тмиэт / тмиэт / Презентации / Лекции ТМиЭЭТ_3_2020_Part1

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»,

кафедра физической электроники и технологии

Профессор Шаповалов Виктор Иванович

Доцент Никитин Андрей Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Тема 3

Литература по теме

1.Барыбин А. А., Томилин В. И., Шаповалов В. И. Физико-технологические основы макро-, микро- и наноэлектроники. М.: Физматлит, 2011. 784 с.

2.Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1,. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. 404 с.

3.Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ./Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. 453 с.

4.Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы М.: Радио и связь, 1982. 72с.

5.Данилина Т.И., Кагадей В.А. Технологические среды // Технология СБИС. 2007. 287 с.

6.Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник /Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Зуев И. В., Кокора А. И. М.: Машиностроение, 1985. 496 С.

7.Технология тонких пленок. Справочник. T.1. Пер. с англ./Под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга. M.: Сов.

Радио. 1977, 664 с.

8.Технология тонких пленок. Справочник. T.2. Пер. с англ./Под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга. M.: Сов.

Радио. 1977, 768 с.

9.Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности // М.: Наука. 500 с.

10.Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика наноразмерных систем / под ред. А.Я.

Шика. – СПб.: Наука, 2001. 160 с.

11.Барченко, В. Т., Ю. А. Быстров, and Е. А. Колгин. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. СПб.: Энергоатомиздат. С-Петерб. отд-ние, 2001. 332 с.

12.Anders A. Tutorial: Reactive high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS). Journal of Applied Physics. 2017 May 7;121(17):171101.

13.Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем: в 2 ч. Ч. 1 :Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование / М. А. Королёв [и др.] ; под общей ред. чл.-корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. — 3-е изд. -М. :

БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.

1

ПЛЕНКИ

3.1. Модель процесса осаждения пленки

x

2

Тема 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛЕНОК

3.1.Модель процесса осаждения пленки

3.2.Монокристаллические пленки

3.2.1.Эпитаксия из газовой фазы

3.2.2.Молекулярно-лучевая эпитаксия

3.2.3.Жидкофазная эпитаксия

3.3.Поликристаллические пленки

3.3.1.Термическое испарение

3.3.2.Ионно-плазменное распыление

3.3.3.Химическое осаждение

3.4.Аморфные пленки

3.4.1.Реактивное испарение

3.4.2.Реактивное распыление

3.4.3.Плазмохимическое осаждение

3.4.4.Химическое осаждение

Эпитаксия

от греч. επι («эпи») – на (над) и ταξισ («таксис») – упорядочевание.

Этот термин применяется к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках.

Гомоэпитаксия – это процесс, при котором материал нарастающего кристалла идентичен подложке, например, Si-Si (в большинстве случаев нарастающая новая фаза не идентична по составу,

например, по уровню легирования, в этом случае более точным является использование термина

«автоэпитаксия»).

Гетероэпитаксию – это процесс, при котором материалы нарастающего кристалла и подложки различны (такой процесс возможен только для химически не взаимодействующих веществ,

например, кремний на сапфире, AlxGa1–xAs– GaAs).

Эпитаксиальная

пленка

монокристаллическая

подложка

3

Механизмы роста пленок

Послойный рост по механизму Франка - ван дер Мерве (Frank-van der Merwe) - атомы пленки сильнее связаны с подложкой, чем друг с другом. В результате, пока не завершено формирование одного слоя, не начинается рост следующего, то есть имеет место строго двумерный рост.

Si/Si;TiN/MgO

Островковый рост по механизму Вольмера-Вебера (VollmerWeber) - атомы пленки сильнее связаны между собой, чем с подложкой. В этом случае трехмерные островки зарождаются и растут прямо на поверхности подложки.

Металл/Si

Поcлойно-островковый рост по механизму Странского-Крастанова (Stranski-Krastanov) представляет промежуточный случай между послойным и островковым ростом. После завершения формирования двумерного слоя идет рост трехмерных островков.

In/Si; Ge/Si;

InP/GaAs;

GaN/AlN

Процессы, происходящие на поверхности

Поверхностное натяжение определяется как работа по созданию поверхности (или границы раздела) единичной площади.

Для послойно-островкового роста сначала выполняется условие для послойного роста, но формирование промежуточного слоя изменяет величины gs и в результате чего выполняется условие для последующего островкового роста.

1) Aтомы, осаждающиеся из газовой фазы, остаются на поверхности в виде адатомов с энергией связи Eads.

2) Адатомы мигрируют по поверхности до тех пор, пока не исчезнуть в результате:

a) испарения обратно в газовую фазу; б) присоединения к существующим островкам или дефектам (молекулярная ступенька); в) объединения в зародыши (маленькие – нестабильны; критический радиус зародыша – определяет минимальный размер, начиная с которого присоединение однго атома делает зародыш стабильным.)

4

Гомоэпитаксия

Основной механизм роста – механизм Франка-ван дер Мерве (послойный рост), однако в реальности рост пленки происходит в условиях далеких от равновесия. Кинетические ограничения, связанные с конечными скоростями массопереноса, могут сильно влиять на рост пленки. Основные

поверхностные диффузионные процессы:

Внутрислойный массоперенос (диффузия атомов по поверхности одного слоя-террасы) Межслойный массоперенос (диффузия атомов между слоями- террасами через ступеньку)

В зависимости от относительных скоростей внутрислойного и межслойного массопереноса различают три основных механизма роста:

Если ширина террасы превышает среднюю длину миграции адатомов, то рост

пленки идет за счет зарождения и роста островков адатомов на террасах. Для послойного роста требуется достаточный межслойный массоперенос, чтобы

атомы могли, осаждаясь на поверхности растущего островка, достигать края и

переходит на более низкий слой, заканчивая его формирование. Если межслойный массоперенос подавлен, то адатомы не могут покинуть вершину

образца, что приводит к преждевременному зарождению нового слоя => многослойный рост.

