ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИФФУЗИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Лабораторная работа №3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Цель работы:Изучить процесс формирования конфигурации (рисунка) интегральных схем методом контактной фотолитографии
Краткие теоретические сведения
Литографией в технологии микроэлектроники называют процесс получения микрорисунка слоев интегральных схем (ИС) требуемой конфигурации. Процесс литографии занимает особое место в технологии микроэлектроники, особенно в планарной технологии изготовления ИС. Дальнейшее развитие технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) требует перехода к созданию элементов микронных и субмикронных размеров, что немыслимо без совершенствования существующих и разработки новых методов литографии.
По роду воздействующих энергетических частиц на актиночувствительный слой и, в зависимости от длины волны излучения l, следует различать оптические и неоптические методы литографии. К первой группе относятся контактная и проекционная фотолитографии (l=250–440 нм), ко второй – электронная ((l=0,05 нм), ионная ((l=0,05–1,0 нм) и рентгенолитография ((l=0,5–2 нм). Актиночувствительным называется слой, который изменяет свои свойства (растворимость, химическую стойкость) под воздействием излучения. В качестве таких слоев применяют фоторезисты, рентгенорезисты, электронорезисты и ионорезисты.
|
|
|
При контактной фотолитографии фотошаблон непосредственно контактирует с пластиной, т.е. масштаб переноса изображения равен 1:1. Наличие контакта рабочего фотошаблона с полупроводниковой пластиной постепенно выводит из его строя. Предельные возможности контактной фотолитографии по разрешающей способности составляют 1,25–0.8 мкм. Однако дифракция света в слое фоторезиста (ФР) и в зазоре между пластиной и фотошаблоном снижает разрежающую способность, что является основным ограничивающим фактором фотолитографии при создании СБИС.
В проекционной литографии изображение фотошаблона проецируется на пластину через специальный объектив с высокой разрешающей способностью. Основное преимущество проекционной фотолитографии заключается, прежде всего, в отсутствии механического контакта фотошаблона с пленкой ФР. Проекционная фотолитография упрощает процесс совмещения, повышает его точность и снижает затрачиваемое время.
Проекционная фотолитография позволяет получать минимальную ширину линий 0.6–0.8 мкм и более высокий процент выхода годных. Существуют некоторые трудности в создании оптических систем, обеспечивающих равномерное освещение и однородное разрешение на большой площади. Кроме того, высокая стоимость установок и необходимость высококвалифицированного обслуживания накладывает ограничения на широкое использование данного метода в промышленности. В настоящее время проекционная фотолитография применяется в основном при изготовлении сложных приборов, особенно с большой площадью (БИС, ЗУ, СБИС, микропроцессоров).
|
|
|
Существует три основных способов проекционной литографии:
– одновременная передача всех элементов, входящих в фотошаблон, на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой слоем ФР;
– поэлементный «шаговый» перенос изображения на пластину, покрытую ФР;
– вычерчивание изображения на пластине тонким лучом лазера, управляемым от ЭВМ.
Перенос изображения этими методами может осуществляться без изменения масштаба и с уменьшением (1:4; 1:5; 1:10; 1:20).
При рентгенолитографии изображение на пластину переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с помощью мягкого рентгеновского излучения. Разрешающая способность рентгенолитографии составляет 0,2–0,3 мкм. Одним из достоинств метода является возможность получения структур субмикронных размеров с низким уровнем дефектности. Это объясняется тем, что загрязняющие частицы (пыль) существенно не ослабляют рентгеновское излучение, вследствие чего дефекты не переносятся на слой рентгенорезиста.
|
|
|
Электронолитография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения пучком электронов. Этот метод наиболее перспективен для формирования субмикронных элементов. В электронолитографии применяют два способа непосредственного формирования элементов изображения – последовательной экспозицией тонким сфокусированным электронным пучком круглого сечения (сканирующий способ) и экспонированием широким прямоугольным пучком (проекционный способ). Недостатком электронной литографии является рассеяние электронов в слое резиста, который является диэлектриком, сложность оборудования, наличие вакуума, воздействие внешних электромагнитных полей.
