2.7 Сурет. Фотолитографияның процессінің схемасы:

а– фотошаблон (ФШ) арқылы экспонирлеу; б – проявление фоторезиста (ФР); в – травление SiO₂жәнефоторезисттің жойылуы

Фотолитография процессінің сапасы жартылай өткізгішті пластинада элементтердің геометриялық өлшемдерінің дәл көшірмесімен анықталады.

Фотолитография процессін жетілдіру проекционды контактты фотобаспаны ауыстыру, фотожиынтықты қолдану, фотопластинкаға аралық фотошаблонды бір процесспен кезекті фотобаспамен элементердің суретін дайындау көпбаспалдақты процессжолдарымен жүзеге асады. Рентгендік және электронды литографияларды қолданудың келешегі бар болып саналады.

Қоспаның локальді диффузиясы.Диффузия жартылай өткізгішке қоспаны енгізу әдісі секілді р- п- өткелін алу үшін біріншідәрежелі мағынаға ие болады. Себебі р- п- өткелінің қасиетінен микросхеманың негізгі сипаттамалары тәуелді, ал р- п- өткелінің қасиеті диффузия әдісімен алынатын, жартылай өткізгішті құрылымдардағы қоспалардың таралуына байланысты, онда диффуззия процессіне диффузионды облыстағы геометриялық өлшемдердің прецизиондылығы және қоспаның концентрациясының таралу дәлдігі бойынша қатаң талаптар қойылады. Бұл өз кезегінде диффузия процессінің технологиялық режиміне анық талаптарды қояды: енгізілген қоспаның таралуы мен саны, температура мен уақыттың дәлдігі.

Диффузия кезінде кристаллдарда берілген қатты дененің атомдарының (самодиффузия) және қоспалы атомдардың ауысуын ажыратады. Диффузия күшімен жылжитын атомдардың концентрациясының градиенті: ол көп болған сайын, атомдардың ауысуы қарқындырақ (интенсивті) болып табылады.

Нақты кристаллдарда диффузияның теориясы үш механизмге байланысты болады:

идеалды кристаллдағы секілді, бір бірімен орын ауысу;

түйіндер арасы бойынша диффузия;

бос түйіндер бойынша диффузия.

Металлдарда және жартылай өткізгіштерде қоспалы атомдардың диффузиясының жылдамдығы олардың ерігіштігіне кері пропорционал. Егер еріткіштің және ерігіш заттектіңатомдары бірдей болса, онда қоспа еріткіштің түйіндерінің орнын баса тұрып, бос орын негізінде кристаллдық торға енеді. Атомдар әр келкі және диффундирлеуші атом түйіндердің орнын баса алмаса немесе сонда әлсіз химиялық байланыс есебінен тұра алмасаған жағдайда, диффузия негізінде түйіндердің арасына барады. Бұл жылдамырақ механизм, бірақ түйіндердің арсындағы кеңістікте бос орынға қарағанда, атомдардың саны әлдеқайда аз орналасы мүмкін.

Диффузионды процесстерді математикалық суреттеу идеалды газға және ерітіндіге қолдану 1855 жылы бірінші рет А. Фикомменжылуөткізгіш Фурье теңдеуіне негізделген, екі заң түрінде берілді. Фиканың бірінші заңы атомдардың бір заттан басқасына, концентрацияның өзгеріссіз градиенті және осы атомдардың тұрақты уақыт ағынында ену жылдамдығын анықтайды. Қоспаның атомдардың ағынының бірөлшемді моделді тығыздығы мына теңдеумен анықталады.

мұндағы қоспа диффузиясының коэффициенті; концентрацияның градиенті; шексіз үлкен температурада саны бойынша диффузия коэффициентіне тең, тұрақты; диффузияның активтену энергиясы.

Фиканың екінші заңы еріген қоспаның кез келген жазықтықта, диффузияға перпендикулярлы бағытта жинау жылдамдығын анықтайды. Бірөлшемді модел үшін

мұндағы уақытқа байланысты диффундирлеуші концентрациясының өзгеруі.

Диффузия теориясы қоспаның бір түрі кез келген басқасынан және де диффузия жылдамдығынан тәуелсіз деп болжайды, яғни диффузия коэффициенті концентрацияға тәуелді емес. Бұл жорамал, невырожденный жартылай өткізгіштер үшін теориялы және экспериментті берілгендердің қанағаттанарлы сәйкестігін алуға мүмкіндік береді. Вырожденный жартылай өткізгіштерде диффузияның коэффициенті қоспаның концентрациясына тәуелді болады.

Жартылай өткізгішті ИМС шығаруда диффузияның екі түріне назар аударады: қоспаның шексіз (тұрақты) көзіндегі (источник) диффузия және шекті (органиченного) көзіндегі диффузия.

