Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии электронной компонентной базы моделирование технологических процессов получения тонкопленочных материалов. Учебно-методическое пособ
.pdf
Индексы e и i, как обычно, относятся соответственно к легиро-
ln ,
2
T
β
ln ,
β
2gE
F
EE
0,057ln 2,44.
ванному и собственному кремнию.
5.4. Эффекты высокого уровня легирования
Энергия Ферми E
, входящая в выражение (5.12), зависит от тем-
F
пературы и концентрации легирующих примесей. В собственном
(
нелегированном) полупроводнике уровень Ферми располагается
вблизи запрещенной зоны:
E
⎛⎞
где E
– ширина запрещенной зоны,
g
α, β –
параметры аппроксимации, если энергия выражается в эВ, а
E
F
g
=+
⎜⎟
24
⎝⎠
температура – в К; T – температура; m
тронная и дырочная эффективные массы; M
⎛⎞
kT
3
m
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
mM
de c
⎝⎠
EE
gg
и mdn – соответственно элек-
de
dn
(5.14)
2
3
α
0
=−
()
– число эквивалентных
c
, здесь Eg(0),
T
+
минимумов в зоне проводимости.
В полупроводнике, содержащем примесные атомы, уровень Ферми смещается от середины запрещенной зоны, чтобы обеспечить выполнение условия электронейтральности вещества. Эффективное
значение энергии Ферми E
EE kT
Fe
в сильнолегированном полупроводнике
Fe
E
δ
1
=− +
F
g
22
(5.15)
()
δ
где
зоны;
=
β
проводимости.
Получено эмпирическое соотношение между ΔE
ей примесей N
Соответствующая эффективная концентрация электронов в собственном полупроводнике с высоким уровнем легирования
– величина эффективного сужения ширины запрещенной
−
()
c
; здесь Ec – уровень, соответствующий дну зоны
kT
и концентраци-
g
в объеме кристаллита:
g
ENδ= −
gg
()
(5.16)
61
1
2
exp ,
E
β
0,605
,
⎡
⎢⎥⎣
βξ=β
1
352
rt n t rt n t
N
,
n
δ
⎛⎞
nn
=
ie i
g
⎜⎟
2
kT
⎝⎠
(5.17)
3
16
где
3,8 10 exp
nT
=⋅
i
2
−
⎛⎞
⎜⎟
kT
⎝⎠
– эмпирическое выражение для кон-
центрации носителей зарядов в собственном полупроводнике.
Использование статистики Ферми – Дирака для вырожденного
полупроводника приводит к следующему выражению для концентрации электронов в сильнолегированном веществе:
F
()
где
здесь
f
12
12
exp
12 12
⎛⎞
3 2,13 2,13 9,6
=β++β− +
⎜⎟
⎝⎠
– интеграл Ферми – Дирака,
()
⎡⎤
expFf
β= −β+ β
() ( ) ()
⎣⎦
⎡⎤
π
()
⎢⎥
2
⎢⎥
⎣⎦
n= n
ie
kT
−
;
()
2,4
(5.18)
⎦
12
эмпирический пара-
–
⎤
−
EE
()
Fie
ξ
метр.
Таким образом, с использованием выражения (5.14) совместно с
(5.10), (5.13)
и (5.18) рассчитывается временная зависимость радиуса
зерна поликремния от температуры отжига. Поскольку доля активных примесей N
изменяется со временем за счет сегрегации части
g
примесей на границе зерна и является функцией размера зерна, расчет радиуса зерна r(t) производится путем вычисления приращения
⎡⎤
=Δ− = − Δ
()
nn
⎣⎦
()
1
−
1
()
на n-ом временном шаге,
t
Δ=
τ
,
где τ – полное время термообработки, а N – число временных шагов.