При ионолитографии сохраняются принципы формирования изображения, но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Т.к. ионы обладают большей массой, чем электроны, то и рассеяние их в слое резиста незначительно. Поэтому ионная литография обеспечивает большую разрешающую способность. Кроме того ионы обладают и большей энергией, т.е. перенос изображения можно проводить при меньших дозах облучения, чем при электронной литографии.
|
|
|
Контактная фотолитография
Фотолитография – это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое ФР при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон).При контактной фотолитографии фотошаблон на установке совмещения и экспонирования с помощью специального приспособления плотно прижимают к пленке ФР, после чего экспонируют пучком параллельных ультрафиолетовых лучей.
Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три основные стадии:
– формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение ФР и его сушку);
– формирование защитного рельефа в слое ФР (совмещение, экспонирование, проявление, вторая сушка слоя ФР – задубливание);
– создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя – пленки диэлектрика, металла или полупроводника), удаление слоя ФР, контроль качества фотолитографии.
Блок-схема процесса контактной фотолитографии показана на рис.1.
Рис.1. Блок-схема процесса контактной фотолитографии
Фоторезисты– светочувствительные органические материалы с изменяющейся под воздействием света растворимостью. ФР, растворимость экспонированного участка которых уменьшается, называются негативными, а ФР, растворимость которых после облучения возрастает, –позитивными. В основе создания рельефа в пленке негативного ФР лежит использование фотохимической реакции фотоприсоединеия - фотополимеризации , а в пленке позитивного ФР – реакции фоторазложения – фотолиза. При фотополимеризации происходит поперечная сшивка молекул полимера и его химическая стойкость увеличивается. При фотолизе происходит происходит разрыв слабых связей между молекулами, что приводит к снижению химической стойкости.
После обработки экспонированного ФР в проявителе, удаляющем растворимые участки , образуется рельефное изображение (рис.2).
а) б)
Рис.2. Формирование рельефа изображения элементов при использовании позитивного (а) и негативного (б) ФР:
1– ультрафиолетовое излучение, 2,3 – фотошаблон, 4 –слой ФР, 5–технологический слой, 6 – подложка.
Основными параметрами ФР являются светочувствительность, разрешающая способность, кислотоустойчивость, стабильность и вязкость (концентрация).
Светочувствительность – величина, обратная экспозиции, т.е. времени облучения, требуемой для перевода ФР в растворимое или нерастворимое состояние (экспозиция определяется экспериментально и зависит от толщины пленки ФР ).
Разрешающая способность – максимальное число линий одинаковый ширины, которое можно получить в ФР на 1 мм. Разрешающая способность R и ширина линий L связаны между собой соотношением R=1000/2L.
Стойкость к воздействию агрессивных сред (кислотоустойчивость) – величина пропорциональная времени отслаивания пленки в используемом травителе, оно должно быть по крайней мере на порядок выше времени проявления .
Стабильность эксплуатационных свойств определяется временем службы ФР при определенных условиях хранения и использования.
Фотошаблон(ФШ) – плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных участков на основе пленочного покрытия, образующих топологию одного из слоев структуры интегральной схемы. В зависимости от материала пленочного покрытия различают ФШ на основе фотографической эмульсии (эмульсионные ФШ), металлической пленки (металлизированные ФШ) и других материалов, например оксида железа (оксидные ФШ). Эмульсионные ФШ принципиально не могут обеспечить разрешающую способность, т.к. эмульсия имеет минимальную толщину слоя 4…6 мкм, кроме того, крайне низка их эксплутационная стойкость (1…10 совмещений). Металлизированные ФШ (хромированные) обеспечивают значительно большие разрешающую способность и стойкость (до 100 совмещений), однако коэффициент отражения пленки хрома высок и это не позволяет стабильно получать элементы размерами менее 1,5 мкм. Оксидные ФШ (оксиды Cr2О3 , Fe2O3, ) более удобны с точки зрения простоты совмещения, т.к. непрозрачные для УФ излучения оксиды являются прозрачными для видимого света, кроме того, их износостойкость выше, чем у металлизированных ФШ .Металлизированные и оксидные ФШ получают вакуумными и химическими методами, а также осаждением из парогазовой фазы с последующим травлением.
