Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Сборник лабораторных работ по дисциплине

«Физико-химические основы технологии электронных средств»

Составитель В. И. Смирнов

Ульяновск 2006

УДК 621.38(076)

Физико-химические основы технологии электронных средств … /. Сост. В. И. Смирнов. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 22 с.

Сборник лабораторных работ выполнен в соответствии с учебными программами дисциплины «Физико-химические основы технологии электронных средств».

В сборнике представлены лабораторные работы, цель которых – изучение основных физико-химических процессов при формировании структур полупроводниковых интегральных микросхем, а именно, диффузии, ионной имплантации, термического окисления, катодного распыления. Работы имеют расчетный характер, в каждой из них даны список литературы и контрольные вопросы для самопроверки.

Ил. 7. Табл. 2. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент профессор кафедры АиАиРЭО

Ульяновского высшего авиационного

училища гражданской авиации, к.т.н. А. В. Ефимов

Одобрен секцией методических пособий научно-методического совета университета

© УлГТУ, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………….…….. 4

Лабораторная работа №1. Термическое окисление кремния ………….………. 5

Лабораторная работа №2. Диффузия ……………………………………….…… 9

Лабораторная работа №3. Ионная имплантация ………………………………. 13

Лабораторная работа №4. Катодное распыление ……………………………… 18

Приложение ………………………………………………………………………. 22

Введение

Сборник лабораторных работ по дисциплине «Физико-химические основы технологии электронных средств» для студентов, обучающихся по направлению 21020165, включает в себя описания четырех работ, цель которых – изучение физико-химических процессов при формировании структур полупроводниковых интегральных микросхем. Все работы носят расчетный характер и предполагают наличие у студентов навыков работы с компьютером, в частности, с программным пакетом MathCad.

Перед выполнением работы студент обязан сдать допуск по работе и получить у преподавателя исходные данные для расчета. Отчет по работе, кроме названия, цели работы и основных расчетных соотношений, включает в себя также результаты расчета, оформленные в виде таблиц и графиков, и выводов по работе. Каждая из работ имеет список литературы и контрольные вопросы для самопроверки.

Лабораторная работа № 1. Термическое окисление кремния

Цель работы

1. Изучение механизма окисления кремния.

2. Изучение модели Дила-Гроува.

3. Изучение влияния технологических факторов на скорость окисления.

4. Расчет скорости окисления кремния при различных температурах процесса.

Введение

Оксидные пленки на поверхности кремния предназначены в основном для пассивации поверхности полупроводниковых пластин, формирования маскирующих покрытий при фотолитографии и формирования подзатворного слоя диэлектрика в МДП-структурах. Одним из основных способов получения пленок SiO₂ является термическое окисление в сухом кислороде или смеси кислорода и паров воды. Соответствующие химические реакции для сухого и влажного окисления имеют вид:

Реакция окисления происходит на границе раздела Si  SiO₂, то есть атомы и молекулы окислителя диффундируют через растущий слой оксида кповерхности кремния, где и происходит реакция. Температура процесса находится в диапазоне 8001300С. Чем выше температура, тем выше скорость роста пленки SiO₂. Однако проводить процесс окисления пластин Si при высоких температурах, когда в них уже сформированы элементы микросхемы, нежелательно, поскольку дополнительный нагрев приводит кпроцессу диффузии примесей, уже внедренных в пластину.

Кинетика процесса описывается моделью Дила-Гроува. Согласно этой модели, механизм окисления можно представить в виде нескольких стадий: адсорбции и растворения молекул окислителя в приповерхностном слое кремниевой пластины, диффузии их через растущий оксидный слой к границе раздела, химической реакции молекул окислителя с атомами кремния. Каждой из этих стадий можно поставить в соответствие плотность потока (рис. 1.1), которая по определению равна количеству молекул окислителя, пересекающих единицу поверхности за единицу времени. Плотность токаj₁ определяется разностью концентраций молекул окислителя в газовой фазе C₀ и приповерхностном слое пластины C₁:

,

где h – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости растворения молекул окислителя в слое SiO₂.

Плотность потока молекул окислителя через растущий слой оксида кремния j₂ определяется законом Фика:

,

где D – коэффициент диффузии молекул окислителя в SiO₂; z₀ – толщина слоя SiO; С₂ – концентрация молекул на границе раздела SiO₂ – Si.

Плотность потока j₃, описывающая скорость химической реакции, пропорциональна концентрации молекул окислителя C₂ у границы раздела :

,

где k – константа скорости химической реакции.

В установившемся режиме все эти плотности потока равны:

.

Исключив из этих равенств С₁, получим:

.

Для того, чтобы за время dt окислить объем , требуетсямолекул. С другой стороны, это число равномолекул, гдеN_i – концентрация атомов кремния в слое SiO₂ (равная ). Отсюда:

или

.

