Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Na Beletskogo.docx
Скачиваний:
167
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
2.82 Mб
Скачать

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.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]