Технологический процесс контактной фотолитографии включает следующие операции:
– подготовку поверхности перед нанесением ФР;
– нанесение слоя ФР;
– сушку пленки ФР;
– совмещение ФШ с подложкой и экспонирование (засветку) ФР;
– проявление – удаление определенных участков пленки ФР (получение микрорисунка);
– контроль качества проявления и геометрических размеров изображения;
– задубливание ФР, повышающие устойчивость ФР к травителю;
– травление слоя оксида или металла через полученную фоторезистивную маску в специальном травителе;
– контроль качества травления ;
– удаление пленки ФР с поверхности;
– контроль качества проведенной фотолитографии.
Рассмотрим основные операции технологического процесса контактной фотолитографии.
Обработка поверхности подложек необходима для удаления органических и неорганических загрязнений. Необходимо, чтобы поверхность была гидрофильна к ФР и гидрофобна к травителю. Для удаления загрязнений используется обработка подложек в горячих органических растворителях, обработка в перекисно-аммиачном растворе с последующей гидромеханической отмывкой в деионизованной воде.
Для нанесения слоя ФР на пластину применяют методы центрифугирования, пульверизации, электростатического нанесения, окунания, полива. Самое широкое применение в полупроводниковой технологии нашел метод центрифугирования, так как он при несложном оборудовании позволяет получать пленки ФР с разбросом по толщине ± 10 % .Толщина ФР зависит от скорости вращения центрифуги и вязкости ФР. Метод центрифугирования позволяет формировать слой ФР на подложке с диаметром до 300 мм. Формирование слоя происходит за 20..30 c.При нанесении ФР на неподвижную подложку время между нанесением жидкого резиста и включением центрифуги должно быть минимальным (0.5…1с), чтобы вязкость ФР не менялась в результате испарения растворителей.
Нанесение ФР пульверизацией (распылением) позволяет получать широкий интервал толщин слоев и может использоваться для неплоских поверхностей. При этом расход ФР можно уменьшить примерно в 10 раз, дефектность слоя в 3…4 раза меньше по сравнению с центрифугированием, а отсутствие краевого утолщения делает этот метод особенно эффективным при нанесении ФР на прямоугольные подложки.
При электростатическом нанесении ФР диспергируется с помощью форсунки, либо само электрическое поле дробит жидкость на мелкие капли диаметром около 10 мкм. Заряженные капли ускоряются электрическим полем напряжением 15–20 кВ и осаждаются на подложку.
Нанесение ФР окунанием – наиболее простой способ нанесения покрытия, когда обрабатываемую подложку погружают в ФР и выводят из него с регулируемой скоростью. Полив ФР на горизонтально расположенные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с окунанием равномерность по толщине, однако имеются утолщения по краям.
Сушка слоя ФР необходима для окончательного удаления растворителя. Для этого подложку со слоем ФР нагревают до 90–1000С. При этом также происходит уплотнение молекулярной структуры слоя, уменьшаются внутренние напряжения, повышается адгезия к подложке. При конвективной сушке подложки выдерживаются в термокамере в течение 15–20 мин. При инфракрасной сушке источником тепла является сама подложка, поглощающая ИК-излучение от галогенной лампы или от накаливаемой спирали. Время сушки составляет 5–10 мин. При СВЧ сушке подложки нагреваются, поглощая энергию СВЧ поля. Время сушки – несколько секунд.
Совмещение и экспонирование – одни из наиболее ответственных операций, обеспечивающих качество фотолитографии. Передача изображения с ФШ на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, что обычно составляет 0,1- 0,5 мкм. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации ФШ и подложки. Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. При первой фотолитографии ФШ ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложке уже сформированы топологические слои, рисунок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя с помощью меток совмещения, которые представляют собой концентрические окружности, вложенные квадраты, крестики и т.п. Время экспонирования зависит от толщины слоя ФР, его светочувствительности и энергии падающего излучения.
Проявление слоя ФР заключается в удалении в зависимости от использованного типа ФР экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложки остается защитный рельеф – фоторезистивная маска требуемой конфигурации. Проявителями для негативных ФР служат органические растворители, а для позитивных – слабые водные растворы щелочей (NaOH, KOH). Типовое время проявления составляет 30–40 с.
Задубливание слоя ФР является второй сушкой при более высокой температуре. и выполняется теми же способами, что и первая сушка.
