Sb98848

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

_______________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

___________________________________________________

О. В. АЛЕКСАНДРОВ А. В. ТУМАРКИН

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

УДК 621.372(07) : 681.3(07)

ББК З 844.1-04я7 А46

Александров О. В., Тумаркин А. В.

А46 Основы технологии электронной компонентной базы: учеб.-метод. пособие. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 23 с.

ISBN 978-5-7629-2606-5

Содержит комплекс учебно-методических материалов для подготовки к лекционным, практическим занятиям и самостоятельной работе по дисциплине «Основы технологии электронной компонентной базы». Может быть использовано в ходе производственной и преддипломной практик, а также при подготовке выпускной квалификационной работы.

Предназначено для студентов бакалавриата направления 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.372(07) : 681.3(07) ББК З 844.1-04я7

Рецензент зам. генерального директора ПАО «Светлана» по науч.-техн. развитию, канд. техн. наук В. А. Клевцов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Современный технический прогресс в значительной мере опирается на физико-химические основы технологии электроники и наноэлектроники.

Задачей дисциплины «Основы технологии электронной компонентной базы» является изучение физико-химических процессов изготовления изделий электроники и наноэлектроники.

Разработанные методические указания предназначены для студентов очно-заочной (вечерней) и заочной форм обучения.

1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ

Введение. Этапы развития электроники и технологии электронных приборов. Роль современных физических представлений в развитии технологических методов изготовления электронных приборов. Структура, содержание и задачи дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана.

Тема 1. Основные элементы и особенности технологии электронных приборов. Классификация вакуумных и твердотельных электронных приборов. Основные элементы технологии вакуумных электронных приборов. Основные элементы технологии твердотельных электронных приборов. Общая характеристика различных технологических методов, используемых в производстве электронных приборов: 1) механических, термических, электрофизических и электрохимических методов формообразования и получения вакуумноплотных соединений; 2) методов обработки, очистки и защиты поверхности; 3) методов получения поверхностных покрытий и тонких пленок; 4) методов формирования активных полупроводниковых структур.

Тема 2. Выращивание монокристаллов. Термодинамическая модель образования зародышей Гиббса–Фольмера. Кинетика и механизмы роста кристалла. Классификация методов выращивания. Кристаллизация из расплава. Тигельные методы: нормальная направленная кристаллизация (метод Бриджмена), горизонтальная зонная перекристаллизация, метод вытягивания (Чохральского). Бестигельные методы: метод Вернейля, вертикальная зонная перекристаллизация, выращивание с пьедестала. Сравнение методов выращивания из расплава.

Фазовые диаграммы систем с ограниченной растворимостью. Выращивание из раствора. Направленная кристаллизация. Кристаллизация изменением состава. Градиентная зонная плавка. Сравнение методов выращивания из расплава и из раствора. Выращивание кристаллических слоев из газовой

3

фазы. Методы конденсации: термовакуумное напыление, молекулярно-пуч- ковая эпитаксия. Методы химического осаждения: разложения, восстановления, газотранспортных реакций, химической сборки. Механизмы роста кристаллических слоев на реальных подложках: зародышевый, слоистый, дислокационный. Особенности эпитаксиального роста. Псевдоморфный слой. Напряжения и дислокации несоответствия.

Тема 3. Легирование кристаллов. Равновесный коэффициент распределения. Эффективный коэффициент распределения. Распределение примесей при направленной кристаллизации. Распределение примесей при зонной плавке. Легирование при выращивании из газовой фазы. Радиационное легирование. Методы получения однородно легированных кристаллических материалов. Концентрационное переохлаждение, слоистая неоднородность.

Тема 4. Дефекты и примеси в кристаллических материалах. Класси-

фикация дефектов и примесей. Собственные точечные дефекты (СТД) в элементарных кристаллах: модели и параметры. Равновесные концентрации СТД: термодинамический анализ. Концентрации нейтральных СТД: квазихимический анализ. Влияние уровня Ферми и легирования на концентрации СТД. Акцепторно-донорное взаимодействие и растворимость заряженных примесей. Взаимодействие точечных дефектов, ассоциаты и комплексы. Равновесие и управление видом СТД в элементарных кристаллах. Способы создания неравновесных СТД. СТД в сложных кристаллах. Равновесие и управление видом СТД в соединениях.

Твердофазная растворимость примесей. Ретроградная растворимость. Распад твердых растворов. Уравнение Авраами. Микродефекты в монокристаллах. Модель Воронкова. Получение бездефектных кристаллов. Дефекты и примеси в монокристаллическом кремнии и арсениде галлия.

Тема 5. Диффузионные процессы в твердофазных материалах. Ме-

ханизмы диффузии в кристаллах. Микрокинетика диффузии. Микроскопическое определение коэффициента диффузии. Законы Фика. Макроскопическое определение коэффициента диффузии. Диффузия в некубических решетках. Общие решения уравнения диффузии. Частные решения уравнения диффузии при D = const и простых начальных и граничных условиях. Свойства функций ошибок erf и erfc. Диффузия в многокомпонентных материалах. Эффекты Киркендалла и Френкеля. Термодиффузия и электроперенос. Причины концентрационной зависимости коэффициента диффузии в полупроводни-

4

ках. Влияние ловушек на диффузию примеси. Диффузия с образованием подвижных и неподвижных комплексов.