Следует учесть, что при влажном окислении в соответствии с химической реакцией на образование одного моля SiO₂ требуется два моля H₂O, поэтому величину N_i необходимо взять равной .

Разделяя переменные и интегрируя с учетом того, что в момент на поверхности кремния уже существовал самородный слой оксида толщинойz_i, получим:

.

Упростим полученное выражение, введя новые обозначения:

С учетом этого получим:

.

Решая это квадратное уравнение, найдем зависимость толщины растущего слоя SiO₂ от времени:

.

При малых временах окисления, когда выполняется условие , получим:

.

При большом времени окисления, когда выполняется условие :

.

Таким образом, на начальном этапе роста оксидной пленки ее толщина увеличивается со временем линейно, при большом времени окисления – зависимость корневая. Это качественно верно описывает кинетику роста оксидной пленки.

Теоретически было доказано, что параметры A и B экспоненциально зависят от температуры:

,

где С1, С2, E1, E2 – эмпирические коэффициенты, равные для сухого окисления:

;;

для влажного окисления:

;.

Толщину самородного слоя z_i при сухом окислении в расчетах можно принять равной нулю, при влажном окислении .

Кроме температуры и окислительной среды на скорость роста слоя SiO₂ влияет давление газа-окислителя. Повышение давления увеличивает концентрацию молекул окислителя, растворенных в приповерхностном слое, тем самым увеличивается градиент концентрации молекул в слое SiO₂, а значит, и скорость диффузии. Окисление при повышенном давлении водяного пара (ускоренное гидротермальное окисление) позволяет получать оксидные пленки толщиной 23мкм. Недостатком метода является необходимость использования герметичных и высокопрочных реакторов вместо технологичных проточных систем.

Наиболее часто используется толщина оксидной пленки, составляющая десятые доли микрометра, а верхний практический предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1-2 мкм. Значительное положительное влияние оказывает добавление в окислительную среду хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности порогового напряжения МДП-транзисторов, увеличению напряжения пробоя и повышению скорости окисления. Главная роль хлора в пленках SiO₂ (обычно с концентрацией хлора 10¹⁶ – 10²⁰ см^-3) заключается в превращении проникших в оксид примесных ионов, таких как Na и K, в электрически неактивные. Кроме того, внедрение хлора может создавать механические напряжения в решетке SiO₂, вследствие чего облегчается диффузия молекул окислителя через оксидную пленку.

На скорость роста слоя SiO₂ оказывает влияние кристаллографическая ориентация кремниевой пластины. Окисление на пластине с ориентацией (111) происходит быстрее, чем с ориентацией (100). Влияние ориентации особенно заметно при относительно низких температурах. Так, например, при Т = 700С отличие в скорости окисления составляет 40%, а при Т = 1200С всего 2%. Зависимость скорости окисления от кристаллографической ориентации объясняется тем, что различным кристаллографическим направлениям пластины соответствует разное количество связей Si – Si.

Большое влияние на скорость роста слоя SiO₂ оказывает концентрация легирующей примеси в исходной пластине кремния. Это влияние обусловлено явлением сегрегации примеси на границе раздела SiO₂ – Si. Для одних примесных атомов растворимость в Si выше, чем в SiO₂, поэтому притермическом окислении растущий оксид оттесняет примесные атомы вглубь пластины кремния. В результате оксидный слой обедняется данными примесными атомами. Так, в частности, ведут себя атомы фосфора, мышьяка, сурьмы. А такие атомы, как бор, напротив, лучше растворяются в SiO₂, чем в Si, поэтому при окислении слой SiO₂ получается обогащенным атомами бора. Наличие примесных атомов в слое SiO₂ создает в нем механические напряжения и как бы «разрыхляет» его, что способствует увеличению скорости диффузии молекул окислителя через растущий слой оксида. Атомы фосфора, мышьяка и сурьмы оказывают влияние только на скорость химической реакции. Поэтому их влияние существенно только на ранней стадии процесса, когда толщина слоя невелика и общая скорость окисления определяется скоростью химической реакции. Атомы бора, напротив, оказывают влияние и при относительно толстых слоях SiO₂.

Задание

1. Получить у преподавателя исходные данные для расчета: окислительная среда, температуры процесса.

2. Рассчитать и построить графики зависимостей толщины оксидной пленки от времени окисления при различных температурах.

Контрольные вопросы

1. Механизм термического окисления (модель Дила-Гроува).

2. Влияние на скорость роста SiO₂ температуры и давления газа-окислителя.

3. Влияние на скорость роста и качество пленок хлоросодержащих компонентов.

4. Влияние на скорость роста SiO₂ концентрации примеси в кремнии и кристаллографической ориентации подложки.

Литература

1. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высш. шк., 1986. – С. 112-120.

2. Пичугин И. Г., Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых приборов. – М.: Высш. шк., 1984. – С. 236-269.

3. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. – М.: Мир, 1985. – С. 358-365.

4. Смирнов В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – С. 24- 29