2. Формирование диэлектрических слоев на поверхности кремния

Формирование диэлектрических слоев на поверхности кремния в основном предназначено для решения трех задач. Во-первых, это пассивация поверхности пластины после создания в ней элементов микросхемы. Наличие такого слоя препятствует адсорбции атомов из окружающей среды на поверхность пластины, тем самым исключается образование электропроводящих дорожек, шунтирующих p-n-переходы. Обычно для решения этой задачи применяется SiO₂ и Si₃N₄. Во-вторых, диэлектрические слои из SiO₂ и Si₃N₄ используются при операции фотолитографии в качестве маскирующих покрытий. В-третьих, диэлектрические слои необходимы для создания МДП-транзисторов микросхем. Наиболее широко используются диэлектрические покрытия из SiO₂, реже – из Si₃N₄ и еще реже – из Al₂O₃.

Формирование диэлектрических слоев SiO2 на поверхности кремния методом термического окисления.

Получить пленку аморфного SiO₂ на поверхности кремниевой пластины можно разными способами. Из них наиболее широко используется методы термического окисления и химического осаждения. При термическом окислении рост пленки SiO2 происходит за счет окисления кремния кислородом (сухое окисление) или парами воды (влажное окисление) согласно реакциям Si + O₂ → SiO₂, Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂. Реакция окисления происходит на границе раздела Si − SiO₂, то есть атомы и молекулы окислителя диффундируют через растущий слой оксида к поверхности кремния, где и происходит реакция. Температура процесса находится в диапазоне 800−1300 °С. Чем выше температура, тем выше скорость роста пленки SiO2. Однако проводить процесс окисления пластин Si при высоких температурах, когда в них уже сформированы элементы микросхемы, нежелательно, поскольку дополнительный нагрев приводит к процессу диффузии примесей, уже внедренных в пластину.

3. Формирование структур методом диффузии

Диффузионные 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 различных пленок на поверхности пластин и их травлении диффузионные процессы играют существенную роль. Для осуществления диффузии обычно полупроводниковые пластины помещают в нагретую до высокой температуры кварцевую трубу диффузионной печи. Через трубу пропускают пары легирующей примеси, которые адсорбируются на поверхности пластин и диффундируют в кристаллическую решетку полупроводника.

Отличительной особенностью диффузии при изготовлении микросхем является то, что примеси вводят в полупроводниковую пластину локально в ограниченные защитной маской окна, а сам процесс осуществляют в две стадии: предварительная загонка нужного количества примеси в приповерхностный слой пластины и последующая разгонка примесных атомов на требуемую глубину до необходимого уровня концентрации. Вследствие малой 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.

Диффузия представляет собой процесс движения примесных атомов в кристаллической решетке. В отличие от диффузии в газовой фазе перемещение атомов в кристалле осуществляется скачками. Эти скачки происходят во всех 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 получил от кристаллической решетки энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, удерживающего атом в устойчивом состоянии. Кроме этого, необходимо также, чтобы конечный пункт перескока примесного атома был свободен. Высота потенциального барьера, называемого энергией активации диффузии, для большинства материалов имеет значение 1 − 4 эВ, а расстояние между 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, чем диффузия по вакансиям. Это объясняется тем, что при диффузии по вакансиям необходимым условием является наличие вакансии вблизи диффундирующего атома, а это представляет собой относительно редкое событие, поскольку концентрация вакансий в кристалле невелика. При диффузии по междоузлиям такое условие несущественно, поскольку большинство междоузлий свободно. Реально имеет место комбинация этих двух механизмов, но один из них обычно преобладает. Примесные атомы III и V групп в кремнии диффундируют, как правило, по вакансиям, а атомы I и VIII – по междоузлиям.