Значение Δτ выбирается из условия малого (≈ 1 %) изменения N
каждом временном шаге, что обеспечивает достаточную точность
вычисления изменения со временем основных физических величин
⎛⎞
c
ve
⎜⎟
c
⎝⎠
62
, используемых при расчетах.
vi
на
g
Рекомендуемая литература к разделам 4, 5
Александров Л.Н. Процессы роста и структуры монокристалличе-
ских слоев полупроводников. Новосибирск: Наука, 1988. Ч. 1.
Волькенштейн Ф.Ф. Физико-химия поверхности полупроводни-
ков. М.: Наука, 1973.
Иванов Р.Д. Катодный метод создания пленочных элементов мик-
росхем. М.: Энергия, 1992.
Кинетика осаждения и свойства тонких высоколегированных поликристаллических пленок кремния, полученных методом пиролиза
моносилана // В.М. Колешко, А.А. Ковалевский, Э.П. Калошкин,
Н.Е. Рыжикова. Изв. АН СССР. 1977. Т. 13. № 6. С. 941. (Неорганические материалы).
Ковалевский А.А., Некарюкин И.В., Рыжикова Н.Е. Комплексная
микроминиатюризация и повышение качества радиоэлектронной аппаратуры. Минск: МРТИ, 1976.
Колешко В.М., Ковалевский А.А., Некарюкин И.В. Влияние технологических факторов на величину поверхностного сопротивления
поликристаллических пленок кремния // Электронная техника. 1985.
С. 45. (Материалы; Вып. 7).
Кресин О.М., Харинский А.Л. // Электронная техника. 1967. С. 24.
Микроэлектроника; Вып. 5).
(
Нашельский А.Я. Технология полупроводниковых материалов. М.:
М.: Металлургия, 1993.
Нечаев В.В., Турцевич А.С. Моделирование процесса осаждения поликремния из газовой фазы. М., 1989. http://avl.iatp.by/edu_progs.htm.
Осадин Б.А., Шаповалов Г.И. // Физика и химия обработки материалов. 1976. № 5. С. 43.
Уикс В.Е. // Электроника. 1996. Т. 49. № 12. С. 39.
Холленд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. М.: Госэнергоиз-
дат, 1963.
Чистяков Ю.Д., Ивановский Т.Ф., Кожитов Л.В. // Электронная
техника. 1970. С. 20. (Материалы; Вып. 6).
Шварц Н., Берри Р. Физика тонких пленок: в 2 т. / Под ред.
Н.И. Елипсова и В.Б. Сандомирского. М.: Мир, 1976. Т. 2.
63
Приложение для выполнения
лабораторных работ
Лабораторная работа 1
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Цели работы
• Ознакомление с установкой молекулярно-лучевой эпитаксии.
Моделирование и наблюдение процессов роста соединений
•
IIIBV
А
альных слоев А
IVBIV
, А
Изучение влияния технологических факторов на рост эпитакси-
•
на подложках GaAs, Si.
IIIBV
, А
IVBIV
.
Порядок выполнения работы
1. Получить индивидуальное задание.
Выбрать необходимую подложку и молекулярные источники
2.
для моделирования процесса роста эпитаксиальной структуры.
Задать температуры выбранной подложки и испаряемых ве-
3.
ществ из предложенного диапазона температур.
Узнать процентное содержание выхода годного, т.е. количество
4.
выращенных эпитаксиальных слоев.
Изменяя температуры подложки исходных веществ, добиться
5.
получения выхода годного более 80 %.
Стадии поэтапного моделирования МЛЭ роста эпитаксиальных
6.
слоев (идеальный вариант) схематично представлены на мониторе
компьютера (рис. П1).
Контрольные вопросы
1. Что требуется для проведения процесса МЛЭ?
С помощью какого метода можно получить наиболее резкие
2.
границы легируемых областей?
К чему приводит наличие вакуумных карманов, узких полостей
3.
в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере?
Из чего изготовляются тигли молекулярных источников в уста-
4.
новках МЛЭ?
Какие скорости роста характерны для процесса МЛЭ?
5.
