Глава 4. Методы модификации поверхностных и объемных структур.
Раздел 1. Термическая диффузия.
когда с ростом температуры скорость реакции падает. Возможно, это связано с увеличением скорости термической десорбции травителя с поверхности. Все это вызывает необходимость контроля температуры подложки, которая разогревается плазмой и теплом, выделившимся в результате экзотермических реакций.
В методе сухого травления также надо учитывать влияние материала реактора и элементов конструкции, т.к. в процессе травления весь объем камеры подвержен ионной бомбардировке (в разной, естественно, степени) и может распыляться. Этот распыленный материал осаждается на подложку и загрязняет обрабатываемую микросхему. Это явление существенно ограничивает, например, применение нержавеющей стали, поскольку происходит загрязнение атомами тяжелых металлов, которые резко уменьшают время жизни неосновных носителей.
Влияние РИПТ на обрабатываемые материалысвязано с бомбардировкой поверхности материалов (и конструкционных элементов установки) ионами и электронами, связанное с этим радиационное воздействие приводит к возникновению электронных ловушек в материале мишени, которые могут изменять параметры создаваемых в подложке микроэлектронных элементов. За счет повреждений, вызываемых ионной бомбардировкой могут возникать дефекты структуры и целые аморфные кластеры. Ионы и фотоны создают потенциально заряженные ловушки и нейтральные состояния (типа экситонов и поляронов), с большим трудом поддающиеся отжигу. Можно сказать, что подбор рабочих параметров РИПТ для каждой конкретной установки во многом остается эмпирическим процессом.
Глава 4. Методы модификации поверхностных и объемных структур.
Раздел 1. Термическая диффузия.
Поскольку основой большинства элементов микроэлектронной техники является р-nпереход, то необходимо создавать в материале подложки области с различными типами проводимости. Это можно делать сразу же при выращивании поверхностной пленки (например, методом эпитаксии), но технологически более выгодно изменять существующий тип проводимости путем контролируемого и управляемого введения соответствующих примесей в нужные области. Самым простым способом является термическая диффузия примесей (ТДП), впервые примененная Пфанном в 1952 г. Эмпирическая теория приписывает диффузии (переносу атомов вещества, обусловленному их хаотическим тепловым движением в направлении уменьшения концентрации) 3 возможных механизма ее осуществления. Это взаимный обмен местами из одного равновесного положения в другое, движение по вакансиям и движение по междоузлиям.
В 1855 г. Фик предложил эмпирическую теорию диффузии по аналогии с процессами теплопроводности, которая базируется на двух законах, связывающих плотность потока частиц с градиентом их концентрации (1) и характер скорости накопления частиц (2). Диффузию примеси для формирования р-nперехода можно осуществить двумя путями - при постоянной поверхностной концентрации (диффузия из бесконечного источника) или при постоянном числе легирующих атомов (диффузия из ограниченного источника).
При диффузии из бесконечного источника концентрация примеси на поверхности постоянна и от времени процесса не зависит. Решение уравнения диффузии дает зависимость концентрации введенной примеси по глубине от времени диффузии :
гдеN0 - концентрация исходной примеси на поверхностиат/см3;D-
N1
N0 x
t1
t2
Рис.4.1
Распределение концентрации примеси
по глубине при диффузии из бесконечного
источника
N2
При диффузии из ограниченного источника процесс осуществляется, если на поверхность подложки нанесен тонкий слой диффундирующей примеси или в очень тонкий поверхностный слой подложки при низкой температуре загнана диффундирующая примесь. В последнем случае концентрация загнанной примеси обычно равна пределу растворимости данной примеси в данной подложке. Таким образом имеем определенное количество вещества примеси Q[ат/см3], находящемся в сверхтонком слое - аналоге дельта функции. Решение уравнения Фика в этом случае примет вид распределения Гаусса:
для х=0 получим концентрацию примеси на поверхности, причем в отличие от случая диффузии из бесконечного источника она зависит от времени диффузии:
Глубина залегания перехода в этом случае будет определяться из выражения:
Качественно распределение примеси по глубине показано на рис 4.2, где
N1 Q x
t1
t2
Рис.4.2
Распределение концентрации примеси
по глубине при диффузии из ограниченного
источника
N2
Во всех формулах, описывающих процесс диффузии нет в явном виде зависимости от температуры, тем не менее она существует и в первом приближении подчиняется правилу Вант-Гоффа - скорость любой реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 100.Уравнение Аррениуса, как частный случай уравнений Вант-Гоффа для коэффициента диффузии имеет вид:
где к - постоянная Больцмана, Т - температура процесса, Еа- энергия активации процесса диффузии (связана с энергиями, необходимыми для движения и формирования дефектно-примесных комплексов, по порядку величины - единицы эВ; В - 3,7;Р - 4,4 эВ);D0- коэффициент диффузии.
Несмотря на свою распространенность метод термической диффузии имеет ряд существенных недостатков:
Невозможность использовать легирующие материалы в чистом виде (Р - взрывоопасен, As иSb- ядовиты), поэтому используют их производные - фосфин (РН3), арсин (AsH3) и стибин (SBH3).
Для увеличения скорости процесса его приходится проводить при высоких температурах (желательно меньших температуры плавления подложки), что приводит к перераспределению ранее внедренных примесей.
Изотропность процесса приводит к боковой диффузии, что недопустимо в субмикронной технологии.
Возможность использования многих материалов в качестве диффузанта по разным причинам ограничена.
Во всех случаях максимальная концентрация вводимой примеси находится на поверхности подложки.
Эти недостатки практически исключают применение диффузии для целей субмикронной технологии.