окисляющих элементов через оксидный слой к границе раздела фаз Si—SiO₂, где и проте­кает реакция окисления. Однако до сих пор нет точных све­дений о том, какая частица диффундирует через окисленный слой (заряженная или нейтральная), а также неясна очеред­ность некоторых этапов реакции окисления на границе раз­дела фаз Si—SiO2.

Рассмотрим модель термического окисления кремния (рис. 11.7.5). Окисляющие элементы диффундируют из газовой фазы. их поток определяется, как число атомов или молекул, пересекающих в единицу времени единичную поверхность газ — твердое тело, и пропорционален разности концентраций окислителя в объеме газовой фазы и вблизи поверхности

F₁=h_G(C_G-C_s)

где h_g — коэффициент массопереноса в газовой фазе.

Равновесная концентрация молекул окислителя в оксидном слое, согласно закону Генри, связана с их концентрацией в газовой фазе соотношений

Со=Н_Ps (11.7.10)

С*=H_PG (11.7.11)

где Со—равновесная концентрация в окисле на внешней по­верхности; С*—равновесная объемная концентрация в окси­де; р_s — парциальное давление в газовой фазе вблизи по­верхности оксида; р_G — парциальное давление в объеме га­зовой фазы; H—постоянная Генри. Воспользовавшись зако­ном Генри совместно с законом идеальных газов (С==р/kТ). получим следующее выражение для потока F₁;

F₁=h/(C*—Co), (11.7.12)

где h — коэффициент масеопереноса в газовой фазе, опреде­ляемый как h=h_G /HkT.

Поток частиц окислителя через оксид описывается зако­ном Фика

F2=-D*dC/dx (11.7.13)

Для установившегося процесса выражение для этого потока имеет следующий вид:

F2=D*/( Co - C_i)/d₀ (11.7.14)

где C_i—концентрация окисляющего агента в оксиде вблизи фазовой границы с кремнием; d—толщина оксида.

Поток, соответствующий реакции, происходящей на гра­нице раздела фаз Si—SiO₂, пропорционален C₁:

F3=k_s C_i (11.7.15)

где k_s—константа скорости поверхностной химической реак­ции окисления кремния.

В

условиях равновесия F₁=F₂=F₃. Совместное решение уравнений для этих потоков приводит к следующим выраже­ниям для C_i и Со:

(11.7.16)

(11.7.17)

С

корость роста слоя оксида кремния, определяемая как число молекул окисления, входящих в единичный объем оксидного слоя, описывается следующим уравнением:

(11.7.18)

при следующих начальных условиях: d=di при t=0, где di соответствует начальной толщине оксидного слоя. Решение уравнения (11.7.18) имеет следующий вид:

d²₀+Ad₀=B (t+τ) (11.7.19)

где A=2D(1/k_s+1/h) (11.7.20а)

B=2DC_*/N₁ (11.7.20б)

τ=(d²_i+Ad_i)/B (11.7.20в)

Толщина оксидного слоя d_o, как функция времени, выгля­дит следующим образом:

(11.7.21)

В предельном случае при t>> τ d_o=Bt, а при малых вре­менах t когда (t+ τ) <<A²/4B:

d₀=B/A (t + τ) (11.7.22)

При окислении легированного кремния примесные атомы, первоначально расположенные в кремнии, будут перераспре­деляться на границе раздела фаз. Это явление, как уже отме­чалось в первой главе, получило название сегрегации приме­сей и обусловлено выравниванием химического потенциала примеси по обеим сторонам границы раздела фаз. На пере­распределение легирующих атомов влияет также величина коэффициента диффузии атомов примеси через слой оксида и отношение скорости перемещения границы раздела фаз в глубь кремния, но по отношению к скорости перемещения диффузионного фронта. На рис. 11.7.6 представлены четыре различных варианта сегрегации примеси, происходящей при термическом окислении кремния.

Р
ис. 11.7.6. Профили распределения примеси в системе Si—SiO₂ при диффузии с одновременным окислением для различных значений коэффициента сегрегации и параметра r=D_Si/D_SiO2

В
заключение отметим, что окисление в сухом и влажном кислороде протекает не с одинаковой скоростью (рис. 11.7.7), а при малых толщинах пленок (около 50 нм) наблюдаются аномально высокие скорости окисления.

Рис. 11.7.7. Влияние температуры: а — на параболическую константу скорости роста оксидной пленки при окислении в сухом и влажном кислороде; б — на линейную константу скорости окисления

Характеристики

Список файлов лекций