Қоспаның шексіз (тұрақты) көзіндегі диффузия жартылай өткізгішті пластинадан шығады, диаметрі оның қалыңдығынан көп үлкен, тереңдігіне, өз пластинаның қалыңдығынан көп аз. Шексіз немесе тұрақты көзбен, жартылай өткізгіштің беткі қабатынан оның көлеміне кететін қоспалар саны, беткі қабатқа келіп түсетін қоспалар санына тең, жүйенің осындай жағдайын түсінеді. Бұл талаптартарды,жартылай өткізгішті пластинаның бетіндегі және источниктағы пластинаның материалына қарағанда айтарлықтай көп жылдамдыққа ие болатын, шексіз көп атомдары бар қоспаның көзі қанағаттандырады. Осы жағдай үшін бастапқы және шекті шарттар мына түрде жазылады

мұндағы кез келген уақытта кез келген тереңдікте қоспаны диффундирлеуші концентрация; х – үстіңгіден (от поверхности) қашықтық; t – диффузия уақыты; x=0– диффузия өтетеін, бетінің (поверхность) координитасы; N_s– қоспаның беткі координатасы.

Осы шарттар негізінде Фиканың екінші заңының теңдеуі мына түрде болады

мұндағы ауыспалы интегралдау.

Квадратты жақшадағыекінші мүшесі қателердің функциясының теңдеуі болыпсаналады және (2.19) теңдеуін мынадай түрде жазуға болады:

Мұнда erfc – бірлікке дейін қателердің функциясын толықтыруды білдіретін, символ(error function complement).

(2.21) формула қоспаның концентрациясының таралуының уақытқа(2.8, а сурет) және координатаға(яғни тереңдік пластинаның бетінен бастап) тәуелділігін суреттейді.Осы формуладан қоспалардың таралуы қоспаның беткі концентрациясымен N_s, диффузия коэффициентімен D және диффузияның уақытымен t анықталатыны көрініп тұр. Егер диффузия процессін үзсек, ал кейін қайтадан түзетсек, онда қоспалардың жалпы таралуы

Бұл теңдеуде 1және 2 индекстері процесстің бірінші және екінші сатыларына сәйкес қатысты болады.

Қоспаның шекті көзіндегі диффузия келесі түрде жүзеге асады: жартылай өткізгішті пластинаның жұқа беткі қабатында dқоспаның артық концентрациясынN_s құрады, кейін жартылай өткізгішке қарағанда, пластинанын бетін айтарлықтай шағын материалмен жабады, диффузия коэффициентімен және пластинаның тереңдігінде қоспаның диффузиясыболған уақыттажылытады, ал оның шегінде (x = 0) қоспа ағыны тәжіибе жүзінде кез келген уақытта нөлге тең.

2.8 сурет. Диффузия кезінде жартылай өткізгіште қоспаның концентрациясының графиктері (t₁<t₂<t₃): a – қателердің функцияларын толықтыру заңы бойынша; б – Гаусс заңы бойынша;

Осы жағдай үшін бастапқы шекті шарттар мына түрде жазылады

Осы шарттар негізінде Фиканың екінші заңының теңдеуі мына түрге келеді

Мұндағы кез келген уақыттағы жартылай өткізгішті пластинадағы қоспаның жалпы саны.

(2.24) теңдеуі Гаусстың таралу функциясын көрсетеді және диффузионды қабаттың тереңдігіне және уақытқа қоспаның таралуының тәуелділігін көрсетеді (2.8, б сурет).

(2.21) және (2.24) теңдеулерін салыстырудан, екі негізгі шекті шарттар үшін қоспаның таралуын суреттейтін, пластинаның шегінде қоспаның концентрациясы бірінші жағдайда тұрақты болып қалады, ал пластинаның ішінде барлық уақытта және кезіндежоғарылайды. Екінші жағдайда бетінде (на поверхности) қоспаның конценрациясы үнемі төмендейді және кезінде пластинадағы қоспаның жалпы саны Q пластинаның барлық тереңдігінде біркелкі таралуға ұмтылады.

Шексіз көздегі диффузия жартылай өткізгішті құрылымдарды оңашалау кезінде және эмиттерлі облыстарды қалыптастыру, шекті көздегі диффузия– көпқабатты құрылымды құру кезінде және транзистордың базалық облыстарын қалыптастыру, сонымен бірге құрылымдарды оңашалау кезіндеөтеді.

Жартылай өткізгішті ИМС дайындау технологиясында қоспаның диффузиясын келесі әдістермен жүзеге асырады: ашық трубадағы газ – тасығыш ағында, ампулада, вакуумда және бокс – әдіспен. Диффузияны кремнилі ИМС дайындау үшін жиі екі сатыдан өткізеді. Бастапқыда пластинаның бетінде қоспаның жоғары концентрациясы бар жұқа диффузионды қабатты құрады, ал кейін, қоспасы болмайтын, атмосферада қыздырады; нәтижесінде пластинада беткі қабаттан қоспалардың қайта таралуы болады. Бұл диффузияның әдісі бір сатыдан алдын артық қатарға ие болады:

1) диффузионды профильден алынатын парамерлерді және микросхеманың қалпына келуінжақсы бақылау, өйткені екінші сатыда процессті басқарумен, кемшілікті жою үшін түзетулер енгізуге болады.

2) жеңілдеу маскировка, өйткені алдын ала сатыны төменірек температурада өткізуге болады және маскировка үшін пленканың жұқарақ қабатына ие болу керек.

3) бір сатыдағы диффузия кезінде қателердің функциясын толықтырғыш бойынша таралуға қарағандаГаусс функциясы бойынша алынатынқоспаның таралуы жақсырақ.

Ашық трубадағы диффузия әдісі кремнилі ИМС технологиясында кеңінен қолданады. Соңы ашық шығысты кварцты трубада диффузияны жүзеге асырады (2.9 сурет).