Материал: Metodichka_s_lr_po_FHOT

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

Лабораторная работа № 2. Диффузия

Цель работы

1. Изучение закономерностей процесса диффузии

2. Изучение влияния различных факторов на скорость диффузии.

3. Расчет профиля распределения примеси и глубины залегания p-n перехода при различных технологических режимах.

Введение

Диффузия представляет собой процесс движения примесных атомов вкристаллической решетке. В отличие от диффузии в газовой фазе перемещение атомов в кристалле осуществляется скачками. Эти скачки происходят во всех направлениях и суммарный поток определяется статистическим усреднением за определенный период времени. Атомы кристалла образуют пространственную периодическую структуру. Примесный атом, перемещаясь по кристаллу, постоянно перескакивает из одного устойчивого состояния вдругое. Для того чтобы осуществился такой перескок, необходимо, чтобы атом получил от кристаллической решетки энергию, достаточную дляпреодоления потенциального барьера, удерживающего атом в устойчивом состоянии. Кроме этого, необходимо также, чтобы конечный пункт перескока примесного атома был свободен. Высота потенциального барьера, называемого энергией активации диффузии, для большинства материалов имеет значение 14эВ, а расстояние между соседними потенциальными барьерами соответствует постоянной решетки и примерно равно 0,1  0,3нм.

Примесные атомы в кристалле могут перемещаться либо по вакансиям (свободным узлам кристаллической решетки), либо по междоузлиям. Соответственно этому различают два основных механизма диффузии: диффузия по вакансиям (диффузия замещения) и диффузия по междоузлиям (диффузия внедрения). Диффузия по междоузлиям происходит в сотни тысяч раз быстрее, чем диффузия по вакансиям. Это объясняется тем, что при диффузии по вакансиям необходимым условием является наличие вакансии вблизи диффундирующего атома, а это представляет собой относительно редкое событие, поскольку концентрация вакансий в кристалле невелика. Придиффузии по междоузлиям такое условие несущественно, поскольку большинство междоузлий свободно. Реально имеет место комбинация этих двух механизмов, но один из них обычно преобладает. Примесные атомы III иV групп в кремнии диффундируют, как правило, по вакансиям, а атомы I иVIII – помеждоузлиям.

Закономерности диффузионных процессов описываются законами Фика, которые для одномерного случая имеют вид:

- 1-й закон Фика,

- 2-й закон Фика.

Здесь j – плотность потока атомов диффузанта; c – концентрация примеси; D – коэффициент диффузии примеси, зависящей от температуры:

,

где Ea – энергия активации диффузии; D₀ – коэффициент диффузии при физически бесконечной температуре, т. е. при . Значение энергии активации Ea, коэффициента диффузии D₀, а также коэффициента диффузии D при приведены в таблице 2.1. Если коэффициент диффузии не зависит от координаты, то 2-й закон Фика, называемый уравнением диффузии, примет вид:

.

Решение уравнения диффузии позволяет рассчитать зависимость и тем самым определить профиль распределения примеси по глубине в различные моменты времени. Результат решения зависит от граничных условий. С практической точки зрения интерес представляют два случая, отличающихся заданием граничных условий: диффузия из неограниченного источника и диффузия из ограниченного источника.

Случай 1. Диффузия из неограниченного источника. Граничные условия в этом случае имеют вид:

= const; ,

где - концентрация примеси в приповерхностном слое полупроводника.

Решением уравнения диффузии в этом случае будет функция, описываемая выражением:

,

где - дополнительная функция ошибок, равная по определению:

.

Значения этой функции протабулированы. Профили распределения примеси по глубине для этого случая представлены на рис. 2.1. Здесь же пунктиром показана концентрация исходной примеси, противоположной по типу вводимой примеси.

Диффузия из неограниченного источника обычно соответствует первому этапу диффузии, задачей которого является введение в кристалл определенного количества примеси (так называемая загонка примеси), которое определяется дозой легирования Q. Доза легирования Q по определению равна числу атомов примеси, введенных в кристалл через единичную поверхность за все время диффузии. Ее можно найти из первого закона Фика:

.

Интегрируя это выражение по времени, получим:

.

Случай 2. Диффузия из ограниченного источника. В этом случае остается постоянным общее количество примеси, введенное в тонкий приповерхностный слой кристалла, т. е.

=conct; .

Решением уравнения диффузии в этом случае будет функция Гаусса:

.

Профили распределения примеси для этого случая показаны на рис.2.2. Здесь же пунктиром показана концентрация исходной примеси и глубина залегания p-n – перехода. Заштрихованный прямоугольник определяет дозу легирования Q.

Глубину залегания p-n – перехода можно рассчитывать по формуле:

.

Существенное влияние на скорость диффузии кроме температуры оказывают атомы примеси и другие дефекты, присутствующие в кристалле. Локальная деформация решетки вблизи примесного атома приводит к уменьшению энергии связи между соседними атомами, что увеличивает вероятность образования вакансий. При вакансионном механизме диффузии это приводит к увеличению скорости диффузии. Энергия активации процесса диффузии может изменяться также вследствие кулоновского взаимодействия между атомами диффузианта и присутствующей в решетке примеси. Так наличие акцепторной примеси в кристалле ускоряет, а наличие донорской примеси замедляет процесс диффузии донорных атомов.

На скорость диффузии может оказать влияние и концентрация самой диффундирующей примеси. Это объясняется тем, что примесные атомы в процессе диффузии находятся в ионизированном состоянии. Возникающие при этом носители заряда (электроны в случае диффузии доноров), являясь более подвижными, чем ионы примеси, диффундируя вглубь подложки, создают электрическое поле, увлекая тем самым за собой ионы примеси. Этот дополнительный дрейф, увеличивающий эффективный коэффициент диффузии, проявляется лишь тогда, когда концентрация примеси существенно превышает собственную концентрацию носителей заряда в полупроводнике.

Таблица 2.1. Параметры различных диффузиантов в Si.

Задание

1. Получить у преподавателя исходные данные для расчета: вид диффузанта, температура, условия процесса, концентрация примеси в приповерхностном слое, исходная концентрация примеси в подложке, доза легирования.

2. Рассчитать и построить графики зависимостей концентрации примесей от глубины в различные моменты времени.

3. В случае диффузии из ограниченного источника рассчитать глубину залегания p-n – перехода и сравнить это значение с полученным из графика.

Контрольные вопросы

1. Закономерности процесса диффузии (Законы Фика).

2. Механизмы диффузии в полупроводниках. Объяснить зависимость коэффициента диффузии от температуры.

3. Диффузия из ограниченного и неограниченного источников.

4. Влияние примеси и структурных дефектов на скорость диффузии.

Литература

1. Парфенов О. Д. Технология микросхем. – М.: Высш. школа, 1986. – С. 38-45.

2. Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. – М.,: Радио и связь, 1991. – С. 149-172.

3. Пичугин И. Г., Таиров Ю. М. Технология полупроводниковых приборов. – М.: Высш. шк., 1984. – С. 179-210.

4. Смирнов В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – С. 31- 39