Травление технологического слоя через маску из ФР осуществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" травлением. Химическое жидкостное травление основано на растворении в химических реагентах незащищенных фоторезистивной маской участков технологического слоя. Скорость травления зависит от концентрации реагента и его температуры. Недостатком жидкостного травления является образование т.н. "клина травления", который образуется из-за затекания травителя под фоторезистивную маску, что приводит к уменьшению размера рисунка. При "сухих" методах нет бокового подтравливания, потому что травление технологических слоев осуществляется с использованием плазменных потоков, которые удаляют технологический слой за счет физического распыления путем бомбардировки ионами инертного газа, или разрушением технологического слоя ионами активных газов (CF4 , CCl3 , SF6 ).
Удаление пленки ФР осуществляют двумя методами. В первом методе ФР смывают с помощью органических растворителей (ацетон, диметилформамид, четыреххлористый углерод), во втором – с использованием плазмы кислорода, в результате чего образуются летучие соединения CO2 и H2O, NO2 и др.
Контроль качества воспроизведения конфигурации осуществляют с помощью оптического микроскопа с увеличением не менее 100 раз.
В данной лабораторной работе ставится задача провести фотолитографическую гравировку медной пленки толщиной 0,3 мкм, нанесенной на подложку из ситалла или стекла.
Порядок выполнения работы
Используемые материалы
Фоторезист ФП-РН-7. Проявитель – раствор NaOH. Травитель для меди – (кислота азотная HNO3). Вода дистиллированная. Диметилформамид или ацетон. Подложки ситалловые с пленкой меди.
Оборудование, оснастка
Центрифуга горизонтальная. Шкаф сушильный 2В–151. Установка совмещения и экспонирования Цейс 830–02. Микроскоп МИИ–4. Шкаф вытяжной. Стакан мерный. Чашка Петри. Пинцет с фторопластовыми наконечниками. Секундомер. Салфетки бязевые.
1. Провести обезжиривание поверхности подложки салфеткой, смоченной в ацетоне.
2. Нанести на подложку слой ФР для чего поместить подложку на диск центрифугу рабочей стороной вверх, нанести 2–3 капели ФР на подложку, равномерно распределив его по поверхности, включить центрифугу и выдержать время 30–40 с. Толщина пленки ФР при этом составит около 3 мкм.
3. Поместить подложку в сушильный шкаф-термостат и выдержать при температуре 95–100°С в течение 10–20 мин. Извлечь подложку из шкафа и охладить её на воздухе
4. Поместить подложку с металлизацией на рабочий столик установки Цейс 830–02 и расположить поверх ней ФШ рабочей стороной к металлической пленке. Порядок экспонирования приведен в технологической инструкции к установке Цейс 830–02. Время экспонирования – 90 с.
5. Для проведения операции проявления рисунка необходимо налить в чашку Петри 50–60 мл проявителя, опустить подложку в проявитель рабочей стороной вверх, выдержать подложку в проявителе до полного проявления рисунка, слегка покачивая чашку. Промыть пластину в дистиллированной воде в течение 15–20 секунд; и высушить пластину на центрифуге в течение 1 минуты.
6.Проконтролировать качество рисунка после появления под микроскопом МИИ–4. Край рельефа должен быть четким и ровным. Не должно быть остатков ФР в засвеченных участках. В противном случае ФР допроявить в течение 30–40с
7. Провести задубливание ФР в термошкафу при 1300С в течение 10–15 мин.
8.Осуществить травление меди для чего налить в чашку Петри травитель и выдержать подложку в травителе до полного стравливания металла в незащищенных ФР участках. По окончании травления промыть пластину в дистиллированной воде в течение 20–30с; и высушить на центрифуге в течение 1 мин.
9. Проконтролировать качество травления металла под микроскопом. При наличии остатков металла в окнах дотравить. пленку в течение 1–2 минут.
10. С помощью салфетки, смоченной ацетоном, удалить пленку ФР с поверхности подложки.
11. Проконтролировать качество фотолитографии под микроскопом и выявить основные виды дефектов:
– остатки ФР на поверхности;
– наличие проколов в металлическом слое;
– остатки металла на поверхности пластины;
– определить неровность края элементов;
– определить величину бокового подтравливания по формуле:
К=(d2-d1)/2 , (1)
где d1- размер выбранного элемента рисунка на рабочей пластине, мкм;
d2 - размер этого же элемента рисунка на фотошаблоне, мкм.
.