64
а б
в
Рис. П1. Стадии моделирования МЛЭ роста эпитаксиальных слоев:
а – интерактивная блок-схема установки МЛЭ, на которой наглядно
представлен результат эксперимента; б – вверху идеальная
кристаллическая решетка, внизу результат эксперимента при
неправильном выборе исходных веществ; в – вверху идеальная
кристаллическая решетка, внизу реальная кристаллическая решетка
при правильном выборе исходных данных
65
6. Что позволяет использовать СВВ при МЛЭ?
Что относят к основным достоинствам МЛЭ?
7.
Какой процесс преобладает на поверхности подложки при МЛЭ?
8.
Из чего изготовляют прокладки между частями установки МЛЭ?
9.
Зависит ли значение критической толщины слоя от его размеров?
10.
Что понимают под критической толщиной слоя?
11.
В каких материалах подвижность дислокаций выше?
12.
К чему приводит увеличение количества источников возник-
13.
новения дислокаций в слое?
Что является перспективным направлением развития МЛЭ?
14.
Какой из методов позволяет производить рост данного мате-
15.
риала при наиболее низких температурах?
Как изменится напряжение рассогласования при охлаждении
16.
выращенного слоя?
При каких температурах процессы переползания дислокаций
17.
для данного материала существенны?
Что относят к основным недостаткам или ограничениям МЛЭ?
18.
Лабораторная работа 2
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ В УСТАНОВКАХ
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Цели работы
• Ознакомиление с использованием диффузии быстрых электро-
нов для управления процессом молекулярно-лучевой эпитаксии.
Подбор оптимального режима технологического процесса вы-
•
ращивания эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия с
использованием выбранной модели роста.
Порядок выполнения работы
Необходимо провести моделирование роста соединений GaАs,
Аs при различных температурах, потоках компонентов, получить
GaAl
структуры и наблюдать за процессом с помощью ДБЭ, распечатать и
проанализировать полученные графики осцилляции интенсивности и
влияние различных факторов на характер изменения осцилляции.
Следует задать температуры источников для выращивания, от-
крыть заслонки источников нажатием на соответствующие клавиши
(1, 2, 3
66
на клавиатуре компьютера), которые открывают заслонку, что
будет видно на мониторе (рис. П2). Повторное нажатие на клавишу
приводит к закрытию заслонки и, как следствие, прекращает подачу
исходного компонента в газовый поток процесса.
а
б
Рис. П2. Варианты выращивания и чередования эпитаксиальных
слоев: а – идеальный вариант; б – возможный вариант (слева
от синусоиды можно наблюдать картину среза структуры, на которой
четко видно, что все три слоя примерно равны по толщине)
1. Выбрать из представленного диапазона температур подложек и
исходных реагентов необходимую температуру.
Температура подложки – 540...650 °C.
Температура источника Al – 1000...1200 °C.
Температура источника Ga – 970...1040 °C.
Температура источника As – 200...300 °C.
Открывая и закрывая заслонки виртуальной установки МЛЭ, вырастить эпитаксиальную структуру, содержащую равное количество всех
возможных слоев, не допуская выращивания однокомпонентного слоя.
67
Уменьшение периода колебаний свидетельствует о возрастании
скорости роста эпитаксиальной пленки.
Как видно на рис. П2, с помощью прерываний роста можно восстанавливать амплитуду колебаний. Таким приемом пользуются,
чтобы на протяжении всего цикла роста эпитаксиальных структур
сохранять приемлемую информативность метода ДБЭ.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается уникальность ОЭС?
Почему происходит увеличение интенсивности рефлекса при
2.
прерывании роста?
Что затрудняет применение масс-спектрометра для количест-
3.
венного анализа в МЛЭ?
Почему датчики вакуумметров располагаются вне зоны моле-
4.
кулярных пучков?
По какому параметру на графике осцилляций судят о шерохо-
5.
ватости поверхности?
ДБЭ и ВИМС дополняют друг друга или несовместимы?
6.
Для чего используется масс-спектрометр в ростовой камере?