Тема 6. Кинетические и сегрегационные процессы. Кинетика гетеро-

генных процессов с участием жидкой фазы. Кинетика гетерогенных процессов с участием газовой фазы. Термическое окисление кремния. Модель Ди- ла–Гроува. Кинетическая и диффузионная стадии процесса окисления. Маскирующие, защитные и стабилизирующие свойства слоев диоксида кремния.

Сегрегация примесей на границе раздела фаз. Перераспределение легирующих примесей при термическом окислении. Условие равновесности процесса сегрегации. Влияние окисления на диффузию легирующих примесей в кремнии. Диффузия в условиях генерации неравновесных СТД. Восходящая диффузия. Радиационно-стимулированная диффузия.

Тема 7. Поверхностные и межфазные процессы. Поверхностное натяжение, смачивание, адгезия. Термодинамика поверхностных процессов. Принцип Гиббса–Кюри. Влияние измельчения на давление пара, растворимость и температуру плавления. Адсорбция из газовой фазы на поверхность твердых тел. Кинетика процессов адсорбции. Адсорбционное уравнение Гиббса. Изотерма адсорбции. Поверхностно-активные вещества. Природа сил адгезии, когезии и адсорбции. Факторы, влияющие на адгезию. Физические механизмы поглощения газов. Физические механизмы обезгаживания. Роль процессов адсорбции, растворения и диффузии в механизмах газопоглощения и газовыделения в металлах. Методы очистки поверхностей материалов и изделий электронной техники.

Тема 8. Процессы очистки материалов электронной техники. Термо-

динамика процессов смешения. Методы очистки и разделения веществ: кристаллизационная очистка, экстракция, сорбция, испарение и конденсация. Химические и электрохимические методы очистки. Очистка путем диффузии и термодиффузии. Геттерирование быстродиффундирующих примесей в полупроводниках. Физические механизмы геттерирования нарушенным слоем, легированным слоем, наносимым слоем. Активное и пассивное газовое геттерирование. Внутреннее геттерирование кремниевых пластин. Получение чистых материалов электронной техники.

Заключение. Новые физические идеи в технологии электронных приборов. Развитие ресурсосберегающих технологий. Технологическая экология.

5

2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ Темы практических занятий

1.Расчет параметров кристаллизации при выращивании кристаллов из жидкой фазы.

2.Расчет равновесного и эффективного коэффициентов распределения.

3.Расчет распределения примесей при кристаллизации.

4.Расчет концентраций собственных точечных дефектов в элементарных монокристаллах.

5.Расчет распределения примесей при отжиге и при диффузии в твердотельных материалах.

6.Расчет режимов термического окисления кремния.

7.Расчет кинетики роста диоксида кремния при последовательном окислении.

Примеры решения типовых задач

Пример 1 (по теме 1). Определить выход годных ИМС, состоящих из N = 1000 элементов, если вероятность годности одного элемента pi = 0,999.

Решение.

Выход годных рассчитывается по следующей формуле:

P N pi piN 0,9991000 100 37 % . i 1

Пример 2 (по теме 3). Определить эффективный коэффициент распределения примеси при выращивании монокристалла со скоростью v = 0,1 см/с, если равновесный коэффициент распределения k0 = 0,1, коэффициент диффу-

зии примеси в жидкой фазе D = 10–5 см2/с и ширина пограничного слоя δ = = 10–4 см.

Решение.

Эффективный коэффициент распределения примеси рассчитывается по следующей формуле:

6

Подставляем значения параметров:

Пример 3 (по теме 3). Определить энтальпию (Hv) и энтропию (Sv) образования вакансий в кремнии, если при температуре плавления t1 = tпл =

=1420 °C их концентрация Cv1 = 1016 см–3, а при температуре отжига T2 =

=900 °C их концентрация Cv2 = 1012см–3.

Решение.

Термодинамически равновесная концентрация вакансий определяется формулой:

= 8,62·10–5 эВ/К – постоянная Больцмана.

Записывая формулы для Cv1 и Cv2 и деля их друг на друга, получаем выражение для энтальпии Hv, откуда Hv = 3,03 эВ.

Энтропию образования вакансий Sv в единицах k получаем из выражения

Sv k lnCv1 NS Hv 8,62 · 10–5 900 273 5,33k.

Пример 4 (по теме 4). Определить концентрацию Е-центров (пар P–V) в кремнии, легированном фосфором с концентрацией CP = 1·1019 см–3 при температуре 900 °C. Энергия связи Е-центра EB = 1,8 эВ, энтальпия образования вакансий Hv = 3 эВ, энтальпия образования вакансий Sv = 5,3k.