Содержание отчета
Полученные результаты оформляются в виде отчета, который должен содержать:
– цель работы;
– описание реального технологического процесса фотолитографии с указанием режимов основных операций, применяемых материалов, оборудования и оснастки;
– описание качества проведенной фотолитографии с указанием измеренных размеров, основных видов обнаруженных дефектов, возможных причин их возникновения и устранения;
–выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое фотолитография, виды литографии?
2. Сущность процесса контактной ФЛ.
3. ФР, их виды, процессы, протекающие в ФР под действием излучения.
4. Основные параметры ФР.
5. Способы нанесения ФР.
6. ФШ, их особенности, требования к фотошаблонам.
7. Особенности проекционной ФЛ.
8.По каким критериям оценивается качество процесса фотолитографии?
Литература
1. Мартынов,В.В. Литографические процессы / ВВ.Мартынов, Т.Е.Базарова//– М:, Высш.шк. –1990. –128 с.
2. Пресс,Ф.П. Фотолитографические методы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем / – М.: Сов. радио. –1978. –315 с.
3. Достанко, А.П. Технология интегральных схем / А.П.Достанко. – Мн.: – Выш. шк. –1982. –260 с.
4. Готра, З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник/ З.Ю.Готра. –М.: Радио и связь. –1991. –528 с.
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ДИФФУЗИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Цель работы:Изучение основных положений термической диффузии в полупроводниках, методов реализации термических процессов перераспределения примесей в объеме твердого тела, технологии диффузионного легирования кремния и контроля параметров диффузионных слоев.
1. Теоретическая часть
Ряд технологических процессов в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) основан на непосредственном соприкосновении различных фаз и переходе при этом соответствующих компонентов из одной фазы в другую или перемещении компонентов в пределах одной фазы. Во всех этих процессах происходит перемещение компонента из одной фазы в другую или внутри одной фазы, которое называется диффузией. Диффузия протекает в результате стремления системы достигнуть физико-химического равновесия, т.е. до тех пор, пока химические потенциалы компонентов фазы во всех частях ее станут равными (для однородной системы). Таким образом, диффузией называют перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества, и направленный в сторону убывания этой концентрации в той среде, где происходит диффузия.
При производстве современных изделий электронной техники (ИЭТ), диффузия является одним из методов введения в объем твердого тела примесных атомов, определяющих тип проводимости и уровень легирования диффузионного слоя. В результате диффузии образуются p–n– переходы, которые являются основой для формирования диодов, транзисторов, конденсаторов. Диффузионные процессы также позволяют сформировать полупроводниковые резисторы, а также при высокой степени легирования – и токопроводящие дорожки.
Математическое описание диффузионных процессов было впервые предложено в 1855 г. А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.
Первый закон Фика характеризует скорость проникновения атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:
, (1)
где F – вектор плотности потока атомов вещества, 
С – вектор градиента концентрации диффундирующих атомов; D – коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии (его размерность– см2/с) является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выровнять разность концентраций.
Второй закон Фика определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. Для одномерного случая оно имеет вид:
, (2)
где 
– изменение концентрации диффундирующего вещества со временем. Если коэффициент D считать постоянным (что справедливо в большинстве практических случаев диффузии в полупроводниках), то уравнение (2) имеет вид:
. (3)
Одной из основных величин в уравнении Фика является коэффициент диффузии D, который зависит от температуры, энергии связи примесных атомов в решетке полупроводника, плотности вакансий в кристалле, постоянной решетки, кристаллографической ориентации подложки и других факторов. Влияние этих параметров на величину D описывается соотношением Аррениуса:
, (4)
где D0 – константа диффузии, которая в диапазоне 900 – 1200оС не зависит от температуры, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, Eакт – энергия активации процесса диффузии, необходимая для удаления атома из кристаллической решетки твердого тела. Фактически это энергия элементарного «прыжка» (перемещения) примесного или собственного атома.
В соответствии с основными видами дефектов различают два основополагающих вида диффузии для реальных кристаллов – междоузельный и вакансионный. Для некоторых примесных атомов Si для вакансионного механизма
Eакт ≈ 3–4 эВ, а для механизма прямого перемещения атомов по междоузлиям Eакт ≈ 0,6–1,2 эВ.
