3. Основные технологические процессы микроэлектроники

Базовые технологические процессы окисления кремния, диффузии, эпитаксии и ионного легирования уже свыше четверти века составляют основу технологии микроэлектроники. За прошедшие годы размер окна в окисле и полоски металлизации уменьшились более, чем в 10 раз, а число транзисторов на одном кристалле увеличилось с 10³почти до 10⁶.

Базовый технологический цикл изготовления БИС включает в себя выращивание окислов, нанесение поликристаллического кремния, диффузию, ионное легирование и отжиг структур. Ионное легирование (ИЛ) стало основным способом внедрения примеси. Диффузия имеет место при отжиге ионно-легированных структур, она неизбежно происходит при всех последующих высокотемпературных обработках.

Лежащие в основе этих процессов физические и математические закономерности представляют собой результаты развития молекулярно-кинетической теории и вполне могут считаться элементами общетехнического образования современного инженера. В имеющейся отечественной и переводной литературе вопросам физико-химических основ моделирования технологических процессов в свое время уделялось достаточно большое внимание. Начиная с первых публикаций по технологии биполярных кремниевых транзисторов, основные количественные соотношения обсуждаются во всех учебных пособиях по микроэлектронике [9,10] и специальных монографиях по технологии и моделированию.

3.1. Диффузия

Диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации. Движущей силой диффузии выступает градиент концентрации атомов или ионов вещества.

В реальных полупроводниках диффузия происходит тремя способами:

1. Обменный механизм диффузии. Эта диффузия посредством обмена местами между парой соседних атомов, либо в процессе кольцевого обмена.

2. Вакансионный механизм диффузии. Диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места.

3. Междоузельная диффузия. Диффузия осуществляется путем последовательных переходов примесей внедрения из одного междоузлия в другое.

При диффузии основных легирующих примесей в кремнии наиболее вероятен так называемый вакансионный механизм, при котором диффузия происходит путем последовательных переносов примесных атомов замещения из собственных узлов в вакантные места. Диффузионное перераспределение внедренных атомов примеси остается основным физическим механизмом, определяющим профили распределения ионов в слоях кремниевых структур. Диффузия кислорода сквозь иопределяет и процессы окисления кремния, а перераспределение примесей при отжигах и любых высокотемпературных операциях непосредственно влияет и на результаты ионного легирования и эпитаксии.

Распределение примесей при диффузии определяется самим понятием диффузионного потока, вызываемого пространственно неоднородным распределением концентрации примеси .

В простейшем одномерном случае только и

Минус связан с тем, что поток распространяется в сторону уменьшения концентрации, - коэффициент диффузии, см²/с. Закон сохранения потока вещества требует, чтобыт.е. уменьшение потока в одномерном случае должно сопровождаться накоплением, увеличением концентрации отставших частиц. Объединением этих двух соотношений получается известный закон Фика:

В соответствии с этим законом и коэффициент диффузии приобретает физический смысл через среднее расстояние , на которое частица диффундирует за время с некоторой средней скоростью диффузии

,.

Микроскопический процесс диффузии связан с активационным механизмом перескока диффундирующего иона между вакансиями в решетке атомов основного вещества, поэтому:

Коэффициенты , см²/с и энергии активации, эВ составляют величины порядка 10^-12см²/с и 4 эВ. Столь малые величиныозначают, что даже при высоких температурах на расстояния порядка одной постоянной решетки 10^-8см ион перемещается со скоростью не более 10^-4см/с за время порядка 10^-4с.

Диффузия примеси в глубину кремния в результате высокотемпературных обработок приводит к стандартному гауссову распределению объемной концентрации , см^-3

где , см^-2- общее число введенных атомов примеси на см²;, см - средняя глубина диффузии.

Эти величины могут быть выражены через поверхностную концентрацию и глубину залеганияp-n- переходав подложке с известной концентрацией. Из условия;

Практически при создании полупроводниковых интегральных микросхем представляют интерес два случая диффузии: из бесконечного источника и из конечного источника примеси. Описанный выше процесс представляет собой диффузию из ограниченного источника.

Для диффузии из бесконечного источника

Как и при гауссовом распределении примеси икоэффициент диффузии и время проведения диффузионного процесса.

В прежних технологических процессах для получения больших глубин залегания переходов и больших концентраций в диффузионных слоях применялась загонка примеси из фосфоросиликатного стекла (ФСС) и боросиликатного стекла (БСС). Естественно при этом слои ФСС и БСС на поверхности и выполняли роль бесконечных источников, поддерживая на все время загонки на поверхности концентрацию, соответствующую предельной растворимости примеси при выбранной температуре. На рис. 36 и 37 показаны распределения erfc- и Гаусса для одинаковых поверхностных концентраций и одинаковых значений.

Из рисунков видно, что в отличие от гауссианы, у которой функцияпри малых, поэтомуи при малыхпотоквсегда больше нуля.

Вместе с тем, с увеличением времени диффузии для бесконечного источника концентрация остается постоянной и увеличивается глубина проникновения примеси. Для диффузии из конечного источника количество примеси остается постоянным, увеличивается глубина залегания перехода и уменьшается максимальная концентрация примеси на поверхности, потокивсегда равны нулю на поверхности прии в глубине при.

Рис. 36. Распределение примеси по закону erfc-функции при одноэтапной диффузии для различных моментов времени ее проведения.

Рис. 37. Распределение примеси по гауссовой функции при двухэтапной диффузии для различных моментов времени ее проведения.