Решение.

Концентрация Е-центров определяется выражением

CE = kE Cp Cv,

7

где kE = (4/NS) exp (EB /kT) – константа равновесия реакции образования Е-центров.

Подставляем значения параметров:

CE = (4/NS) exp (EB /kT) Cp Cv = 4,3·1016 см–3.

Пример 5 (по теме 5). Рассчитать глубину залегания p–n-перехода при диффузии бора в эпитаксиальный слой кремния с удельным сопротивлением 4,0 Ом см в две стадии: 1-я стадия (загонка) при температуре 1000 °C в течение 20 мин, 2-я стадия (разгонка) при температуре 1100 °C в течение 10 ч.

Решение.

1.Рассчитаем коэффициент диффузии бора на 1-й стадии при D0 =

=2,46 см2/с, Ea = 3,59 эВ:

2. Рассчитаем глубину залегания p–n-перехода после 1-й стадии диффузии, используя аппроксимацию дополнительной функции ошибок. В качестве поверхностной концентрации берем предельную растворимость бора в

5. Рассчитаем глубину залегания p–n-перехода после 2-й стадии диффузии:

8

4,76 10 4см 4,76 мкм.

Пример 6 (по теме 6). Определить толщину пленки диоксида кремния SiO2 при термическом окислении кремния в сухом кислороде при температуре T = 1100 °C за время 1 ч.

Решение.

Толщина окисной пленки определяется выражением

где константы линейного kl и параболического kp окисления имеют аррениусовский характер температурной зависимости:

где k – постоянная Больцмана (k = 8.62·10–5 эВ/К).

Для сухого кислорода kl0 = 4,4 105 мкм/мин; El = 2,16 эВ;

kl = kl0 exp(‒El/kT) = 4,4 105 exp[‒2,16/8,6·10–5/(T+273)] = 5,2·10‒3 мкм/мин; kp0 = 9,5 мкм2/мин; Ep = 1,20 эВ;

kp = kp0 exp(‒Ep/kT) = 9,5 exp[‒1,20/8,6·10–5/(T+273)] = 3,7·10‒4 мкм2/мин.

Подставив приведенные выше константы в выражение для толщины окисной пленки, получим

dox = 0,117 мкм.

Контрольные задачи

1. Из тигля объемом 10 л вытягивается монокристалл кремния диаметром 100 мм по методу Чохральского. Длина затравки 1 см. Температура начала слитка поддерживается на уровне 500 ºС. Определить минимальное время

9

вытягивания монокристалла, полагая распределение температуры по длине слитка линейным.

2.Как изменится эффективный коэффициент распределения примеси при методе зонной плавки при увеличении скорости движения зоны v в 5 раз, если при v = 0,001 см/с он составлял k = 0,08, а при v = 0,01 см/с k = 0,1.

3.Определить равновесный коэффициент распределения примеси в методе Чохральского, если при скорости вытягивания слитка v = 0,01 см/с эффективный коэффициент распределения k = 0,1, а при v = 0,05 см/с k = 0,2.

4.Определить уровень легирования конца слитка в методе зонной плавки, если в исходном поликристаллическом слитке концентрация примеси

С0 = 1 · 1015 см–3, коэффициент распределения k = 0,1, а ширина жидкой зоны l = 0,1L, где L = 100 мм – длина слитка.

5. Определить уровень легирования конца слитка в методе зонной плавки, если концентрация примеси в первой зоне С = 1 · 1015 см–3, коэффициент распределения k = 0,1, а ширина жидкой зоны l = 0,1L, где L = 100 мм – длина слитка.

6. Определить уровень легирования конца слитка в методе Чохральского, если в расплаве объемом 10 л концентрация примеси С0 = 1 · 1015 см–3, коэффициент распределения k = 0,1, диаметр слитка 60 мм.

7.В методе градиентной зонной плавки температура левого конца поликристаллического слитка кремния 700 ºС, а правого – 950 ºС. Между затравкой и поликристаллическим слитком помещена Al прослойка толщиной 1 мм. Какова ширина жидкой зоны и концентрация Al: а) в начале и б) в конце перекристаллизованного слитка длиной 100 мм? (Фазовая диаграмма Si-Al приведена в книге В. М. Глазов, В. С. Земсков. Физико-химические основы легирования полупроводников. М., 1967, с. 54.)

8.Слиток бездислокационного кремния диаметром 100 мм, легирован-

ный фосфором до концентрации 1 · 1019 см–3, после выращивания быстро охлаждается до температуры 1000 ºС. Определить степень пересыщения центра слитка собственными точечными дефектами – вакансиями и собственными междоузельными атомами. Параметры их образования: Sv = 13,3k,

Hv = 4,2 эВ, SI = 5,5k, HI = 3,7 эВ.

9. Определить температуру, при которой концентрация Е-центров (пар Р+V–) сэнергиейсвязиЕсв = 1,8 эВвкремнии, легированномфосфоромсконцен-

10