Для практических реализаций диффузионных процессов особый интерес представляют два случая диффузии:
1– диффузия из бесконечного источника, когда в поверхностные слои твердого тела вводятся примесные атомы, концентрация которых на поверхности остается постоянной в течение всего процесса диффузии. Этот случай характерен для первой стадии диффузии, называемой в производстве ИЭТ «загонкой». Упрощенно, на стадии «загонка», в поверхностные слои вводятся примесные атомы на глубину 0,15–0,8 мкм в зависимости от предельной растворимости примеси в твердом теле при данной температуре.
При диффузии в заданную область (x>0) из бесконечного источника (загонка примеси) с постоянной концентрацией С0 распределение концентрации диффузанта показано на рис.1.
Рис. 1. Распределение концентраций примеси за счет диффузии из
бесконечного источника
2– диффузия из конечного источника.Этот случай соответствует условиям, когда в тонком поверхностном слое полупроводника создана избыточная концентрация примеси С0, а образец подвергается дополнительной высокотемпературной обработке. Избыточная концентрация может быть получена путем диффузии примесей на стадии «загонка» или же, что наиболее распространено на практике, - ионной имплантацией. В этом случае происходит перераспределение примеси из поверхностного слоя в объем твердого тела. Данный этап иногда называется второй стадией диффузии – «разгонкой». Во время процесса «разгонки» количество примесных атомов на поверхности образца будет непрерывно уменьшаться и, одновременно, будет увеличиваться концентрация примеси в слоях, лежащих глубже легированного поверхностного слоя.
Для граничных условий конечного источника решение диффузионного уравнения дает функцию распределения Гаусса. Для одномерного случая оно выглядит так:
, (5)
где Q – количество примесей, введенное на этапе «загонка». Графическая интерпретация выражения (5) приведена на рис. 2.
Рис. 2. Влияние времени диффузии на перераспределение примеси фосфора в кремниевой подложке из конечного источника, описываемое законом Гаусса
Температурный диапазон реализации диффузионных процессов составляет 950–1250 оС, для Si. Ниже 950 оС значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина залегания легированного слоя очень незначительна. Выше 1250–1280 оС качество диффузионных слоев неудовлетворительно.
В зависимости от способа введения в полупроводники диффузанта различают диффузию из газовой (или паровой) фазы, из жидкой фазы и из твердой фазы.
Диффузионные процессы проводят в закрытой или открытой трубе. В первом случае (рис.3,а) пластины полупроводника 1 и источник 2 загружают в кварцевую ампулу 3, которую вакуумируют (до давления 10-2…10-3 Па.), герметизируют и помещают в печь 4. Ампулу выдерживают при температуре 900–1300 оС определенное время, в течении которого идет процесс диффузии газообразной примеси на рассчитанную глубину. Недостаток этого метода – низкая производительность и высокая стоимость процесса, т.к. при вскрытии ампула разрушается.
Термин «открытая труба» обусловлен тем, что выходной конец диффузионной трубы сообщается с атмосферой (рис. 3,б-д). Через него в зону диффузии загружают кремниевые пластины 1. Чтобы свести к минимуму загрязнения из атмосферы, над выходом трубы 2 устанавливают вытяжную систему. Во входной конец диффузионной трубы вставляют шлиф для введения газа – носителя 3 – азота или кислорода.
Рис. 3. Способы проведения диффузии
Диффузант 4 либо наносят на поверхность пластины (рис. 3, б), либо вводят в виде пара или газа в газ – носитель (рис. 3, в). На рис. 3, г показана схема диффузионной печи, применяемой в основном для диффузии из твёрдых источников методом открытой трубы, на рис. 3, д – схема бокс–метода. В последнем случае пластины и источник находятся в полусферическом контейнере 5 однозонной печи.
Наибольшее распространение в промышленности получила диффузия в открытой трубе, проводимая из твёрдых жидких и газообразных источников.
Рассмотрим схему процесса диффузии в потоке газа–носителя с источником жидкого диффузанта, широко используемого в настоящее время.
Для загрузки партии пластин (рис.4) применяют кассеты из кварцевого стекла или кремния. Пластины размещаются поперёк или вдоль оси кассеты и соответственно диффузионной трубы, куда загружаются кассеты с пластинами. При продольном расположении оси снижается турбулентность потока в реакторе.