Наблюдается при условиях близких к равновесным. Пресыщение адатомов на поверхности мало, а подвижность высока => все адатомы достигают ступеней, а образование зародышей на террасах не происходит.

Гетероэпитаксия

Пленка и подложка состоят из разных материалов => три основных механизма роста

5

3.2. Монокристаллические пленки

1. Газофазная.

2.Молекулярно-лучевая.

3.Жидкофазная.

3.2.1.Эпитаксия из газовой фазы

химическое разложение или реакция, поверхностная диффузия к месту в места захвата (изгибы и уступы); захват; и другие поверхностные реакции (например, эмиссия и десорбция).

5.Десорбция продуктов реакции.

6.Транспортировка побочных продуктов через пограничный слой.

7.Транспортировка побочных продуктов из области осаждения пленки.

Осаждение из газовой фазы - CVD (Chemical Vapor Deposition)

Пиролиз – термическое разложения соединений, таких как гидриды, карбонильных и металлорганических соединений:

Химическое восстановление, наиболее часто в качестве газа носителя используется водород.

SiCl4(г) + 2H2(г) → Si(тв) + 4HCl(г) (1200OС) Восстановление тетрахлорида кремния

HCl может вступать в химические реакции с кремнием, обеспечивая образование дихлорид кремния (SiCl2), дихлорсилан (SiH2Cl2) и трихлорсилан (SiHCl3)

Осаждение соединений (карбида и нитрида кремния из силана и метана; дихлорсилана и аммиака)

SiCl4(г) + CH4(г) → SiC(тв) + 4HCl(г) (1400OС)

3SiH2Cl2(г) + 4NH3(г) → Si3N4(тв) + 6H2(г) + 6HCl(г) (750OС)

6

Число Рейнольдса – характеризует режим течения газа в трубе:

Здесь Dr - диаметр трубы реактора, v – скорость течения газа, μ – вязкость и ρ - плотность газа.

Для типичных параметров CVD P≈103 Па и v ≈ 0,1 м/с Re ≈100<2100, то есть поток в реакторе ламинарный. Для бесконечной диной трубы распределение скорости по нормали описывается параболой с максимумом скорости в центре. У стенок формируется пограничный слой δ(x) с уменьшенной скоростью течения газа. По мере продвижения вдоль реактора толщина пограничного слоя увеличивается.

Через пограничный слой исходные реагенты переносятся из газового потока к поверхности, а продукты реакции диффундируют от поверхности подложки и удаляются основным потоком газа.

7

Хлоридный процесс:

SiCl4 + 2H2 ↔Siтв + 4HClгаз

SiCl4 + Si ↔ 2SiCl2.

T = 1170 °С

Все указанные реакции – обратимые, следовательно, при определенных температурах может начаться травление.

(А) kS << hG, процесс с кинетическим контролем: одна из химических реакций является лимитирующей по скорости стадией.

(В) hG << kS процесс с диффузионным контролем: процессы массопереноса ограничивают скорость роста либо количеством подводимых к поверхности реагентов, либо диффузией продуктов реакции от подложки. Этот режим предпочтительней для уменьшения влияния температуры.

8

Эпитаксия из газовой фазы

• процесс с кинетическим контролем ОЧЕНЬ чувствителен к температуре.

•процесс с диффузионным контролем заметно слабее зависит от температуры. Незначительное увеличение скорости роста связано с увеличением коэффициента

диффузии реагентов в газовой фазе с увеличением температуры. Этот процесс

ОЧЕНЬ чувствителен к геометрии (пограничный слой).

Максимально возможная скорость роста эпитаксиальной пленки при атмосферном давлении в зависимости от температуры. Эта зависимость построена в координатах Аррениуса, энергия активации из этой зависимости 5 эВ, что соответствует энергии активации процесса самодиффузии кремния.

После химической реакции и адсорбции на поверхности, атомы кремния мигрируют к месту, где они достраивают решетку (ступеньку). При больших скоростях роста (малых температурах) уменьшение времени поверхностной миграции приводит к росту поликристалла.

Другие факторы, влияющие на рост пленок

9

Легирование в процессе роста

•Ввод примеси осуществляется непосредственно в кристаллическую решетку (не требует активации).

•Легирование осуществляется путем добавления газа, содержащего легирующую примесь.

Такие как PH3, B2H6, AsH3 (все газовые фазы при комнатной температуре); или PCl3, BCl3, AsCl3 (все жидкости при комнатной температуре).

•Стадии процесса легирования: диссоциация, включение в узел кристаллической решетки.

2AsH3 →2Asтв + 3H2газ→2As++2e-

Автолегирование

• Неконтролируемый процесс легирования (автолегирование ):

Избыточная диффузия легирующей примеси из сильно легированной подложки в эпитаксиальную пленку.

Легирующая примесь из подложки сначала диффундирует в газовый поток, а затем обратно в эпитаксиальный слой.

1)с верхней поверхности подложки;

2)с нижней стороны или краев подложки;

3)с поверхности других подложек;

4)с поверхности подложкодержателя.

10