Материал: Metodichka_s_lr_po_FHOT

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 тока j₁ 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 , требуется молекул. С другой стороны, это число равно молекул, где N_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 толщиной z_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.