Рис. 4. Схема процесса диффузии в открытой трубе в потоке диффузанта
Операционный цикл включает следующие переходы:
– так называемая «промывка» реактора аргоном;
– вывод печи на заданный температурный режим (в течение 2–3 ч.);
– загрузка кассеты с пластинами и прогрев её в течение 10 мин. С подачей аргона для удаления десорбированных газов;
– подача аргона с парогазовой смесью (диффузант и кислород);
– выдержка в рабочей зоне при постоянной температуре заданное время (собственно диффузия);
– прекращение подачи смеси и извлечение кассеты с пластинами.
Широкое применение получили печи диффузионные однозонные с несколькими трубами, диаметр которых примерно в полтора раза превышает диаметр обрабатываемых пластин. Среди диффузионных систем следует выделить СДО 125-3/015 (диаметр пластин 76 мм), СДОМ (диаметр пластин 100 мм), ОКСИД-ПО (100–150 мм). Погрешность поддержания температуры в рабочей зоне печи не более 0,5ºС. Контроль температуры ведётся в нескольких точках (обычно в 3–х точках) платино–платинородиевыми термопарами.
В качестве источника примесей при диффузии используют специальные вещества (чистые или химические соединения), являющиеся источником атомов примеси и называемые диффузантами. По своему агрегатному состоянию диффузанты бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Электронный тип проводимости в кремнии дают фосфор, сурьма, мышьяк, а дырочный – бор, галлий, алюминий.
Твёрдые диффузанты. Фосфор.Наиболее распространенным источником является безводная пятиокись фосфора (фосфорный ангидрид) 
.
помещают в зону источника (рис.3, г) и нагревают до 230–300 ºС. Газ-носитель захватывает молекулы и переносит в зону диффузии. В процессе диффузии между и Si происходит химическая реакция с выделением элементарного P и Si, образующих стекловидное соединение на поверхности пластины, из которого идёт диффузия.
Другими источниками в твёрдой фазе являются нитрид фосфора 
, который требует более высоких температур источника (450–400 ºС). Недостатком является непостоянство его состава и связанное с этим изменение давления паров, что даёт невоспроизводимые результаты.
Бор.Самым распространённым источником в твёрдой фазе для диффузии в открытой трубе является борный ангидрид 
или борная кислота, которая при высокой температуре дегидратируется с образованием . Температура источника составляет около 900 ºС. Обычно и 
используют в смеси с 
, т.к. соприкосновение чистого с кварцем вызывает его расстекловывание. В последнее время широкое применение находит нитрид бора BN, который выпускается в виде дисков с диаметром равным диаметру используемых кремниевых пластин. Диски из нитрида бора помещаются в кассету рядом с пластинами из кремния, что обеспечивает высокую равномерность легирования.
Жидкие диффузанты. Фосфор.В качестве жидких диффузантов используют оксихлорид фосфора 
, трихлорид фосфора 
и пентафторид фосфора 
. Обычно жидкие источники реагируют с избытком кислорода и образованием . Эти диффузанты не гигроскопичны, имеют малый расход и стабильны по концентрации фосфора при длительном использовании.
Бор. Наиболее распространён трёхбромистый бор 
. В газ-носитель добавляют кислород для окисления до и для защиты поверхности от образования чёрных нерастворимых отложений.
Газообразные диффузанты. Фосфор.Для диффузии фосфора в открытой трубе обычно используют фосфин 
. Механизм диффузии из такой же, как и механизм диффузии из . Недостатком является его высокая токсичность.
Бор.В качестве газообразных источников бора используют трёххлористый бор 
и диборан 
. в нейтральной и восстановительной атмосфере образует с кремнием летучие соединения и выделяет В. При добавлении в поток кислорода образуется борный ангидрид. Диборан используют в нейтральной, восстановительной и окислительной атмосфере. Пиролиз происходит при Т > 300ºC. Недостатком являются токсичность, лёгкая воспламеняемость на воздухе при концентрации более 0,8%, взрыв при соприкосновении с хлором.
В диффузионных структурах обычно контролируют глубину залегания p-n-перехода, поверхностную концентрацию, характер распределения диффундирующей примеси и значение градиента концентрации примеси в области p–n–перехода.