7.
Как изменится период осцилляций, если при потоках I
8.
увеличить температуру источника Ga?
Как изменится период осцилляций, если увеличить температуру
9.
подложки?
Почему происходит увеличение интенсивности рефлекса при
10.
прерывании роста?
Каковы основные преимущества ВИМС перед другими мето-
11.
дами определения состава?
Какая методика позволяет эффективно контролировать чисто-
12.
ту исходных материалов для выращивания в установке МЛЭ?
Что требуется для проведения МЛЭ?
13.
Какой из процессов преобладает на поверхности подложки
14.
при МЛЭ?
К чему приводит наличие вакуумных карманов, узких полос-
15.
тей в СВВ камере?
Какие скорости характерны для процесса МЛЭ?
16.
Что позволяет использование СВВ при МЛЭ?
17.
Что общего между ВИМС и оже-спектроскопией?
18.
В чем заключается отличие метода ВИМС от масс-спектро-
19.
метрии, осуществляемой в ростовой камере в ходе процесса роста?
<< IAs
Ga
68
20. При какой интенсивности зеркального рефлекса смена мате-
риала слоя позволит получить более качественную гетерограницу?
Каковы критерии качественной гетерограницы?
21.
Лабораторная работа 3
РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
ПРИ ГЕТЕРОЭПИТАКСИИ
Цели работы
• Изучение методов расчета релаксаций напряжений и возникно-
вения дислокаций в гетероэпитаксиальных структурах.
Исследование релаксации напряжений и возникновения дисло-
•
каций в слоях материалов А
IIIBV
, А
IVBIV
на подложках GaAs, Si при
гетероэпитаксии методами молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.
Определение критической толщины слоя, ее зависимости от рас-
•
согласования параметров решеток для различных систем «слой –
подложка».
Изучение влияния технологических факторов на релаксацию на-
•
пряжений в гетероструктурах и возникновение дислокаций.
Порядок выполнения работы
1. Необходимо определить оптимальный состав, температуру и
толщину пленки (время эпитаксии), при которых возникновение дислокаций несоответствия маловероятно. Предлагается два варианта
пленки и подложки: Ge
GaAs.
Выбирается температура подложки T
Six на подложке Si и Ga
1–x
InxAs на подложке
1–x
в диапазоне, который
g
высвечивается на мониторе компьютера.
Выбрать состав пленки с учетом того, что x в формулах соеди-
2.
нений может меняться от 0,1 до 0,9. Программа расчета, сравнивая
введенный состав с табличными данными, определяет рассогласование f для данной структуры.
Ввести требуемую толщину h пленки в ангстремах. Программа
3.
выстроит два графика: график изменения температуры подложки с
течением времени процесса и график изменения параметра y (толщины слоя) в течение времени процесса, на котором есть некоторое
критическое для данного материала значение.
69
4. Анализируя второй график, нужно подобрать толщину пленки
таким образом, чтобы параметр y был оптимальным (близок к критическому значению, но не превышал его). Подходящее значение h
фиксируем на третьем графике зависимости толщины пленки h от
величины рассогласования f (рис. П3).
Рис. П3. График изменения толщины пленки
5. Выбрать другой состав x и произвести все вышеперечисленные
операции с ним. Итоговым результатом является зависимость рассогласования параметров решетки от толщины полученной пленки. Как
видно из графика на рис. П4, с увеличением рассогласования постоянных решеток подложки и пленки уменьшается толщина пленки,
которую можно вырастить при данных условиях.
Контрольные вопросы
1. От чего зависит скорость релаксации напряжений несоответствия?
К чему приводит возникновение дислокаций несоответствия?
2.
В каком случае будет наблюдаться наименьшее напряжение не-
3.
соответствия в эпитаксиальном слое GaAs?
В каких материалах подвижность дислокаций выше?
4.
Какими могут быть напряжения в слое, вызванные несоответст-
5.
вием параметров решетки слоя и подложки?
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]