Для выявления диффузионных p–n–переходов пользуются методом косого шлифа (рис.5,а), т.е. кристалл, содержащий p–n–переход, сошлифовывают под небольшим углом (1–5º). При этом наблюдаемый диффузионный слой заметно расширяется. Границу диффузионной области выявляют при помощи метода селективного окрашивания специальными травителями. Глубина залегания 
в этом случае определяется по формуле
, (6)
где h – ширина p–n–перехода при заданной величине угла сошлифовывания α.
Рис. 5. Методы контроля глубины залегания диффузионных слоёв с
помощью косого (а) и сферического (б) шлифов
Более точные результаты получают при использовании сферического шлифа (рис. 5,б). В этом случае
, (7)
где d1 – диаметр лунки; d2 – диаметр нижней границы p–n–перехода; D – диаметр шара (30…150мм).
Диффузионный слой можно аппроксимировать последовательностью элементарных слоёв с различной, но постоянной в их пределах концентрацией примеси. Проводимость вдоль диффузионного слоя является суммой проводимостей элементарных слоёв. Измерив 4–зондовым методом поверхностную проводимость σSO, удалив элементарный слой толщиной ∆ и вновь измерив поверхностную проводимость σs , среднюю концентрацию свободных носителей заряда в удалённом слое, можно рассчитать по формулам:
, (8)
где μ– средняя подвижность носителей заряда.
Определение градиента концентрации примеси определяют путём измерения ёмкости p–n–перехода. При достаточно малых обратных смещениях, когда ширина перехода невелика, распределение примеси в нём с удовлетворительной точностью можно считать линейным.
Порядок выполнения работы
1.Получить у лаборанта кремниевую подложку и пластину из нитрида бора.
2.Обработать кремниевую подложку путём протирки ее поверхности салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном.
3.Стравить остатки оксида на кремниевой подложке в плавиковой кислоте (HF).
4.Промыть кремниевую подложку дистиллированной водой и просушить ее.
5. С помощью прибора ИУС–3 измерить удельное поверхностное сопротивление исходной кремниевой подложки.
6. Поместить кремниевую подложку на кварцевую лодочку. Положить на кремниевую подложку пластину из нитрида бора.
7.Медленно ввести лодочку в рабочую зону печи с помощью кварцевого толкателя.
8.Провести диффузию бора при следующих режимах: температура в рабочей зоне печи – 950±1ºС, время диффузии –30 мин.
9.Извлечь подложку из печи и удалить образовавшееся боросиликатное стекло в растворе плавиковой кислоты.
10.Промыть подложку дистиллированной водой и просушить ее.
11.Измерить удельное поверхностное сопротивление диффузионного слоя на приборе ИУС–3.
Содержание отчёта
1. Цель работы.
2.Основные теоретические положения.
3.Описание методики проведения работы;
а) схема аппаратуры (диффузионная печь, установка для измерения удельного сопротивления и т.п.);
б) описание хода работы;
4. Анализ результатов измерений.
6.Выводы.
Контрольные вопросы
1.Сущность процесса диффузии.
2.Основные законы диффузии, их формулировка.
3.Запишите выражение и нарисуйте распределение примеси при диффузии из источника с постоянной поверхностной концентрацией.
4.Запишите выражение и нарисуйте распределение примеси при диффузии из источника с фиксированным количеством примеси.
5.Что такое коэффициент диффузии? Его физический смысл. Температурная зависимость коэффициента диффузии.
6.Каковы механизмы диффузии в идеальном и реальном кристаллах?
7.Источники легирующей примеси (диффузанты).
8.Методы осуществления диффузионных процессов.
9.Особенность двухстадийного процесса диффузии.
10.Основные способы контроля диффузионных структур.
Литература
1.Курносов, А.И. Технология производства полупроводниковых приборов./ А.И. Курносов, В.В.Юдин// –М.: Высш. шк. – 1974. – 345 с.
2.Черняев, В.Н. Технология производства интегральных микросхем / В.Н.Черняев. –М.: Энергия– 1977. – 412 с.
3.Мазель, Е.З., Пресс Ф.П. Планарная технология кремниевых приборов/ Е.З.Мазель, Ф.П.Пресс// –М.: –Энергия. – 1974. – 486 с.
4.Болтакс, Б.И. Диффузия в полупроводниках/ Б.И.Болтакс. –М.: Физмат- гиз. – 1961. – 523 с.
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 470; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!